Пассивные помехоподавляющие и защитные компоненты

ТЕМА 6. ПАССИВНЫЕ ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИЕ ЗАЩИТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 6.1. Общие принципы защиты от ЭМП 6.2. Фильтры 6.3. Фильтровые элементы И 6.1. Общие принципы защиты от ЭМП Защита от неблагоприятного действия ЭМП строится по следующим основным направлениям: •организационные мероприятия; •инженерно-технические мероприятия; •лечебно-профилактические мероприятия. 1.Организационные мероприятия по защите от ЭМП включают: •выбор режимов работы излучающего оборудования, обеспечивающего уровень излучения, не превышающий предельно допустимый, •ограничение места и времени нахождения в зоне действия ЭМП (защита расстоянием и временем), •обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем ЭМП. Защита временем применяется, когда нет возможности снизить интенсивность излучения в данной точке до предельно допустимого уровня. В действующих ПДУ предусмотрена зависимость между интенсивностью плотности потока энергии и временем облучения. Защита расстоянием основывается на падении интенсивности излучения, которое обратно пропорционально квадрату расстояния и применяется, если невозможно ослабить ЭМП другими мерами, в том числе и защитой временем. Защита расстоянием положена в основу зон нормирования излучений для определения необходимого разрыва между источниками ЭМП и жилыми домами, служебными помещениями и т.п. Для каждой установки, излучающей электромагнитную энергию, должны определяться санитарно-защитные зоны в которых интенсивность ЭМП превышает ПДУ. Границы зон определяются расчетами для каждого конкретного случая размещения излучающей установки при работе их на максимальную мощность излучения и контролируются с помощью приборов. В соответствии с ГОСТ 12.1.026-80 зоны излучения ограждаются либо устанавливаются предупреждающие знаки с надписями: «Не входить, опасно!». 2. Инженерно-технические мероприятия предусматривают: •использование явления экранирования, фильтрации, защиты от перенапряжения электромагнитных полей непосредственно в местах нахождения установки или пребывания человека; •использование мероприятий по ограничению эмиссионных параметров источника поля. 3. Лечебно-профилактические мероприятия: •организация и проведение контроля выполнения гигиенических нормативов, режимов работы персонала, обслуживающего источники ЭМП; •выявление профессиональных заболеваний, обусловленных неблагоприятными факторами среды; •разработка мер по улучшению условий труда и быта персонала, по повышению устойчивости организма работающих к воздействиям неблагоприятных факторов среды. Текущий гигиенический контроль проводится в зависимости от параметров и режима работы излучающей установки, но как правило не реже 1 раза в год. При этом определяются характеристики ЭМП в производственных помещениях, в помещениях жилых и общественных зданий и на открытой территории. Измерения интенсивности ЭМП также проводятся при внесении в условия и режимы работы источников ЭМП изменений, влияющих на уровни излучения (замена генераторных и излучающих элементов, изменение технологического процесса, изменение экранировки и средств защиты, увеличение мощности, изменение расположения излучающих элементов и т.д.). В целях предупреждения, ранней диагностики и лечения нарушений в состоянии здоровья работники, связанные с воздействием ЭМП, должны проходить предварительные при поступлении на работу и периодические медицинские осмотры в порядке, установленном соответствующим приказом Министерства здравоохранения. Все лица с начальными проявлениями клинических нарушений, обусловленных воздействием ЭМП (астенический астено-вегетативный, гипоталамический синдром), а также с общими заболеваниями, течение которых может усугубляться под влиянием неблагоприятных факторов производственной среды (органические заболевания центральной нервной системы, гипертоническая болезнь, болезни эндокринной системы, болезни крови и др.), должны браться под наблюдение с проведением соответствующих гигиенических и терапевтических мероприятий, направленных на оздоровление условий труда и восстановление состояния здоровья работающих. При обеспечении электромагнитной совместимости во многих случаях необходимо: • ослабить эмиссию помех, обусловленную