Источниками электромагнитных ВВФ являются многочисленные факторы есте­ственного и искусственного происхождения. К ним относятся разряды молний и ста­тического электричества, излучения радиолокационных и радиопередающих средств, короткие замыкания в энергетическом оборудовании, линиях электропередачи и т. п., стойкость к воздействию которых должна обязательно предусматриваться в процессе проектирования современных ЭС и контролироваться на специальных испытательных стендах, имитирующих электромагнитные ВВФ.

Успехи в создании эффективных источников энергии и развитие новых методов генерирования мощных электромагнитных импульсов, имеющих высокую скорость нарастания и большую длительность, привели к созданию в России и США нового электромагнитного оружия (ЭМО), которое предназначено прежде всего для вывода из строя ЭС путем воздействия на их уязвимые части электромагнитными импульсами, в том числе и сверхвысокочастотными. По некоторым оценкам считается, что в этом десятилетии ЭМО может быть принято на вооружение.

Специалисты, занимающиеся вопросами электромагнитной совместимости и оценки стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ, всегда могут отыскать в комплексе аппаратуры наиболее «слабое звено» и выбрать соответствующие техни­ческие средства электромагнитного излучения, поражающее ЭС бесконтактным спо­собом, т. е. дистанционно. Такое излучение может поражать как отдельные ЭС, так и стратегические объекты, например, электроэнергетические. Подобные генераторы электромагнитного излучения могут быть установлены на переносных, передвижных, летающих и плавающих объектах.

Воздействие электромагнитных полей вызывает в цепях ЭС и на контактах ЭРИ импульсы напряжений от 100 В до 10 кВ. Наблюдаются массовые искрения оболочек кабелей, пробои в установочных колодках, электрических соединителях и воздушных промежутках размером до 50 мм между составными частями конструкции ЭС. При этом энергия искровых пробоев может составлять от 0,1 до 100 мДж, что вполне до­статочно, чтобы вызвать отказы ЭРИ, замыкания в цепях источников питания, так как энергия поражения полупроводниковых структур составляет от 1 до 0,001 мДж. Кроме того, могут возникнуть пожары и взрывы горючих веществ, поскольку энергия инициирования взрыва многих пыле-газо-воздушных смесей находится в пределах от 20 до 1 мДж, а лакокрасочных и бензиновых паров — от 1 до 0,01 мДж.

Показателем стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ служит такой максимальный уровень электромагнитного фактора, при котором ЭС еще устойчиво к его воздействию. Критериями стойкости ЭС, находящихся в обесточенном состоянии, к воздействию электромагнитных полей являются отсутствие необратимых отказов и недопустимых изменений параметров ЭС, установленных в нормативной документа­ции или технических условиях на них. При этом критерием стойкости ЭМО является непревышение напряжения помех в уязвимых цепях, соединенных с клеммами ЭРИ, установленных в стандартах на ЭМО по параметру «стойкость к статическому электри­честву». Критерием стойкости ЭС, находящегося под напряжением, к воздействию электромагнитных ВВФ считается отсутствие необратимых и обратимых отказов (сбоев) в момент или после воздействия электромагнитного фактора. Критерием стой­кости по обратимым отказам при этом является непревышение напряжения помех в уязвимых цепях, соединенных с клеммами ЭРИ, установленного в стандартах на ЭМО по параметру «импульсная помехоустойчивость».

Разработка и создание ЭС, стойких к электромагнитным ВВФ, представляет со­бой чрезвычайно сложную проблему, решение которой начинается еще на стадии конструкторской проработки ЭС. Заметим, что затраты на проведение работ, связан­ных с обеспечением стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ, на ранних этапах проектирования составляют не более 2 % от стоимости разработки всего из­делия, а стоимость защищенного ЭС возрастает не более чем на 3-5 % от базовой. За­щита ЭС от электромагнитных ВВФ выполняется схемотехническими, структурно-­функциональными, а также методами рационального конструирования [31, 52].

Схемотехнические методы защиты заключаются в целенаправленном изменении структуры отдельных схем или введении в них дополнительных элементов (использо­вание специальных низко- и высокочастотных фильтров, бифилярных дросселей, изо­лирующих трансформаторов, амплитудных ограничителей наводок, оптоэлектронных гальванических развязок и пр.) для ослабления влияния вредных электромагнитных факторов на нормальное функционирование ЭС. Общим требованием, предъявляемым к элементам, узлам и системам, обеспечивающим практическую реализацию схемо­технических методов, является их минимальное влияние на работу ЭС в нормальных условиях.

