Министерство транспорта Российской федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный университет путей сообщения»

На правах рукописи

УДК 621.396

Совершенствование методов оценки устойчивости РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ к импульсным электромагнитным воздействиям

Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель –

доктор технических наук,
профессор

Омск – 2011

Работа выполнена на кафедре «Системы передачи информации» Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация:

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Защита диссертации состоится «___» ____________ 2011 г. в «___» ча­сов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном образовательном бюджетном учреждением высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 6-340.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Тел./, e-mail: *****@***ru

С диссертацией можно ознакомится в в библиотеке Омского государ­ственного технического университета.

Автореферат разослан «___» ________ 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печа­тью учреждения, просим направить в адрес диссертационного совета Д 212.178.01

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор технических наук, доцент

Актуальность темы

Опыт эксплуатации радиотехнических устройств (РТУ) в различных областях промышленности показывает, что обеспечение устойчивой и надежной работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является одной из наиболее сложных и важных задач в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех. Возникновение таких помех, в основном, связано с активной грозовой деятельностью или коммутационными процессами в промышленных силовых цепях, например, в контактной сети железных дорог постоянного и переменного тока.

Эксплуатация РТУ в подобных условиях неизбежно приводит к определенным нарушениям в работе этой аппаратуры, вплоть до частичного или полного отказа отдельных ее элементов, блоков, узлов. Описанные ситуации являются следствием либо непосредственного попадания токов молнии в элементы конструкций РЭА, либо возникновения наведенных напряжений и токов в отдельных ее частях. В некоторых случаях уровни возникающих напряжений и токов превышают предельно допустимые и приводят к локальному импульсному выделению большого количества тепла на отдельных элементах РТУ, что в итоге может привести к их полному или частичному разрушению.

Основными путями проникновения импульсных перенапряжений на РЭА являются антенно-фидерные тракты, цепи питания, проводные подземные и воздушные линии связи. Существующие методы защиты РТУ от перенапряжений не обеспечивают полноценную защиту радиоэлектронной аппаратуры. Это связано с одной стороны, с большой проникающей способностью импульсного электромагнитного поля, а с другой – с особенностями работы устройств защиты в условиях воздействия импульсов малой длительности. Кроме того, активное внедрение цифровой радиосвязи и использование в аналоговых системах высокочувствительных элементов электроники (интегральных микросхем, микропроцессоров и т. п.) наряду с увеличением их быстродействия и уменьшением потребляемой мощности повышает требования к электромагнитной совместимости и устойчивости существующей электронной аппаратуры к импульсным электромагнитным воздействиям.

Наряду с влиянием импульсных электромагнитных полей на внешние цепи, будь то антенно-фидерный тракт или проводная линия связи, существует проблема влияния электромагнитных импульсов непосредственно на аппаратуру связи. Например, влияние канала электромагнитного поля молнии возникающего в непосредственной близости от сооружения связи, может вызывать сбои в работе программного обеспечения или привести к электрическому пробою микросхем с частичным или полным выходом из строя электронной платы в составе радиоаппаратуры. Основными путями таких воздействий выступают межблочные короткие линии связи, корпуса-экраны РЭА, проводники электронных плат.

Реализация эффективных мер повышения помехозащищенности и стойкости РТУ к импульсным электромагнитным воздействиям требует достоверной оценки уровней, возникающих на РЭА напряжений и токов, выделения на основании этих сведений, критичных к неблагоприятным воздействиям электромагнитных полей элементов и определения эффективных методов защиты РЭА от импульсных электромагнитных воздействий.

Цели и задачи исследования

В диссертационной работе были поставлены две взаимоувязанные цели:

1. Совершенствование методов оценки устойчивости радиотехнических устройств и их элементов к импульсным электромагнитным воздействиям малой длительности

2. Повышение надежности и эффективности функционирования радиотехнических устройств за счет совершенствования методов диагностики и конструирования существующих средств защиты и элементов монтажа.

Для достижения первой цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1.  Провести анализ повреждаемости радиотехнических устройств с целью выявления критичных к воздействиям нестационарных электромагнитных процессов элементов, блоков и узлов РТУ на примере радиостанций технологической радиосвязи;

2.  Разработать математическую модель определения уровней наведенных напряжений и токов от импульсного электромагнитного воздействия на элементы электронных плат радиотехнических устройств.

