Фильтрация информационных сигналов.
Одним из методов локализации опасных сигналов, циркулирующих в технических средствах и системах обработки информации, является фильтрация [22, 114, 128]. В источниках электромагнитных полей и наводок фильтрация осуществляется с целью предотвращения распространения нежелательных электромагнитных колебаний за пределы устройства - источника опасного сигнала. Фильтрация в устройствах - рецепторах электромагнитных полей и наводок должна исключить их воздействие на рецептор.
Для фильтрации сигналов в цепях питания ТСПИ используются разделительные трансформаторы и помехоподавляющие фильтры.
Разделительные трансформаторы. Такие трансформаторы должны обеспечивать развязку первичной и вторичной цепей по сигналам наводки. Это означает, что во вторичную цепь трансформатора не должны проникать наводки, появляющиеся в цепи первичной обмотки. Проникновение наводок во вторичную обмотку объясняется наличием нежелательных резистивных и емкостных цепей связи между обмотками.
Для уменьшения связи обмоток по сигналам наводок часто применяется внутренний экран, выполняемый в виде заземленной прокладки или фольги, укладываемой между первичной и вторичной обмотками. С помощью этого экрана наводка, действующая в первичной обмотке, замыкается на землю. Однако электростатическое поле вокруг экрана также может служить причиной проникновения наводок во вторичную цепь.
Разделительные трансформаторы используются с целью решения ряда задач [128], в том числе для:
- разделения по цепям питания источников и рецепторов наводки, если они подключаются к одним и тем же шинам переменного тока;
- устранения асимметричных наводок;
- ослабления симметричных наводок в цепи вторичной обмотки, обусловленных наличием асимметричных наводок в цепи первичной обмотки.
Средства развязки и экранирования, применяемые в разделительных трансформаторах, обеспечивают максимальное значение сопротивления между обмотками и создают для наводок путь с малым сопротивлением из первичной обмотки на землю. Это достигается обеспечением высокого сопротивления изоляции соответствующих элементов конструкции (~104 МОм) и незначительной емкости между обмотками.
Указанные особенности трансформаторов для цепей питания обеспечивают более высокую степень подавления наводок, чем обычные трансформаторы [128].
Разделительный трансформатор со специальными средствами экранирования и развязки обеспечивает ослабление информационного сигнала наводки в нагрузке на 126 дБ при емкости между обмотками 0,005 пФ и на 140 дБ при емкости между обмотками 0,001 пф [128].
Средства экранирования, применяемые в разделительных трансформаторах, должны не только устранять влияние асимметричных наводок на защищаемое устройство, но и не допустить на выходе трансформатора симметричных наводок, обусловленных асимметричными наводками на его входе. Применяя в разделительных трансформаторах
специальные средства экранирования, можно существенно (более чем на 40 дБ) уменьшить уровень таких наводок [128].
Помехоподавляющие фильтры.
В настоящее время существует большое количество различных типов фильтров, обеспечивающих ослабление нежелательных сигналов в разных участках частотного диапазона. Это фильтры нижних и верхних частот, полосовые и заграждающие фильтры и т.д. [128]. Основное назначение фильтров - пропускать без значительного ослабления сигналы с частотами, лежащими в рабочей полосе частот, и подавлять (ослаблять) сигналы с частотами, лежащими за пределами этой полосы.
Для исключения просачивания информационных сигналов в цепи электропитания используются фильтры нижних частот .
Фильтр нижних частот (ФНЧ) пропускает сигналы с частотами
ниже граничной частоты (f < fгр) и подавляет- с частотами выше граничной частоты [128].
Последовательная ветвь ФНЧ должна иметь малое сопротивление для постоянного тока и нижних частот. Вместе с тем для того, чтобы высшие частоты задерживались фильтром, последовательное сопротивление должно расти с частотой. Этим требованиям удовлетворяет индуктивность L [I28].
Параллельная ветвь ФНЧ, наоборот, должна иметь малую проводимость для низких частот с тем, чтобы токи этих частот не шунтировались параллельным плечом.
Для высоких частот параллельная ветвь должна иметь большую проводимость, тогда колебания этих частот будут ею шунтироваться, и их ток на выходе фильтра будет ослабляться. Таким требованиям отвечает емкость С [128].
