Основы электромагнитной совместимости (часть 1)

Что такое электромагнитная совместимость и как ей должны соответствовать ваши проекты? Джордж знакомит нас с темой ЭМС и электромагнитных сил.

Автор: George Novacek (Canada)

Давайте начнем с рассмотрения того, что означает электромагнитная совместимость (EMC) и что конкретно это значит для проекта. Как следует из названия, он должен действовать в соответствии с эффектом электромагнитных (EM) сил.

Волнообразный электрический ток генерирует волну электромагнитной энергии. Все такие флуктуации во временной области, будь то периодические или случайные, которые также включают в себя шум, могут быть разбиты на дискретные частоты с помощью преобразования Фурье:

Независимая переменная x представляет время в секундах, а переменная преобразования ξ (греческая строчная буква xi) представляет частоту в герцах (Гц). Нам не нужно углубляться в математику. Для нашей цели достаточно понять, что каждая дискретная частота в Гц, существование которой в электромагнитном поле мы установили с помощью преобразования Фурье, также может быть определена ее длиной волны (греческая буква Lambda): λ = c / f. В этом уравнении λ - длина волны в метрах, f - частота в герцах, а c - скорость света, которая обычно округляется до 300 000 000 м / с (т. е. 186 000 миль в секунду) от точной скорости света 299 792 458 м / с.

Электромагнитные волны

ЭМ волны всегда движутся в петле, то есть в замкнутой электрической цепи. Для протекания электрического тока должен быть источник, из которого он отправляется, и обратный путь для его завершения. ЭМ волны генерируют ЭМ поля. На характеристики электромагнитных полей влияют окружающие их диэлектрики, такие как воздух, керамика, ферромагнитные материалы и т. д. Одной из характеристик, определяющих электромагнитное поле, является его напряженность. Колебания напряжения генерируют электрическую (E) волну с соответствующим электронным полем, измеряемую напряжением, индуцированным на длине одного метра проводника (то есть, В / м). Колеблющийся ток генерирует магнитную (H) волну и h-поле, измеренное в амперах на один метр (то есть, А / м). Поскольку есть напряжение и ток, электромагнитные поля несут мощность (P), измеряемую в ваттах на квадратный метр (то есть, Вт / м2).

Электромагнитная совместимость является спецификацией для электрооборудования. В нем подробно описывается, как оборудование, подверженное воздействию электромагнитного поля, реагирует на него или насколько сильно генерируемое поле может излучаться в окружающую среду. В ходе проектирования оборудования инженерам необходимо подавлять электромагнитные излучения, создаваемые внутри и распространяющиеся снаружи излучением или проводимостью через интерфейсные провода. Это может вызвать электромагнитные помехи (EMI) в другом оборудовании. В то же время разработчикам необходимо достичь достаточно высокой устойчивости (то есть низкой восприимчивости) к электромагнитным помехам, присутствующим в рабочей среде, создаваемым другим оборудованием или природными источниками, такими как молния. Единственным исключением является случай, когда излучение электромагнитного поля должно быть максимизировано, например, в случае беспроводной передачи.

ЭМ волны движутся с конечной скоростью, которая отвечает за величину переменного напряжения и тока, которые различаются по длине проводника. Это связано с длиной волны λ частоты волны. Если длина проводника составляет менее 1% от λ, его влияние обычно можно игнорировать. Это будет около 1 МГц для провода длиной 3 м (~ 10'). Как только длина проводника достигает примерно 12,5% (1/8) от λ, проводник начинает вести себя как линия передачи и требует соответствующего обращения.

Как мы знаем, электрические токи всегда протекают в замкнутых контурах, выбирая путь с наименьшим импедансом и наименьшей площадью, то есть как можно ближе к пути передачи. Следовательно, проектирование оборудования для ЭМС является в значительной степени проектированием и контролем путей обратного тока. 

ЭМ волны, движущиеся через среды или материалы, теряют энергию из-за их соответствующего удельного сопротивления или проводимости. Потерянная энергия превращается в тепло. Коэффициенты, которые определяют величину потерь, являются проницаемостью (µ) и диэлектрической проницаемостью (ε). В воздухе и вакууме:

Когда среда или проводники, отличные от воздуха или вакуума, проводят электромагнитную волну, относительная проницаемость и диэлектрическая проницаемость (μr) и (εr) задаются относительно μ0 и ε0. Следовательно, абсолютная проницаемость и диэлектрическая проницаемость материалов, отличных от воздуха или вакуума, будет равна µ0μr и ε0εr. Проницаемость и диэлектрическая проницаемость являются характеристиками, которые есть, например, у медного провода, чтобы показать паразитную индуктивность и емкость. Таким образом, мы можем сделать вывод, что всякий раз, когда присутствует волнообразное напряжение, оно всегда сопровождается соответствующим волнообразным током, создающим флуктуирующее E-поле и H-поле (см. рисунок 1). Это также верно и в обратном случае.