3.  Экспериментально подтвердить результаты математического моделирования по определению уровней наведенных напряжений на элементах и дорожках электронных плат радиотехнических устройств.

Для достижения второй цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1.  Усовершенствовать методику расчета номиналов элементов формирующих цепей для создания испытательных электромагнитных импульсов с требуемыми амплитудно-временными характеристиками для проверки помехозащищенности электронных плат и надежности функционирования устройств защиты.

2.  Усовершенствовать методику оценки устойчивости средств защиты и элементов монтажа радиоэлектронных устройств к тепловому пробою при воздействии импульсных токов.

Методы исследования. В работе использованы методы статистического анализа, методы расчета электрических цепей с комплексными переменными при прямом и обратном преобразовании Фурье, метод запаздывающих нестационарных векторных потенциалов, численные методы решения дифференциальных уравнений, а также метод имитационного моделирование динамических характеристик и схем включения устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Научная новизна

1.  Разработана математическая модель расчета значений тока и напряжения, наводимых на микрополосковых проводниках электронных плат в зависимости от собственных параметров трехслойной структуры электронной платы.

2.  Предложена методика расчета формирующих звеньев для создания испытательных импульсов различной формы с заданными амплитудно-временными характеристиками для оценки степени помехозащищенности электронных плат.

3.  Разработана методика оценки устойчивости элементов защиты радиоэлектронных устройств к термическому разрушению при воздействии импульсного тока.

Достоверность научных положений и выводов. Изложенные в работе положения теоретически обоснованы, подтверждены сопоставлением результатов аналитического расчета с данными, полученными в результате имитационного моделирования и экспериментальных исследований. Погрешность между экспериментальными и расчетными данными составила не более 11 %.

Практическая значимость

1.  Представлены расчеты номиналов формирующих элементов, необходимые для получения испытательных импульсов с заданными амплитудно-временными характеристиками. Полученные результаты были использованы для проверки интегральных микросхем в составе электронных плат радиотехнических устройств на стойкость к импульсным электромагнитным воздействиям.

2.  На основании численного метода конечных разностей создана программа для ЭВМ, позволяющая определять значения максимальных наведенных напряжений на элементах, входящих в состав электронных плат радиоэлектронной аппаратуры, на основании значения электрической составляющей электромагнитного импульса, воздействующего на электронную плату.

3.  Получены характерные зависимости наведенных напряжений на микрополосковых проводниках электронных плат от уровня напряженности импульсного электромагнитного поля и крутизны нарастания фронта импульса.

4.  Усовершенствована методика испытаний и выбора элементов защиты радиотехнических устройств от максимальных импульсных напряжений в соответствии с вольт-секундными характеристиками радиоэлектронного оборудования.

Апробация работы

1.  Научно-технический семинар ОмГУПС, г. Омск, 2007 г.

2.  Юбилейная научно-техническая конференция в ОНИИП, г. Омск, 2008 г.

3.  Международная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах, г. Омск, 2009 г.

4.  IV Всероссийская научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения главного конструктора ПО «Полет» , г. Омск, 2009 г.,

5.  Научно-техническая конференция в ЦКБА, г. Омск, 2010 г.

6.  Международная научная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», Секция 4b, г. Плоцк [Польша], 2010 г.

7.  Научно-техническая конференция «УМНИК», г. Омск, 2011 г.

Публикации результатов

По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе три статьи – в изданиях ВАК Минобрнауки России (в журнале «Вестник Академии Военных Наук, №3 (28)», в материалах III научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания широкополосных РЭС. СВЧ-2010» и «Автоматика, связь, информатика», №4, 2011 г.), три статьи в других изданиях («Математика и информатика Наука и Образование», сборник работ международной конференции «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», г. Плоцк [Польша], сборник работ конференции «УМНИК»), три материала докладов на Международных научно-технических конференциях и научно-практических конференциях. Получен патент на полезную модель № 000.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 14 таблиц.