гальваническими связями с источниками, •проникновение помех через чувствительный элемент, •предотвратить возникновение перенапряжений в потенциальных источника помех, •ограничить опасные для изоляции перенапряжения, •ослабить излучаемые источником электромагнитные поля, •предотвратить проникновение этих полей через чувствительные элементы. Для этого используются пассивные помехоподавляющие устройства в виде фильтров, ограничителей напряжения и экранов. В зависимости от решаемой задачи они могут быть установлены непосредственно у чувствительного элемента (рис. 6.1, б) или у источника (рис. 6.1, в). Наглядно защитное действие таких компонентов представляется в виде отношения z/zr. Рисунок 6.1.- Взаимные расположения источника помех Q, приемника S и защитного компонента Е: а - защита отсутствует; б - защита приемника; в - подавление помехи х у источника 6.2. Фильтры Принцип действия. Помехоподавляющие фильтры представляют собой элементы для обеспечения затухания поступающей по проводам помехи. Целесообразное их применение предполагает, что спектральные составляющие полезного сигнала и помехи достаточно отличаются друг от друга. Это позволяет при соответствующих параметрах фильтра обеспечить селективное демпфирование помехи при отсутствии заметного искажения полезного сигнала. При этом собственно эффект демпфирования достигается делением напряжения. Поясним эго на простейшем примере. Если в низкочастотный контур полезного сигнала (полезные величины U 0 , то U N , IN на рис. 6.2, а) поступает высокочастотное напряжение помехи Z на полном сопротивлении приемника напряжения помехи U st  U 0 S появляется составляющая Z S Z Q  Z S (6.1)  Введение зависящего от частоты продольного полного сопротивления Z L (рис. 6.2, б), например, в форме ωL, представляющего для низкочастотного   тока I st - очень малое, а для высокочастотного тока I st - очень большое сопротивление, обеспечивает ослабление помехи, и составляющая, напряжения помехи снижается до U st'  U 0 Z S Z Q  Z L  Z S (6.2.) Достигаемый эффект затухания можно характеризовать коэффициентом   затухания - отношением падений напряжений на Z S при наличии Z L и без него: Z Q  Z L  Z S U st  . Z Q  Z S U st' (6.3.) Коэффициент затухания приводится, как правило, отношения напряжений и выражается в децибелах: a e  20 lg в виде логарифма U st . U ' (6.4) st Рисунок 6.2- Цепь без фильтра (а) и с Рисунок 6.3 - Токовый контур с фильтром (б) фильтром Согласно (6.3) эффект затухания зависит не только от Z L , но и от полных сопротивлений Z Q и Z S . В общем случае, фильтр F любой структуры представляет собой четырехполюсник, объединяющий источник помехи и приемник (рис. 6.3). Для расчета фильтра пригодны известные соотношения: (6.5) U 1  A11U 2  A12 I2 ; (6.6) I1  A 21U 2  A 22 I2 , Где A11 , A12 , A 21 , A 22 - комплексные параметры четырехполюсника. Их конкретные значения для простейших фильтровых структур представлены в табл. 6.1. Далее (рис. 6.3) можно записать: U 0  U 1  Z Q I1 ; (6.7) U 2  Z S I2 . (6.8) Напряжение на входе приемника без фильтра определяется как U 20  U 0 Z S . Z Q  Z S (6.9) Аналогично (6.4) ослабление сигнала в фильтре описывает как  логарифм отношения напряжений на входе приемника без фильтра U 20 и с  фильтром U 2 : ae  20 lg U 20 / U 2 . (6.10) Таблица 6.1 -Параметры четырехполюсников простейших схем фильтров Схема Коэффициент A11 A 21 A 22 1 A12 Z 1 1 1 / Z 0 1 1  Z1 / Z 0 Z1 1 / Z 0 1 1 Z 2 1 / Z 0 1  Z 2 / Z 0 1  Z1 / Z 0 Z Z Z1  Z 2 1 2 Z 0 1 / Z 0 1  Z 2 / Z 0 1  Z 0 / Z 2 Z 0 1 / Z1  1 / Z 2  Z 0 Z Z 1  Z 0 / Z1 1 1 2 Отсюда следует, что коэффициент затухания зависит, с одной стороны от параметров фильтра A11 , A12 , A 21 , A 22 (см. табл. 6.1), а с другой - от полных сопротивлений участвующих в процессе источника и приемника помех. Один и тот же фильтр при различных условиях, т.