Рисунок 1. Это иллюстрация импедансов E-поля и H-поля в ближних и дальних полях.

В вакууме или воздухе электромагнитная волна распространяется со скоростью v = c, то есть приблизительно 300 миллионов метров в секунду, как указано выше. Но если μr и / или εr больше 1, то v становится меньше, чем c, а длина волны λ для данной частоты становится короче. Мы видели это замедление при использовании коаксиального кабеля в уравнении 1.

Ближние и дальние поля

Теперь, когда мы понимаем существование полей e и h, нам нужно обратиться к ближним и дальним полям. Когда размер источника ЭМ  << λ, граница между ближним и дальним полем r ≅ λ / 2π от источника. Для источников с размерами, превышающими λ, граница ближнего / дальнего поля r ≅ 2D2 / λ, где D - наибольший размер источника.

В дальнем поле волновое сопротивление в воздухе или в вакууме:

Скорость волны:
В воздухе или в вакууме у вас есть следующая скорость света:
Следовательно, в другой среде или материале скорость равна:
Поля E и H в ближнем поле имеют сложную структуру. Напряженность поля может изменяться на 1 / r, 1 / r2 или 1 / r3, где r - расстояние от источника. Это вызвано паразитной емкостью и паразитной взаимной индуктивной связью. Попав в дальнее поле, электромагнитные поля становятся волнами со сферическим распределением, ортогональным положением E и H друг к другу, а напряженность поля изменяется в 1 / r.

Как мы можем проанализировать влияние электромагнитных волн на наше оборудование? Если оголенный проводник короче λ / 8, можно использовать анализ с сосредоточенными контурами. Это означает, что компоненты могут рассматриваться как отдельные резисторы, конденсаторы или катушки индуктивности. Как только проводник длиннее, чем от λ / 8 до λ / 6, проводник начинает вести себя как линия передачи, и требуется соответствующий анализ. Но когда, по крайней мере, два измерения превышают от λ / 8 до λ / 6, необходимо использовать полноволновой анализ, основанный на уравнениях Максвелла. Если компьютерная программа не доступна для выполнения расчетов, такой анализ является практичным только для очень простых ситуаций.

Резонанс

Распространенным виновником, вызывающим высокую эмиссию или плохую сопротивляемость (то есть высокую восприимчивость), является резонанс. Все цепи, так как они построены из сопротивления, емкости и индуктивности, резонируют с определенной частотой. Рассмотрим упрощенную модель общего резистора на рисунке 2.

Рисунок 2. Это упрощенная модель резистора. В дополнение к его сопротивлению, он также имеет индуктивность и паразитную емкость.

Очевидно, что на некоторой частоте резистор будет резонировать. Упрощенная модель не может учитывать все паразитные реактивные элементы, поэтому неудивительно, что многие компоненты демонстрируют как параллельные, так и последовательные резонансы на нескольких частотах.

Само сопротивление также будет меняться с частотой из-за поверхностного-эффекта. В то время как постоянный ток протекает через все поперечное сечение проводника, переменный ток выталкивается к его поверхности. Глубина δ, на которую могут быть рассчитаны текущие потоки: 
где R - сопротивление постоянного тока проводника. µr и µ0 - проницаемости, обсужденные выше. f - рабочая частота. На частоте 300 МГц глубина покрытия медного проводника составляет всего 3,67 мкм, соответственно увеличивая удельное сопротивление проводника.

Все провода имеют паразитную индуктивность. Тонкий медный провод на открытом воздухе имеет индуктивность около 1 мкГн на метр (39,37”). Эта индуктивность увеличивается с приближением к ферромагнитным материалам с µr больше 1, таким как железо. Непосредственная близость к другим проводникам снижает самоиндуктивность.

Тонкий провод на открытом воздухе имеет паразитную емкость около 40 пФ на метр. Близость к диэлектрикам или другим проводникам увеличит эту емкость. Оба реактивных компонента, а именно индуктивность и емкость, запасают энергию в полях H и E соответственно. Следовательно, резонанс возникает при следующем, затухающем сопротивлении R. 

Когда цепь становится линией передачи, она приобретает свой характерный импеданс:
Когда оба сопротивления источника и нагрузки равны Z0, передается максимум волны. Если импедансы не совпадают, возникает разрыв, в результате чего волна отражается обратно от нагрузки к источнику и, как следствие, возникают стоячие волны. Когда оба разрыва одинаковы, возникают резонансы на всем числе длин волн вдоль линии передачи. Когда они относятся к противоположным типам, резонансы будут возникать при нечетном числе четвертьволновых длин λ / 4.

Мы продолжим обсуждение EMC во второй части этой серии статей.

Источник

Литература

K. Armstrong, Interference Technology Webinar
O. Hartal, Electromagnetic Compatibility by Design, R&B Enterprises, 1995
G. Novacek, “Impedance Matching,” Circuit Cellar 281, 2013
Предыдущий пост

Посмотреть

Другие статьи

Комментарии0

Оставить комментарий