Внедрение результатов работы

Результаты проделанной работы были использованы при проведении испытаний исполнительного прибора ПД740.3 в Омском научно-исследовательском институте приборостроения на стойкость к воздействию импульсных электромагнитных полей, на основании которых было представлено экспертное заключение о готовности исследуемой аппаратуры к работе в условиях мощных электромагнитных полей.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1.  Математическая модель расчета значений напряжения и тока, наводимых на элементы и микрополосковые проводники электронных плат радиотехнических устройств, отличающаяся тем, что на основании параметров сред, в которых распространяется электромагнитная волна и первичных параметров микрополосковых проводников, определяются зависимости между крутизной нарастания фронта воздействующего импульса и уровнями наведенных напряжений.

2.  Методика расчета номиналов элементов формирующих цепей, необходимая для создания испытательных электромагнитных импульсов с требуемыми амплитудно-временными характеристиками для проверки помехозащищенности электронных плат и элементов защиты.

3.  Совершенствование критерия выбора элементов защиты радиотехнических устройств от опасных импульсных напряжений посредством использования многокаскадных схем защиты, учитывая вольт-секундные характеристики входных цепей интегральных микросхем радиоэлектронного оборудования

4.  Методика оценки устойчивости элементов защиты радиоэлектронных устройств к термическому разрушению при воздействии импульсных токов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой в работе темы, ставятся основные цели и задачи исследования, обосновывается научная новизна и практическая ценность выносимых на защиту результатов.

В первой главе описываются основные пути проникновения опасных импульсных напряжений в блоки радиотехнических устройств. Наиболее вероятными путями проникновения являются антенно-согласующие устройства (АНСУ) и цепи электропитания (ЭП). Проникновение опасных напряжений через АНСУ и ЭП на блоки и узлы радиостанций связано с воздействием токов молний на внутренние и внешние элементы конструкций РЭА, а также с воздействием токов, возникающих при коммутационных процессах в промышленных высоковольтных сетях. Кроме того, рекомендуется рассматривать в качестве одного из путей проникновения электромагнитное влияние грозового или коммутационного импульса непосредственно на элементную базу электронных плат РТУ.

Приводится анализ статистических данных по повреждаемости РТУ от воздействия импульсных электромагнитных полей на примере технологической радиосвязи Красноярской железной дороги, работающей на тяге переменного тока и Западно-Сибирской, работающей на тяге постоянного тока. Статистические данные представлены в виде графиков, построенных на основании таблиц, в которых выделены причины, приведшие к повреждениям элементов в составе радиотехнических устройств.

Рисунок 1. Гистограммы инцидентов по технологической радиосвязи железной дороги, работающей на тяге постоянного тока

Рисунок 2. Гистограммы инцидентов по технологической радиосвязи железной дороги, работающей на тяге переменного тока

В построенных гистограммах под инцидентом следует понимать событие, приведшее к отказу оборудования и занимающее определенное время.

Данные статистики показывают, что основные повреждения РЭА происходят в летний период с мая по октябрь – в период повышенной грозовой активности. Другой причиной импульсных электромагнитных воздействий являются аварийные режимы работы промышленных сетей высокого напряжения: контактных сетей постоянного и переменного тока, которые могут создавать значительные напряжения на направляющих системах, антенно-фидерных трактах и цепях питания радиостанций. Данные подтверждаются гистограммами по цепям, причинам отказов и месяцам.

На основании обработки статистических данных были проведены расчеты надежности работы радиостанций на основании такого нормированного показателя как коэффициент готовности. Приводится коэффициент готовности для радиостанции как единицы радиоэлектронной системы, полученный на основании расчетных формул для оценки надежности РЭА, и коэффициент готовности радиостанций в составе сети технологической радиосвязи, где на их надежность влияют внешние воздействия, определяемый согласно статистическим данным для технологической радиосвязи в указанных подразделениях. Значения полученных коэффициентов оказались ниже нормы как с точки зрения надежности РЭА, так и с точки зрения готовности радиостанции к устойчивому функционированию в условиях внешних электромагнитных воздействий

Представлен обобщенный анализ источников импульсных электромаг­нитных воздействий, описаны их параметры, временные и вероятностные ха­рактеристики.

Приводятся основные положения метода нестационарных векторных потенциалов для решения задач электродинамики во временной области.

Предложено сравнительное описание существующих численных методов для решения задач технической электродинамики, связанной, в частности, с распространением электромагнитных волн и их па­дением на границу раздела двух сред.