е. в зависимости значения и частотных характеристик полных сопротивлений Z Q и Z S , может вызывать невозможно сильно задать различающееся общую затухание. характеристику Поэтому, фильтра практически независимо от конкретных условий, и приводимые в фирменных каталогах значения коэффициента затухания фильтров согласно (6.10) относятся всегда к особому случаю системного согласования ( Z Q  Z S ) и к средним значениям Z Q и Z S , например 50, 60, 150 или 600 Ом. Таблица 6.2 - Рекомендации по выбору структуры фильтра Сопротивление источника Схема фильтра Сопротивление приемника Мало Мало Велико Велико Мало Велико Велико Мало Мало, неизвестно Мало, неизвестно Велико, неизвестно Велико, неизвестно Во всех остальных случаях фактическая эффективность фильтра определяется лишь экспериментально в соответствии с (6.10) или же расчетным путем, если точно известно соотношение полных сопротивлений Z Q и Z S . Если значения Z Q и Z S известны приблизительно, выбор подходящей фильтровой структуры может производиться с использованием данных табл. 6.2. 6.3 Фильтровые элементы Основными составными элементами фильтров являются катушки индуктивности и конденсаторы. Они могут использоваться для подавления помех отдельно или в комбинации друг с другом (см. табл. 6.2). Рисунки 6.3 и 6.4 дают общие представления о важнейших видах исполнения фильтров. Фильтровые элементы представляют собой в зависимости от номинального напряжения и пропускной способности по току приборы для монтажа в помещениях, компактные элементы, встраиваемые в шкафы, приборы, в разъемы или чип-элементы для монтажа на печатных платах. Рисунок 6.3 - Примеры выполнения помехозащитных конденсаторов: а - конденсатор с двумя выводами; б - конденсатор-ввод с тремя выводами; в - конденсатор-четырехполюсник; г - многоэлементный конденсатор Рисунок 6.4 - Примеры выполнения помехозащитных катушек с рабочим током I b , и синфазным током помехи I c : а - стержневая катушка; б - простейшая катушка с кольцевым сердечником; в - кольцевая катушка с двумя встречными обмотками и компенсацией магнитного потока, создаваемого рабочим током I b ; г - ферритовые кольца; д ферритовые сердечники для плоских жгутов; е - линии с повышенным затуханием, с охватывающей оболочкой из материала с высоким затуханием; ж - ферритовые пластины со многими отверстиями для штекерных соединений и интегральных схем Двухполюсные конденсаторы (рис. 6.5,а) в зависимости oт соединения их в токовую цепь (между прямым и обратным проводами или же между проводом и землей) пригодны для защиты как от синфазных, так и от противофазных помех (рис. 6.5,б). Конденсаторы-вводы (рис. 6.5,б) при соединении с корпусом служат для защиты только от синфазных помех (рис. 6.5,б). Конденсаторы-четырехполюсники (рис.6.5,в) защищают от противофазных помех (рис. 6.5,в), а многосекционные конденсаторы (рис. 6.5,г) - как от противофазных, так и синфазных помех (рис. 6.5,г). Рисунок 6.5 - Защита катушками индуктивности и конденсаторами от синфазных и противофазных токов помех (пояснения см. в тексте): Q1, Q2 - источники противофазных Id и синфазных Ic токов помех; СЕ паразитные емкости участка схемы относительно заземленного корпуса. Защитные катушки индуктивности представляют собой катушки с возможно малыми емкостью и активным сопротивлением обмотки. Они имеют замкнутые или разомкнутые сердечники (стержни, кольца из ферромагнитного материала - трансформаторной стали, металлооксидной керамики, прессованного порошка из карбонильного железа). Так как в катушках индуктивности с сердечниками магнитная цепь не замкнута, то их магнитная проницаемость и индуктивность практически не зависят от рабочего тока. При использовании катушек индуктивности и конденсаторов для фильтрации следует иметь в виду, что любой конденсатор наряду с емкостью С обладает паразитной индуктивностью Lp, зависящей от длины выводов конденсатора. Она особенно велика у двухполюсных конденсаторов и мала у коаксиальных конденсаторов-вводов. Каждая катушка индуктивности в дополнение к ее индуктивности L имеет паразитную емкость С. Отсюда можно сделать два вывода: -не каждый имеющийся в распоряжении конденсатор можно использовать в качестве помехоподавляющего; -емкостный фильтр предпочтителен, если имеют место высокие сопротивления источника и приемника помех. Сетевые помехоподавляющие фильтры представляют собой фильтры низких частот, свободно пропускающие напряжение сети (полезный сигнал) и фильтрующие содержащиеся в сети высокочастотные составляющие (гармонические, в том числе и образующие спектр импульсных помех). Их применение преследует две цели: во-первых, защиту устройства от помех, поступающих из сети питания, во-вторых, снижение уровня эмиссии возможной помехи, исходящей от прибора по проводам питания.