Структурно-функциональные методы защиты заключаются в изменении функцио­нальных принципов построения ЭС или их отдельных частей и структуры используе­мых сигналов для повышения стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ. Чувствительность ЭС к воздействию электромагнитных факторов в значительной сте­пени зависит от диапазона используемых несущих частот и принятой системы рабочих сигналов. Очевидным методом защиты в этом случае является увеличение энергии по­лезных сигналов, амплитуды, длительности и соответствующий выбор несущих частот принимаемых сигналов с учетом спектральных характеристик возможных электро­магнитных ВВФ. В последнее время все больше внимания уделяется разработке бы­стродействующих датчиков, фиксирующих появление внешнего электромагнитного импульса, сигнал с которых является командой для блокирования нежелательных эф­фектов, которые могут возникнуть в ЭС. На рис. 4.8.3 показана структура одного из возможных вариантов схемы блокирования выходного каскада рабочего сигнала.

Рис. 4.8.3. Структурная схема блокиратора выходного каскада

Понижение чувствительности ЭС к воздействию электромагнитных факторов во мно­гом зависит от используемой модуляции или кодирования сигнала. Таким видам моду­ляции, как амплитудная, частотная и фазовая, присуще свойство помехозащищенно­сти. Например, система с частотной модуляцией имеет очень слабую восприимчивость к амплитудным помехам. Для увеличения помехозащищенности можно использовать цифровые методы обработки сигнала, например, амплитудное или частотное импульс­ное кодирование. Существенное уменьшение влияния электромагнитных ВВФ на ра­ботоспособность ЭС может быть достигнуто заменой кабелей и проводных линий связи системами оптоэлектроники, например, как показано на рис. 4.8.4.

Рис. 4.8.4. Структурная схема оптической линии связи

К настоящему времени имеется достаточно большое число самых разнообразных конструкционных методов защиты ЭС от воздействия электромагнитных полей, наи­более распространенными из которых являются методы экранирования, зонирования и группирования, а также рационального заземления [52]. Рассмотрим их более под­робно.

Для повышения стойкости и защиты ЭС от неблагоприятного влияния электро­магнитных полей используют электромагнитные экраны. Однако, как показывает практика, в большинстве реальных ситуаций защитные свойства экранов во многом определяются не только толщиной их стенки, электрической проводимостью или маг­нитной проницаемостью материалов, из которых они изготовлены, а и нарушениями непрерывности корпусов-экранов. На снижение влияния таких электрических неод­нородностей на защитные свойства экранов и направлены основные усилия специали­стов при разработке конструкций корпусов ЭС.

Непрерывность корпуса ЭС, состоящего из отдельных деталей, может быть достиг­нута различными способами, показанными на рис. 4.8.5. Если соединение неразъ­емное, то желательно выполнять сварной однородный шов по краям соединяемых деталей [52]. При этом необходимо помнить, что если удельная проводимость или магнитная проницаемость наплавляемого металла гораздо меньше, чем у материала экрана, то результирующая эффективность экранирования ухудшается за счет увели­чения в месте сварки переходного сопротивления.

Повышение электромагнитной герметичности разъемных соединений (крышек, лючков, съемных панелей и т. п.) достигается применением электромагнитных уплот­няющих прокладок и уплотнительных проводящих материалов. Они могут служить как для временного, так и для полупостоянного или постоянного уплотнения. Прокладки необходимы, так как механически сопрягаемые жесткие поверхности не являются абсолютно плоскими, и между ними всегда существуют зазоры. На практике приме­няют следующие виды уплотняющих электромагнитных проводящих прокладок [53]: плетеные проволочные; из проволоки, ориентированно погруженной в диэлектрик, а также из проводящей пластмассы, и гребенчатые. При монтаже прокладки либо вставляют в зазоры между сопрягаемыми деталями, либо крепят с помощью специаль­ного проводящего клея. Следует помнить, что электромагнитные свойства уплотнения ухудшаются при использовании клея, нанесенного по всей поверхности прокладки, поэтому клей следует наносить через 2,5...5 см каплями диаметром 3...6 мм. При укладке электромагнитной уплотняющей прокладки в паз его сечение должно быть больше, чем сечение прокладки. В паз прокладка должна устанавливаться с внутрен­ней стороны относительно прижимного винта, что позволяет предотвратить проникно­вение ЭМП через отверстие под винт в крышке корпуса. Прокладки следует крепить так, чтобы сопрягаемые соединяемые поверхности не скользили по ним, а сдавливали их, так как скольжение может привести к быстрому износу прокладки. Один из спосо­бов применения уплотняющих электропроводящих прокладок показан на рис. 4.8.6.