Более сложные многозвенные ФНЧ (Чебышева, Баттерворта, Бесселя и т.д.) конструируют на основе сочетаний различных единичных звеньев [128].
Количественно величина ослабления (фильтрации) нежелательных том числе и опасных) сигналов защитным фильтром оценивается в соответствии с выражением [128]:
где u1 (p1) - напряжение (мощность) опасного сигнала на входе
фильтра;
U2 (р2) - напряжение (мощность) опасного сигнала на выходе
фильтра при включенной нагрузке Zн.
Основные требования, предъявляемые к защитным фильтрам, заключаются в следующем [22, 128]:
- величины рабочего напряжения и тока фильтра должны соответствовать напряжению и току фильтруемой цепи;
- величина ослабления нежелательных сигналов в диапазоне рабочих частот должна быть не менее требуемой;
- ослабление полезного сигнала в полосе прозрачности фильтра должно быть незначительным;
- габариты и масса фильтров должны быть минимальными;
- фильтры должны обеспечивать функционирование при определенных условиях эксплуатации (температура, влажность, давление) и механических нагрузках (удары, вибрация и т.д.);
- конструкции фильтров должны соответствовать требованиям техники безопасности.
К фильтрам цепей питания наряду с общими предъявляются следующие дополнительные требования [128]:
- затухание, вносимое такими фильтрами в цепи постоянного тока или переменного тока основной частоты, должно быть минимальным (например, 0,2 дБ и менее) и иметь большое значение (более 60 дБ) в полосе подавления, которая в зависимости от конкретных условий может быть достаточно широкой (до 10 ГГц) [128];
- сетевые фильтры должны эффективно работать при сильных проходящих токах, высоких напряжениях и высоких уровнях мощности проходящих и задерживаемых электромагнитных колебаний;
- ограничения, накладываемые на допустимые уровни нелинейных искажений формы напряжения питания при максимальной нагрузке, должны быть достаточно жесткими (например, уровни гармонических составляющих напряжения питания с частотами выше 10 кГц должны быть на 80 дБ ниже уровня основной гармоники) [128].
Рассмотрим влияние этих параметров более подробно. Напряжение,
приложенное к фильтру, должно быть таким, чтобы оно не вызывало пробоя конденсаторов фильтра при различных скачках питающего напряжения, включая скачки, обусловленные переходными процессами в цепях питания. Чтобы при заданных массе и объеме фильтр обеспечивал наилучшее подавление наводок в требуемом диапазоне частот, его конденсаторы должны обладать максимальной емкостью на единицу объема или массы. Кроме того, номинальное значение рабочего напряжения конденсаторов выбирают исходя из максимальных значений допускаемых скачков напряжения цепи питания, но не более их [22].
Ток через фильтр должен быть таким, чтобы не возникало насыщения сердечников катушек фильтра. Кроме того, следует учитывать, что с увеличением тока через катушку увеличивается реактивное падение напряжения на ней. Это может привести к тому, что [22]:
- ухудшается эквивалентный коэффициент стабилизации напряжения в цепи питания, содержащей фильтр;
- возникает взаимозависимость переходных процессов в различных нагрузках цепи питания.
Наибольшие скачки напряжения при этом возникают во время отключения нагрузок, так как большинство из них имеет индуктивный характер.
Характеристики фильтров зависят от числа использованных реактивных элементов. Так, например, фильтр из одного параллельного конденсатора или одной последовательной индуктивной катушки может обеспечить затухание лишь 20 дБ/декада вне полосы пропускания, а LC-фильтр из десяти или более элементов - более 200 дБ/декада [128].
Из-за паразитной связи между входом и выходом фильтра на практике трудно получить затухание более 100 дБ. Если фильтр неэкранированный и сигнал подается на него и снимается с помощью неэкранированных соединений (проводов), то развязка между входом и выходом обычно не превышает 40 ... 60 дБ. Для обеспечения развязки более 60 дБ необходимо использовать экранированные фильтры с разъемами и использовать для соединения экранированные провода [128].