Проведен анализ существующих средств защиты антенно-фидерных трактов и цепей, защиты радиоэлектронной аппаратуры технологической радиосвязи, применяемых на сети железных дорог Российской Федерации и описаны их главные особенности.

В конце первой главы представлены основные выводы по проведенному анализу, определены направления научно-исследовательской деятельности и определены задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе предложена разработанная автором расчетная модель по определению наведенных токов и напряжений на микрополосковых проводниках трехслойных электронных плат от внешнего источника электромагнитного поля.

Рисунок 3. Расчетная модель влияния импульсного электромагнитного поля на электронные платы

Источником импульсного электромагнитного поля является элементарный электрический диполь, создающий в окружающем излучатель пространстве плоскую электромагнитную волну, которая, распространяясь в однородной среде – воздухе, воздействует на электронную плату

Особенностью расчетной модели является учет собственных параметров сред, в которых распространяется электромагнитная волна: проводимости σ, электрической ε, и магнитной проницаемости μ,. При расчете значений напряжений и токов учитываются параметры следующих сред: медные микрополосковые проводники σм εм μм, окись алюминия, которым покрыта плата σо εо μо и стеклотекстолит или гетинакс – диэлектрик, выступающий в качестве подложки σд εд μд

На границах раздела каждой из сред выполняются граничные условия, позволяющие наиболее полно учесть характер изменения электромагнитного поля при переходе из одной среды в другую

На основании расчетной модели была составлена математическая модель определения наведенных напряжений и токов на микрополосковых проводниках электронных плат с учетом допущения, что микрополосковые проводники рассматриваются как двухпроводные длинные линии, подверженные влиянию. Это позволяет использовать для нахождения наведенных токов и напряжений телеграфные уравнения с источником внешней электродвижущей силы E(t), энергия которого определяется плоской электромагнитной волной, падающей на плату.

Алгоритм предложенной математической модели сводится к следующим этапам:

1.  определение собственных параметров сред, через которые проходит электромагнитная волна: σ, ε, μ;

2.  определение первичных (R, L, C, G) и волновых параметров (Z(jω), γ(jω)) микрополосковых линий;

3.  определение граничных условий при переходе из одной среды в другую;

4.  определение коэффициентов для частного решения неоднородных телеграфных уравнений, учитывающих влияние внешней электромагнитной волны;

5.  определение напряжений и токов с использованием обратного преобразования Фурье для найденного решения телеграфных уравнений.

Значения внешней электродвижущей силы определяются для плоской волны согласно допущениям расчетной модели методом нестационарных векторных потенциалов. Таким образом, решив систему телеграфных уравнений, получим следующие значения для напряжений и токов в линии:

(1)

 

(2),

где коэффициенты частного решения неоднородной системы телеграфных уравнений, учитывающие электрическую напряженность плоской электромагнитной волны, будут представлены в следующем виде:

(3)

 

(4)

, где – коэффициент распространения для свободного пространства, воздуха, 1/м; – коэффициент распространения электромагнитной волны для цепи, подверженной влиянию, 1/м; , где ; – комплексная диэлектрическая проницаемость.

Обе эти величины зависят от частоты, поэтому при воздействии им­пульсного электромагнитного поля будут меняться в широком диапазоне, но, поскольку исследование велось для импульсов микросекундной длительно­сти, то верхняя граница частоты будет лежать в области единиц мегагерц.

Результаты расчета полученных напряжений и токов при воздействии единичного электромагнитного поля приведены на рисунке 4. Значение напряженности единичного поля Е = 1 В/м

Рисунок 4. Графики зависимостей наведенных напряжения и тока на микрополосковом проводнике от амплитудно-временных характеристик воздействующего электромагнитного импульса и собственных параметров электронной платы при воздействующем поле E = 1 В/м

На основании математической модели был разработан алгоритм программы для расчета влияния электромагнитного импульса на элементы электронной платы с использованием численного метода – метода конечных разностей во временной области. Программа позволяет оценить напряжения, наводимые на микрополосоковых проводниках электронных плат и элементах телекоммуникационной аппаратуры. На основании этого алгоритма была создана программа, позволяющая оценивать уровни наведенных напряжений при работе электронных плат в разных по степени жесткости электромагнитных условиях. Разработанная блок-схема представлена в приложении 1 к диссертационной работе.