Рис. 4.8.5. Некоторые виды сварных соединений частей экранов:

а,б – внахлест; в – встык; г – точечно

Рис. 4.8.6. Вариант использования уплотняющих прокладок

Кабели в совокупности с электрическими соединителями служат одной из причин возникновения в экранированных ЭС зон с повышенным уровнем электромагнитных помеховых полей. Наводка на коаксиальные кабели существенно зависит от поверх­ностного проходного сопротивления оболочки кабеля. Поэтому весьма важно снизить его значение уменьшением либо взаимной индуктивности между внутренними и внешними элементами коаксиального кабеля, либо омического сопротивления обо­лочки. Это уменьшение достигается в основном выбором оптимальной конструкции коаксиального кабеля и особенностью его защитной оболочки. Для этой цели широко применяют увеличение угла подъема оплетки кабеля и коэффициента ее оптической плотности, которые в совокупности приводят к уменьшению собственной взаимной индуктивности кабеля. Сопротивление кабельной оплетки можно снизить либо повы­шением диаметра жилы, либо увеличением числа самих жил, а также использованием многослойных оплеток. Уровень помех, возникающих в электрических соединителях, в основном, определяется их геометрией и конструктивным исполнением. Например, щели в корпусе, который служит экраном электрического соединителя, могут высту­пать в роли дополнительных каналов проникновения и влияния электромагнитных ВВФ на входные цепи ЭС. Мероприятия, связанные с защитой электрических соеди­нителей от воздействия электромагнитных дестабилизирующих факторов, с одной стороны, направлены на уменьшение их полного проходного сопротивления, а с дру­гой — на уменьшение контактного сопротивления контактного соединения. Поэтому для снижения контактного сопротивления контакты электрических соединителей по­крывают золотом или его сплавами. В том случае, когда контактные вводы в экраны ЭС по тем или иным причинам не используют, они обязательно должны быть закрыты специальными крышками.

Непрерывность корпусов-экранов ЭС нарушается не только вентиляционными от­верстиями, но и отверстиями для индикации, а также для органов регулирования и управления. В этом случае эффективным методом защиты является дополнительное частичное экранирование, которое позволяет за счет введения дополнительных эле­ментов локально герметизировать корпус в районе отверстий, а прохождение элек­трических сигналов через такие дополнительные экранирующие элементы осущест­вляется через специальные проходные конденсаторы (см. § 2.2.2) или контактные разъемные соединения.

Непрерывность экранов также нарушается из-за различного рода индикаторов и измерительных приборов. В этом случае следует применять либо окна с проводящим слоем, либо оптически прозрачные подложки. Например, между двумя слоями стекла может находиться тонкая проволочная сетка с диаметром проволоки 0,05 мм и разме­ром ячейки 1,27 × 1,08 мм. Иногда для экранирования панелей применяют окна, изго­товленные осаждением металла в вакууме на оптически прозрачную подложку, в ка­честве которой используют стекло либо некоторые цветные пластмассы. Такие окна с проводящими слоями или оптически прозрачные подложки крепят к панелям корпу­сов ЭС с помощью прижимных устройств и уплотняющих электромагнитных прово­дящих прокладок, которые обеспечивают необходимый электрический контакт окон с корпусом ЭС или с его лицевой панелью.

В том случае, когда с использованием общего корпуса-экрана ЭС не удается до­стичь во всем экранируемом объеме ослабления электромагнитных полей до требуе­мого уровня, применяют локальное экранирование особо чувствительных к внешним электромагнитным воздействиям блоков и узлов. Локальное экранирование также применяется для изоляции отдельных конструктивных элементов, которые сами мо­гут являться источниками внутренних помех. При этом необходимо учитывать тот факт, что экран оказывает непосредственное влияние на экранируемый элемент. На­пример, при экранировании катушек индуктивности надо помнить об обратном дей­ствии экрана катушки на ее индуктивность и сопротивление потерь. Поэтому диа­метр защитного экрана катушки должен быть в 1,5-2 раза больше, чем диаметр самой катушки, и в этом случае обратным влиянием экрана на параметры индуктивного элемента можно пренебречь. Кроме того, для хорошей помехозащищенности необхо­димо, чтобы щели в экране обязательно были ориентированы перпендикулярно оси катушки индуктивности.