Фильтры с гарантируемым затуханием 100 дБ выполняют в виде узла с электромагнитным экранированием, который помещается в корпус, изготовленный из материала с высокой магнитной проницаемостью магнитного экрана.
Этим существенно уменьшается возможность возникновения внутри корпуса паразитной связи между входом и выходом фильтра из-за магнитных электрических или электромагнитных полей.
Из-за влияния паразитных емкостей и индуктивностей фильтр зачастую не обеспечивает требуемого затухания на частотах, превышающих граничную частоту (fгр) на две декады, и полностью может потерять работоспособность на частотах, превышающих граничную частоту на несколько декад [128].
Ориентировочные значения максимального затухания для сетевых фильтров, приведены в табл. 2.5 [128].
Таблица 2.5
Значения максимального затухания для сетевых фильтров.
|
Диапазон частот |
Максимальное затухание фильтра вне полосы пропускания, дБ |
||||
|
экранированный |
неэкранированный |
||||
|
с разъемами |
без разъемов |
||||
|
Фильтры в цепях питания на токи не более 10 А |
|||||
|
fc £ f £ l0 fc |
80 |
— |
— |
||
|
10 fc £ f £ l00 fc |
80 |
— |
— |
||
|
f ³ l00 fc |
70 |
— |
— |
||
|
Фильтры в цепях питания на токи более 10 А |
|||||
|
fc £ f £ l0 fc |
100 |
— |
— |
||
|
10 fc £ f £ l00 fc |
100 |
— |
— |
||
|
f ³ l00 fc |
90 |
— |
— |
||
- фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами (LC-фильтры) - обычно предназначены для работы на частотах до 300 МГц;
- фильтры с распределенными параметрами (полосковые, коаксиальные или волноводные) - применяются на частотах свыше 1 ГГц;
- комбинированные - применяются на частотах 300 МГц ... 1 ГГц. В настоящее время промышленностью выпускаются несколько серий защитных фильтров (ФП, ФБ, ФПС и др.). На рис. 2.7 ... 2.9 представлены принципиальные электрические схемы фильтров типа ФП, обеспечивающих эффективность фильтрации не менее 60 дБ, 80 дБ и 100 дБ соответственно [117]. Основные характеристики защитных фильтров различных серий приведены в табл. 2.6, а внешний вид - на рис. 2.10 [95, 117].
Фильтры серии ФП обеспечивают затухание от 60 до 100 дБ.
Они рассчитаны на номинальное напряжение переменного тока от 60 до 500 В и ток - от 2,5 до 70 А. Размеры фильтров составляют от 350х100х60 до 560х210х80 мм, а вес - от 2,5 до 25 кг [117].
а)
б)
Рис. 2.7. Принципиальные схемы помехоподавляющих фильтров, обеспечивающих эффективность фильтрации не менее 60 дБ (а) и 80 дБ (б)
Рис. 2.8. Принципиальные схемы помехоподавляющих фильтров» обеспечивающих эффективность фильтрации не менее 100 дБ.
Рис. 2.9. Принципиальная схема помехоподавляющего фильтра ФП-15, обеспечивающего эффективность фильтрации не менее 100 дБ.
Рис. 2.10. Внешний вид помехоподавляющих фильтров ФП:
1 - патрубок; 2 - винт заземления.