Представлены предварительные расчеты наведенных напряжений и токов на антенно-фидерных трактах и направляющих системах поездной радиосвязи на основании решения неоднородных телеграфных уравнений. При условии, что удельная проводимость земли была взята усредненной – σ = 0,01 Сим/м, а частотный спектр, при котором производился расчет, был в пределах от 01.01.01 Гц, что соответствует частотам, на которых сосредоточена основная энергия переходного процесса тока короткого замыкания в промышленных сетях. Расчет показал, что полученные уровни наведенных напряжений и токов опасны для чувствительных элементов электронных плат поездной радиосвязи.

Была решена задача о тепловом пробое электронных плат и устройств защиты при прохождении через них импульсного тока большой величины.

Импульсный ток описывается биэкспоненциальной функцией с коэффициентами в показателе экспоненты, определяющими форму импульса. Были найдены значения этих коэффициентов для разных форм импульса

Импульсный ток, протекая через элементы защиты и устройства, входящие в состав радиостанций, выделяет на них большое количество энергии за счет наличия контактных переходов в конструкции элементов защиты. Эта энергия зависит от формы импульсного тока и сопротивления перехода конструкции элемента защиты.

Для определения температуры нагрева устройства защиты на основе расчета была выведена формула:

(7),

где p1 и p2 – корни характеристического уравнения; r(Tr) – функция, определяющая изменение сопротивления контактного перехода в зависимости от степени его нагрева; I – амплитуда воздействующего импульса; c1, c2, m1, m2 – теплопроводность и масса исследуемых материалов. Эта формула дает возможность оценить, до какой температуры будут кратковременно нагреты устройства защиты или элементы электронных плат РТУ в зависимости от амплитудно-временных характеристик воздействующего импульса.

Расчетная модель для оценки термического разрушения элемента защиты представлена на рисунке 5

а) б)

Рисунок 5. Расчетная модель (а) и элементы монтажа (б) устройства защиты РКН-600 с указанием сопротивлений переходов предложенной конструкции

Построены графики зависимости температуры на переходных сопротивлениях в зависимости от амплитудно-временных характеристик воздействующего тока (Рисунок 6).

а) б)

Рисунок 6. Графическое представление изменения температуры переходного сопротивления устройства защиты РКН-600 с течением времени в зависимости от амплитудно-временных характеристик воздействующего импульса: а) импульсный ток 2000 А; б) импульсный ток 10000 А; (прямыми линиями обозначены температуры плавления меди и бронзы)

Оценив величины воздействующих напряжений и токов, можно судить и об энергии, рассеиваемой на элементе защиты и электронных платах радиостанции. В таблице 1 представлены для сравнения энергия, которая учитывает форму воздействующего импульса, и энергия, в которой, помимо формы импульса, учитывается изменяющееся во времени сопротивление перехода. Расчеты приведены для разрядника Р-97.

Таблица 1

Энергия, выделяемая на элементе защиты при воздействии импульсов с различными амплитудно-временными характеристиками

Длительность фронта и спада импульса

Без учета сопротивления перехода, Q1, Дж

С учетом сопротивления перехода Q2, Дж

I, кА

6,4/16 мкс

107,86

462,3

10

1/50 мкс

329,9

1414

10

2/50 мкс

346,57

1485

10

1,5/40 мкс

303,96

1303

10

8/20 мкс

137,41

588,96

10

10/350 мкс

99,66

427,14

2

1

2

3

4

4/300 мкс

88,38

378,81

2

6,5/700 мкс

174,63

748,47

2

Данные, представленные в таблице, указывают на то, что энергия, выделяемая импульсным током на элементах защиты, связана не только с формой и амплитудой импульса, но и существенно меняется с ростом сопротивления перехода. В связи с этим важно учитывать характер изменения этого сопротивления с ростом температуры для различных материалов. На рисунке 7 приведены графики зависимости энергии от времени для импульса 1,5/40 мкс с учетом и без учета изменения сопротивления перехода

Рисунок 7. График изменения энергии с течением времени на переходном сопротивлении Р-97 при воздействующем импульсе 1,5/40 мкс и амплитудой I = 10 кА: 1 – энергия, которая рассеивается на переходе с учетом только формы воздействующего импульса; 2 - энергия, которая рассеивается на переходе с учетом формы воздействующего импульса и изменения сопротивления перехода с ростом температуры

Математический расчет позволил оценить уровни наведенных напряжений на проводниках электронных плат, зависящие от материала подложки платы, длины микрополосковых проводников и их нагрузки. Была оценена пропускная способность устройств защиты по отношению к импульсному току большой энергии. Таким образом, была подготовлена теоретическая база для проверки соответствия данных, полученных в результате расчета, и практических результатов, полученных в физических экспериментах.