Решение конкретных проблем обеспечения стойкости ЭС к воздействию электро­магнитных ВВФ может быть также достигнуто на основе реализации концепции зони­рования. Зонированием называют идентификацию и возможную интеграцию участков или областей с одинаковой электромагнитной обстановкой. Как правило, в экрани­рованной аппаратуре имеются зоны с различной интенсивностью электромагнитных полей. Электронные средства также содержат в своей основе элементы, имеющие раз­личную чувствительность по отношению к воздействию электромагнитных факторов. Поэтому необходимо, чтобы наиболее чувствительные к электромагнитному воздей­ствию ЭРИ располагались в зонах экранированной области с пониженным уровнем напряженности электромагнитных полей. Так как чувствительных к влиянию элек­тромагнитных полей ЭРИ может быть достаточно много, то их обычно объединяют в отдельные группы по одинаковым характеристикам или назначению. После того, как определена топология зон по интенсивности электромагнитных полей в экранирован­ном объеме, и проведено группирование элементов по сходным признакам, производят общую компоновку ЭС в экранированном корпусе. Если по каким-либо причинам не удается расположить группы элементов по зонам чувствительности так, чтобы была реализована концепция зонирования, то применяют дополнительные меры к повы­шению стойкости ЭС к воздействию электромагнитных ВВФ (локальное или допол­нительное частичное экранирование, рациональное заземление, схемотехнические, структурно-функциональные методы и др.).

Важную роль в уменьшении влияния электромагнитных полей на нормальное функционирование ЭС и подавлении электрических наводок в их цепях играют во­просы заземления. Под заземлением понимают как соединение с грунтом Земли, так и соединение с некоторым «общим проводом» электрической системы, относительно которого измеряют электрический потенциал. Например, на самолете «землей» счи­тают его металлический корпус. В приемнике с батарейным питанием за «землю» при­нимают систему внутренних проводников, которые являются общим проводом для всей электронной схемы. Системы заземления разделяют на защитные и рабочие. На­значение защитных заземлений — поддерживать элементы конструкции при одном и том же потенциале, равном или близком к потенциалу «земли», и обеспечивать низ­коомную нагрузку для опасных токов, которые по тем или иным причинам (при ава­рийных ситуациях, воздействиях молнии и т. п.) могут возникать в ЭС. Как правило, защитные заземления должны иметь хороший низкоомный контакт с «землей», поэ­тому их часто называют наружными заземлителями. Рабочие заземления включают в себя заземление силового оборудования (сильноточных цепей), которое по своему функциональному назначению требует наличия заземления, и сигнальное или схем­ное заземление, которое обеспечивает опорный потенциал для электронных, аналого­вых и цифровых схем и позволяет снизить уровень взаимовлияния между различными электронными модулями. Особый интерес представляет система схемных заземлений. Различают одноточечную, многоточечную и плавающую системы заземлений [52], как показано на рис. 4.8.7, а - в.

Плавающая система заземления образуется в случае, когда общий провод небольшой части системы электрически не соединяется с шиной защитного заземления. Типовыми примерами таких систем являются батарейные измерительные приборы, автоматика автомобиля, бортовые системы самолета или космического корабля. Данная система является наилучшим, хотя и не дешевым, способом решения по защите от электромаг­нитных ВВФ, так как требует наличия дополнительных устройств связи (обычно оптоэ­лектронных) между отдельными экранированными объемами ЭС. Кроме того, данная система заземления опасна в эксплуатации в случае попадания одного из экранов под высокий «плавающий» потенциал. Единственной практически реализуемой формой для многих ЭС является многоточечная система заземления (см. рис. 4.8.7, в). Здесь каждая подсистема ЭС экранирована, заземлена и связана друг с другом посредством кабелей. Для уменьшения влияния резонансных эффектов на высоких частотах экран кабеля не­обходимо заземлять во многих точках по его длине.