Таблица 2.6
Основные характеристики помехоподавляющих фильтров
|
Наименование характеристик |
Тип фильтра |
|||||||
|
ФП-1 |
ФП-2 |
ФП-3 |
ФП-4 |
ФП-5 |
ФП-6 |
|||
|
Количество проводов |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
||
|
Номинальный ток, А |
2,5 |
4,0 |
4,0 |
4,0 |
10,0 |
20,0 |
||
|
Номинальное напряжение (фаза-земля), В |
||||||||
|
- постоянного тока |
500 |
250 |
500 |
1000 |
500 |
500 |
||
|
- переменного тока 50 Гц |
220 |
110 |
220 |
500 |
220 |
220 |
||
|
- переменного тока 400 Гц |
110 |
60 |
110 |
220 |
110 |
110 |
||
|
Вносимое затухание, дБ |
60 |
|||||||
|
Масса, кг |
2,5 |
2,5 |
4,5 |
4,5 |
4,5 |
4,5 |
||
|
Габаритные размеры, мм |
||||||||
|
- длина |
350 |
350 |
430 |
430 |
430 |
430 |
||
|
- ширина |
100 |
100 |
150 |
150 |
150 |
150 |
||
|
- высота (толщина) |
60 |
60 |
60 |
80 |
80 |
80 |
||
|
Резьба трубы патрубка, дюйм |
1/2 |
1/2 |
3/4 |
3/4 |
3/4 |
3/4 |
||
|
Наименование характеристик |
Тип фильтра |
|||||||
|
ФП-7 |
ФП-8 |
ФП-9 |
ФП-10 |
|||||
|
Количество проводов |
2 |
2 |
2 |
2 |
||||
|
Номинальный ток, А |
1,0 |
2,5 |
4,0 |
10,0 |
||||
|
Номинальное напряжение (фаза-земля),В |
||||||||
|
- постоянного тока |
250 |
1000 |
1000 |
500 |
||||
|
- переменного тока 50 Гц |
110 |
500 |
380 |
220 |
||||
|
- переменного тока 400 Гц |
60 |
220 |
110 |
110 |
||||
|
Вносимое затухание, дБ |
80 |
|||||||
|
Масса, кг |
4,5 |
5,0 |
6,0 |
6,0 |
||||
|
Габаритные размеры, мм |
||||||||
|
-длина |
430 |
470 |
470 |
470 |
||||
|
-ширина |
150 |
170 |
170 |
170 |
||||
|
- высота (толщина) |
80 |
80 |
80 |
80 |
||||
|
Резьба трубы патрубка, дюйм |
3/4 |
3/4 |
3/4 |
3/4 |
||||
Продолжение табл. 2.6
|
Наименование характеристик |
Тип фильтра |
|||||||||
|
ФП-11 |
ФП-12 |
ФП-13 |
ФП-14 |
ФП-15 |
||||||
|
Количество проводов |
2 |
2 |
2 |
2 |
4 |
|||||
|
Номинальный ток, А |
16,0 |
20,0 |
20,0 |
40,0 |
70,0 |
|||||
|
Номинальное напряжение (фаза-земля), В |
||||||||||
|
- постоянного тока |
1000 |
500 |
1000 |
1000 |
500 |
|||||
|
- переменного тока 50 Гц. |
380 |
220 |
500 |
500 |
220 |
|||||
|
- переменного тока 400 Гц |
110 |
110 |
220 |
220 |
110 |
|||||
|
Вносимое затухание, дБ |
100 |
|||||||||
|
Масса, кг |
8,5 |
9,5 |
9,5 |
10,0 |
25,0 |
|||||
|
Габаритные размеры, мм |
||||||||||
|
-длина |
560 |
560 |
560 |
560 |
800 |
|||||
|
-ширина |
210 |
210 |
210 |
210 |
210 |
|||||
|
- высота (толщина) |
80 |
80 |
80 |
80 |
150 |
|||||
|
Резьба трубы патрубка, дюйм |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 1/2 |
|||||
|
Наименование характеристик |
Тип фильтра |
|
|
ФСПК-100 |
ФСПК-200 |
|
|
Число фильтруемых двухпроводных линий |
2 |
|
|
Номинальный ток, А |
100 |
200 |
|
Номинальное напряжение питающей сети 50 Гц, В |
220/380 |
|
|
Частотный диапазон подавления помех, МГц |
0,02... 1000 |
|
|
Вносимое затухание, Дб |
не менее 60 |
|
|
Величина падения напряжения на фильтре при номинальном рабочем токе, В |
не более 5 |
|
|
Масса двух корпусов, кг |
36 |
|
|
Габаритные размеры одного двухпроводного корпуса, мм |
||
|
-длина |
800 |
|
|
-ширина |
320 |
|
|
- высота (толщина) |
92 |
Конструктивно фильтры ФСПК выполнены в виде двух корпусов (полукомплектов), каждый из которых обеспечивает фильтрацию двухпроводной линии. Размеры одного корпуса составляют 800х320х92 мм, а вес - 18 кг [95].