В третьей главе описана методика проведения физического эксперимента по определению уровней наведенных напряжений на микрополосковые проводники электронных плат импульсным электромагнитным полем.

Для этих целей был использован генератор импульсных токов с оптическим управлением, где в качестве нагрузки выступала магнитная антенна, представляющая собой квадратную рамку, в центре которой создавалось импульсное электромагнитное поле. Электронные платы помещались в центр или по краям рамки, в корпусе-экране радиостанции или без него, в зависимости от условий эксперимента. Структурно-монтажная схема установки для проведения этого эксперимента представлена на рисунке 8

Рисунок 8. Структурная схема проведения эксперимента по определению уровней наведенных напряжений на дорожки электронных плат

радиотехнических устройств

На основании данных математического и имитационного моделирования были получены соотношения между номиналами формирующих элементов, R, L, C и формами импульсов. Для проведения испытаний рассчитаны импульсы с временными характеристиками 6,4/16 и 2/50 мкс:

а) б)

Рисунок 9. Испытательный импульс с параметрами а) 6,4/16 мкс, I = 30,7 А; б) 2/50 мкс I = 45,6 А

Таблица 2

Номиналы элементов R, L, C для формирования импульсов с разными амплитудно-временными характеристиками:

R, Ом

L, мкГн

C, мкФ

Импульс 6,4/16 мкс

3,6

10,21

4,6

Импульс 2/50 мкс

10

5

6

При помощи этих испытательных импульсов создавалось электромагнитное поле, воздействовавшее на дорожки электронных плат, помещенных в центр индукционной катушки. Дорожки электронных плат не имели нагрузки в виде микросхем или других элементов. Результаты полученных испытаний были сравнены с результатами расчета математической модели:

а) б)

Рисунок 10. Графическое представление напряжения на микрополосковой дорожке длиной 337 мм при воздействующем импульсе с параметрами: а) 6,4/16 мкс, I = 80 А: 1 – форма импульсного тока; 2 – экспериментально полученное напряжение; 3 – расчетное напряжение; б) 2/50 мкс, I = 80 А: 1 – экспериментально полученное напряжение; 2 – расчетное напряжение.

При этом погрешность полученных значений составляет не более 11 %,

Дальнейшие исследования проводились на микрополосковых проводниках радиоэлектронной аппаратуры, нагруженных на интегральные микросхемы. Результаты этих испытаний приведены на осциллограммах (рисунок 11)

а) б)

Рисунок 11. а) Осциллограмма импульса в цепи рамки 2,2/16 мкс при токе I = 82 А и наведенная ЭДС на дорожке длиной 277 мм электронной плате, U = 190 мВ; б) импульс в цепи рамки 6,4/16 мкс при токе I = 72 А и наведенная ЭДС на дорожке электронной платы длиной 277 мм U = 110 мВ

Как видно из осциллограмм, электромагнитный импульс, имеющий бо́льшую крутизну нарастания фронта, создает бо́льшую величину импульсного электромагнитного поля, а значит, и наводит бо́льшую ЭДС на электронной плате. Длина проводников платы и их нагрузка также влияют на величину наведенного напряжения. На осциллограммах виден пробой входа микросхемы, с которой была связана исследуемая микрополосковая линия.