Рис. 4.8.7. Виды заземлений: а – одноточечное последовательное;

б – одноточечное параллельное; в - многоточечное

Необходимо отметить, что неправильное технологическое выполнение системы за­земления корпуса ЭС или экранирующего сооружения, в котором размещены ЭС, при­водит к уменьшению эффективности экранирования от электромагнитных ВВФ. За­земляющие проводники и шины необходимо присоединять к экрану таким образом, чтобы по возможности не нарушать его целостности и, по возможности, не создавать дополнительных отверстий, щелей, сварных швов и других локальных нарушений электрической однородности защитных корпусов экранов ЭС.

Кроме рассмотренных методов защиты от вредного воздействия внешних электро­магнитных факторов, которые непосредственным образом защищают само ЭС, суще­ствуют и способы, косвенно обеспечивающие благоприятную электромагнитную об­становку вокруг электронной аппаратуры.

Наибольшее распространение получил способ размещения ЭС в специальных поме­щениях (объемах), материалы и конструкция которых существенно снижают уровень проникаемых извне электромагнитных полей [54].

Для защиты таких объемов часто используется принцип радиопоглощения. Ис­пользуемые радиопоглощающие материалы должны обеспечивать максимальное по­глощение электромагнитных волн в широком частотном диапазоне при минимальном отражении, не выделять вредных испарений, быть пожаробезопасными, иметь не­большие габариты и вес. По максимальному поглощению и минимальному отражению лучшими качествами обладают материалы с ячеистой структурой, пирамидальной или шиповидной поверхностью. Радиопоглощающие материалы разделяются на ма­териалы интерференционного типа, где гашение электромагнитных волн происходит за счет интерференции, и материалы, в которых электромагнитная энергия превра­щается в тепловую за счет наведения рассеянных токов, магнитогистерезисных или высокочастотных диэлектрических потерь. По электрическим и магнитным свойствам различают диэлектрические и магнитодиэлектрические материалы, по рабочему диа­пазону частот поглощения — узко- и широко диапазонные. Со стороны, не подлежащей облучению, радиопоглощающие материалы обычно покрываются слоем радиоотража­ющих, в результате чего характеристики всей экранирующей конструкции во многом улучшаются. Критерием, характеризующим защитные свойства радиопоглощающего материала, выступает коэффициент отражения по мощности.

Иногда для улучшения электромагнитной обстановки вокруг оборудования, в про­цессе работы которого возникают электромагнитные поля различной напряженности, создают специальные электромагнитные экраны. Для их реализации часто исполь­зуют так называемые многополосковые уголковые отражатели, основным свойством которых является способность отражать электромагнитный сигнал точно в том на­правлении, откуда он пришел. Именно это свойство и обусловило применение таких отражателей в военном деле, в частности, для создания помех радиолокаторам против­ника. Эффективные размеры такого отражателя описываются уравнением Стокса— Шредингера , где т— длина выступа, п— число рядов выступов, t— ко­личество выступов в ряду, s — расстояние между выступами (шаг). Легко видеть, что эффективные размеры такого отражателя могут в десятки раз превышать его геоме­трические размеры. Наибольшая эффективность экранирования будет достигнута при размещении таких отражателей по схеме «пентаграмма», т. е. в вершинах правиль­ного пятиугольника, в геометрическом центре которого находится источник электро­магнитных полей. Ребро такого пятиугольника может быть размером от 5 до 25 диа­метров единичного отражателя, и пределы такого пятиугольника электромагнитное излучение покинуть не может. В этой связи следует отметить появившиеся в послед­ние годы в различных СМИ, в том числе в сети Internet и других источниках [54], сооб­щения о целесообразности установки на рабочих местах персонала кактусов в качестве средства для снижения интенсивности вредных электромагнитных излучений от элек­тронной аппаратуры. Дело в том, что если рассматривать кактус как биологическую конструкцию, то ее элементы напоминают форму вышерассмотренного многополоско­вого уголкового отражателя, поэтому с теоретической точки зрения защитные свой­ства у кактуса действительно существуют. Однако уравнение Стокса — Шредингера верно только в том случае, если многополосковый уголковый отражатель изготовлен с очень высокой степенью точности, чего нельзя сказать о кактусе. Даже при разме­щении таких природных «отражателей» по схеме «пентаграмма» их защитные свой­ства будут весьма малы. Поэтому не стоит всерьез относиться к кактусу как к эффек­тивному средству защиты от электромагнитных ВВФ. Однако присутствие кактуса на рабочих местах, как и любого другого растения, создает комфортную обстановку, что в итоге полезно и благоприятно для здоровья человека.