Лекция III 2. Описание электромагнитных помех в частотной и временной областях

Структура:

1. Земля и масса.

2. Описание электромагнитных помех в частотной и временной областях.

3. Классификация электромагнитных помех.

4. Уменьшение влияния помех через цепи питания.

1. Земля и масса.

В основных системах, состоящих их источника, нагрузки, земля не нужна. Ток с нагрузки на источник возвращается через обратный провод.

Земля предназначена с сложных системах, по ней текут аварийные токи.

Масса это нулевой, обратный провод, по которому обычно текут токи с нагрузки назад на источник. Масса не обязательно должна соединяться с Землей. Масса бывает двух видов:

звезда:

общая шина.

Случай, когда масса играет роль обратного провода:

На следующем рисунке земля предназначается для защиты от высокого напряжения прикосновения:

Принятые сокращения на рисунке:

Л1,Л2,Л3 – линейные провода;

ЗПН – защитный провод нейтрали;

Тр.П. – трансформаторная подстанция;

ЗП – защитный провод. В обычном режиме токе через него не протекает, он течет только через нулевой провод Н.

Более рационально и безопасно делать заземление короткими проводами и немедными.

2. Описание электромагнитных помех в частотной и временной областях.

Помехи удобно рассматривать в частотной области. Для этого делают спектральный анализ сигнала, используя преобразование Фурье - разложение сложного сигнала на простейшие гармонические непрерывные функции (sin, cos).

Если сложная рассматриваемая функция отвечает двум условиям Дирихле:

- функция непрерывна на отрезке разложения;

- в пределах периода функция имеет конечное число экстремумов (min, max);

то эту функцию можно разложить на гармонические составляющие:

Где: – амплитуда сигнала;

– круговая частота сигнала, равная (f[Гц]);

– начальная фаза сигнала.

Пусть сигнал задан в нормальной форме преобразования Фурье:

- постоянная составляющая сигнала, на нулевой частоте;

– коэффициенты косинусоидальных составляющих;

– коэффициенты синусоидальных составляющих;

– номер гармоники.

Согласно амплитудно-фазовой форме представления сигнала: . Тогда преобразование Фурье запишется в следующем виде:

Где - амплитуда k-ой гармоники, равная . Эта величина составляет основу линейчатого спектра амплитуд периодического сигнала;

– фазовый сдвиг k-ой гармоники, равны . Эта величина составляет основу фазового спектра периодического сигнала.

Видим, чем больше составляющих гармоник брать, тем ближе сигнал можем привести к идеальной форме.

Линейчатый спектр – характеризует вклад каждой гармоники в данном сигнале, выраженный в амплитуде. Измеряется в Вольтах.

Если же нужно разложить на простые составляющие непериодическую функцию, то преобразование Фурье записывается в следующем виде:

Где: – плотность распределение амплитуд, спектральная плотность апериодического сигнала, измеряемая в Вольт/Гц.

3. Классификация электромагнитных помех.

В зависимости от источников возникновения помехи бывают:

- естественные (удар молнией);

- искусственные:

* - функциональные (для источника помехи служат полезным сигналом);

* - нефункциональные – возникают через среду распространения сигнала (индуктивные и кондуктивные).

В зависимости от периодичности помехи бывают:

- периодические;

- непериодические;

- шумы.

В зависимости от ширины полосы распространения помехи бывают:

- узкополосные – ширина спектра которых меньше или равна ширине полосы распространения полезного сигнала;

- широкополосные – ширина спектра которых больше ширины спектра полезного сигнала.

Примеры помех:

Системы связи на несущей частоте - периодическая узкополосная помеха и ее линейчатый спектр амплитуд:

Компьютер - Периодическая широкополосная помеха и ее линейчатый спектр амплитуды:

Удары молнии – непериодическая широкополосная помеха и ее спектральная плотность амплитуды:

Коммутации в сети питающего напряжения – непериодическая узкополосная помеха и ее спектральная плотность амплитуды:

Шумы - широкополосная помеха и ее спектральная плотность амплитуды:

В зависимости от степени влияния помехи бывают:

- допустимые;

- приемлемые;

- недопустимые (опасные).

В зависимости от определения электромагнитной обстановки помехи бывают:

- низкочастотные;

- высокочастотные;

- электростатические.

Последние виды помех возникают в результате провалов от источника напряжения, скачков напряжения, влияния электромагнитного излучения. К таким помехам относят индуктивные и кондуктивные помехи.

4. Уменьшение влияния помех через цепи питания.

Пример помех.

Возникновение помех от источника электропитания (гальваническая связь через цепи питания). Так как есть общие провода, то при коммутации ключа на них будет наводиться помеха, которая будет влиять в каждом контуре. Для устранения такой помехи рационально будет следующая гальваническая развязка контуров:

В таком случае помеха от контура 1 будет наводиться только в источнике питания. Если же соединить системы таким способом, то помеха от контура 1 будет наводиться и во 2 контуре.

В данном случае наблюдается явление скин-эффекта. Это поверхностный эффект, заключающийся в том, что с увеличением частоты носители тока выталкиваются на поверхности и образуют там заряд, который способствует увеличению индуктивности L. Поэтому на круглых проводах L больше, чем на плоских. У круглых же проводов наблюдается зависимость: с ростом частоты f увеличивается и индуктивность L.

Для того, чтобы уменьшить влияние помех через цепи питания, делают следующие действия:

- подключают контура напрямую к источнику:

Нерациональное подключение