Оценена чувствительность электронных плат, шин и цепей питания радиостанции РС-46М в экранирующем корпусе на восприимчивость к импульсным электромагнитным воздействиям. Данные этих испытаний сведены в таблицу 2. Испытания проводились в закрытом стальном корпусе радиостанции, который является экраном, ослабляющим внешнее электромагнитное поле

Таблица 2

Уровни наведенных напряжений на радиостанции поездной ра­диосвязи

I, А (6,4/16 мкс)

Положение 1

Положение 2

Положение 3

Е, В/м

Напряжения в цепях питания, В

60 А

0,1

0,1

0,1

8,7

140 А

0,12

0,15

0,12

20,2

640 А

0,23

0,2

0,18

90,3

Напряжения на шине адреса, В

Е, В/м

60 А

0,3

0,3

0,35

8,7

140 А

1,5

1,5

2

20,2

640 А

3

3

3,2

90,3

Напряжения на шине адреса, В

60 А

1

0,9

0,9

8,7

140 А

1

1

1

20,2

640 А

-

-

-

90,3

Таким образом, экспериментальным путем был определен минималь­ный уровень напряженности электрического поля, при котором происходит сбой в работе радиоэлектронных устройств, он составил Е = 8,6 В/м при форме тока 6,4/16 мкс. Дальнейшее увеличение уровня напряженности в центре индукционной катушки привело к устойчивым сбоям в работе радиостанции. При напряженности электрического поля более 90,3 В/м наблюдались постоянные сбои в передачи данных.

В четвертой главе предложены рекомендации по диагностике помехозащищенности электронных плат РТУ от влияния импульсных электромагнитных полей и рекомендации по использованию средств защиты от электромагнитного влияния грозового разряда, которое приводит к возникновению опасных напряжений как непосредственно на элементах электронных плат, так и на антенно-согласующих устройствах, кабельных линиях связи и цепях питания, по которым опасные напряжения и токи проникают на электронные платы РТУ.

Были проведены физические эксперименты по определению влияния импульсного тока на направляющих проводах, связанных с антенно-фидерными трактами. Результаты этих экспериментов совпали с результатами расчета.

Также был проведен анализ устройств защиты первой ступени по цепям питания, кабельным линиям связи и антенно-фидерным устройствам на их динамические характеристики. На основании ампер-секундных характеристик была установлена зависимость между крутизной нарастания тока, проходящего через разрядник, и энергетическими характеристиками устройства. Данные, представленные на рисунке 12, позволяют судить о том, что чем выше крутизна нарастания тока, тем существует больший риск термического разрушения устройства защиты

а) б)

Рисунок 12. а) Ампер-секундные характеристики элементов защиты радиотехнических устройств; б) количество теплоты, выделяемое на элементе защиты при соответствующих ампер-секундных характеристиках. 1 – ΔI/Δt = 1,3 кА/мкс; 2 – ΔI/Δt = 3,1 кА/мкс; 3 – ΔI/Δt = 6,75 кА/мкс; 4 – ΔI/Δt = 1,5 кА/мкс; 5 – ΔI/Δt = 4,5 кА/мкс; 6 – количество теплоты, при котором разрушается устройство защиты.

Все, представленные на рисунке зависимости, являются найденными экспериментально и перенесенными в область высоких токов посредством линейной экстраполяции.

Были проведены испытания варисторов, используемых в защите цепей питания РТУ, которые показали, что их классификационное напряжение уменьшается после многократного срабатывания, что приводит к старению элемента и ухудшению его пропускной способности.

Вольт-секундные характеристики устройств защиты (рисунок 13) указывают на то, что в ряде случаев время запаздывания может составлять несколько микросекунд, что резко снижает эффективность элемента защиты, так как в этом случае в течение времени запаздывания все напряжение будет приложено к защищаемой аппаратуре, что неминуемо приведет к выходу из строя элементов входных цепей электронных плат.

Рисунок 13 Вольт-секундная характеристика пробоя разрядника Р-107 (кривые 1, 2, 3), вольт-секундная характеристика пробоя микросхемы XE02AR (TP305WM combo) – 4 и вольт-секундная характеристика срабатывания TVS-диода P4KE100A – 5.

Уровни пробоя интегральных микросхем (рисунок 13, кривая 4) указывают на необходимость использования гибридных систем защиты высокочувствительного оборудования. В первом каскаде возможно использование разрядника с известными динамическими характеристиками, так как от быстродействия этого элемента зависит скорость отведения большей части энергии опасного импульсного процесса в землю. Во втором каскаде возможно использование промежуточных низковольтных разрядников типа Р-106 или варисторов, а в третьем – быстродействующих TVS-диодов, которые не шунтируют защищаемые входы радиотехнических устройств и обладают высоким скоростью срабатывания. Использование TVS-диодов может значительно снизить уровни остаточных напряжений и предотвратить разрушение защищаемых микросхем или чувствительных полупроводниковых элементов (рисунок 13, кривая 5).

Были оценены защитные свойства корпусов-экранов радиостанций от электромагнитного воздействия на элементы и узлы РТУ. При изготовлении корпуса радиостанции используют промышленную сталь толщиной от 0,8 мм до 2 мм. Однако, корпус имеет множество щелей и отверстий, что снижает коэффициент экранирования до 28 дБ. Такое затухание электромагнитной волны является недостаточным для того, чтобы снизить уровни напряженностей электромагнитного поля внутри корпуса-экрана до безопасного уровня, что подтверждается экспериментальными данными.

В заключении сформулированы основные результаты научно-иссле­довательской работы:

•  Разработана методика расчета и получены номиналы формирующих элементов, необходимые для формирования импульсов тока с заданными амплитудно-временными характеристиками, приведенных в существующих стандартах;

•  Создан алгоритм и программа для ЭВМ, позволяющая определять значения наведенного напряжения на элементах, входящих в состав электронных плат радиоэлектронной аппаратуры на основании значения электрической составляющей электромагнитного импульса, воздействующего на электронную плату;

•  Разработана математическая модель, позволяющая установить взаимосвязь между наведенными напряжениями на микрополосковых проводниках электронной платы и собственными параметрами материалов электронной платы при воздействии импульсного электромагнитного поля с разными значениями электрической напряженности;

•  Усовершенствована методика выбора элементов защиты от опасных импульсных напряжений посредством использования многокаскадных схем защиты, учитывающая вольт-секундные характеристики входных цепей интегральных микросхем радиоэлектронного оборудования;

•  Усовершенствована методика оценки устойчивости устройств защиты и элементов электронных плат радиотехнических систем к термическому разрушению на основании выбора точек с большим переходным сопротивлением при воздействии импульса тока большой энергии.

Публикации научных статей по теме диссертации.

1.  , Бондаренко устройств подклю­чения приборов защиты от импульсных перенапряжений электрон­ных плат. / Вестник Академии Военных Наук №3 (г., стр 125 – 127

2.  , Бондаренко системы имитации импульсных полей для испытания РЭО. / Материалы III научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания широкополосных РЭС. СВЧ-2010». Г. Омск, 2010, стр 125 – 132.

3.  Е,. А, Гаранин вы­бора устройства защиты от перенапряжений. Автоматика, Связь, Информатика №4, 2011 г., стр 14 – 18.

4.  Бондаренко информационных технологий в ис­следовании электромагнитных влияний на средства автоматики, телемеха­ники и связи на железнодорожном транспорте. / Математика и информатика Наука и Образование, Межвузовский сборник научных трудов ОмГПУ №7, 2008 г., стр. 45 – 49

5.  , , и др. Разра­ботка испытательных комплексов устройств грозозащиты системы радио­связи и радиоуправления. / Юбилейная научно-техническая конференция, Сб. докладов/Омский Научный Исследовательский Институт Приборостроения, г. Омск, 2008 г, стр. 71

6.  , , Федотов бортовых информационных устройств космических аппара­тов на стойкость к воздействию импульсных электромагнитных полей. IV всероссийская научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения главного конструктора ПО «Полет» , / Сб. докладов, г. Омск, Издательство ОмГТУ, 2009 г., стр. 90 – 94

7.  Бондаренко расчета термической устойчивости раз­личных конструкций устройств защиты от импульсных перенапряжений. Международная научная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», Секция 4b. г. Плоцк [Польша], 2010 г., стр. 487 – 492.

8.  Е,. , Гаранин и ре­зультаты определения параметров кабельных линий и рельсовых цепей в ус­ловиях электромагнитного влияния контактной сети. Трансвуз-2010. Инно­вации для транспорта: / Сб. науч. статей с международным участием в трех частях. Часть 2 / Омский государственный университет путей сообщения, стр.

9.  , Бондаренко устойчивости плат радиоэлектронных устройств к импульсам микросекундной длительно­сти. / Сборник статей конференции «УМНИК», г. Омск. 2011 г., стр. 186 – 188