Устойчивое положение

Андрей Смирнов,
Доктор технических наук, руководитель направления ЭМС и радиоизмерений АО «НПФ «Диполь» 
smirnov@dipaul.ru

Тестирование устойчивости к кондуктивным помехам в низкочастотном диапазоне до 150 кГц при испытаниях по электромагнитной совместимости (ЭМС) актуально для многих технических средств (ТС) и отраслей применения.

Важность такого тестирования подтверждается наличием и внедрением соответствующих стандартов по испытаниям общепромышленной продукции [1, 2], оборонной продукции (MIL STD 461, тесты CS101), оборудования авиационно-космической отрасли DO 160 ( раздел 18), а также в сфере энергетики. С необходимостью подобных испытаний связаны два основных фактора:

• наведение помех излучением близко расположенных радиотехнических и электрических средств;
• искажение сети питания при наличии в ней гармоник напряжения основной частоты.

Тем не менее способы испытаний ЭМС и условия проведения испытаний по данному тесту различаются в общепромышленной сфере и оборонно-космической. В то время как в общепромышленной сфере помеха вводится в тестируемую цепь через напряжение общего режима, испытания в оборонно-космической сфере проводятся в дифференциальном режиме. Кроме того, следует отметить, что если в общепромышленной сфере данные испытания (в общем режиме) не так востребованы и актуальны для сфер энергетики, электросвязи и иных областей с длинными линиями передачи (порядка 20 м), то для оборонно-космической отрасли подобные испытания входят в перечень минимально обязательных. Поэтому имеет смысл обратить внимание на особенности их реализации согласно требованиям соответствующих стандартов. К ним относятся:

• особенности калибровки воздействия и мониторинг воздействия в процессе испытаний;
• обеспечение безопасности оборудования и сохранности персонала при испытаниях;
• меры по сохранению оборудования при испытаниях;
• особенности метрологического обеспечения при испытаниях.

Конфигурация оборудования при калибровке испытаний отражается соответствующими схемами.

1. Как известно, проведение испытаний CS101 предусматривает проведение двух калибровок:

• калибровка максимальной рассеиваемой мощности на калибровочном прецизионном резисторе в полосе тестируемых частот и фиксация данных показателей наибольшей подаваемой мощности P_предел;
• непосредственная калибровка воздействия и создание необходимого напряжения в процессе испытаний U_тест;

При этом в ходе испытаний контролируются обе величины, а повышение воздействия U₀ до требуемого значения U_тест прекращается сразу при достижении P_вых = P_предел , даже если подаваемое напряжение не достигло нужного уровня U₀ ≤ U_тест.  Реально вместо контроля выходной мощности можно контролировать выходное напряжение U_вых = U_предел, которое легко пересчитывается исходя из значения сопротивления калибровочного резистора R=0,5 Ом. Требование стандартов по испытаниям обусловливает использование питания тестируемого объекта через эквиваленты сети (LISN, 50 мкГн). Соответственно, применение проходных конденсаторов является абсолютно необходимым, так как они обеспечивают компенсацию роста импеданса входящих в схему ЭС (эквивалентов сети) на высоких частотах. Номинал емкости проходного конденсатора 10 мкФ соответствует варианту использования стандартизованного эквивалента сети с индуктивностью 50 мкГн. В вариантах, где предусмотрены иные ЭС (например, 5 мкГн), обоснование соответствующего проходного конденсатора обсуждается отдельно. На рис. 1 проиллюстрирован эффект компенсации сопротивления ЭС на высоких частотах различными проходными конденсаторами для стандартного ЭС (50 мкГн).

Рис.1 –  Общее сопротивление со стороны источника питания для различных проходных конденсаторов и эквивалента сети (LISN) 50 мкГн

2. Испытания CS101 могут проводиться на линиях питания постоянного и переменного тока.

Частотный диапазон испытаний начинается от 30 Гц для DC-линий и от второй гармоники частоты питания AC (иногда чуть меньше). Верхняя частота составляет 150 кГц. Таким образом, испытания в нижней части частотного диапазона сильно перекликаются с проверкой тестирования устойчивости к гармоникам частоты питания, которые обычно обеспечиваются программируемым источником питания с программируемыми искажениями. Но подобные испытания обычно возможны в диапазоне порядка 2–5 кГц и здесь не анализируются. Наиболее часто рассматриваются линии DC, 28 В или линии АС (115 В, 400 Гц). При этом величина воздействия в пересчете на напряжение составляет 6,3 В (СКЗ) в диапазоне частот до 5 кГц и далее линейно-логарифмически спадает до уровня 1 В. Очевидно, что мониторинг напряжения помехи на фоне напряжения питания DC не составляет проблем и может быть выполнен простым пробником напряжения, мультиметром (даже без режима отключения DC и простым контролем экстремальных напряжений в режиме peak-to-peak). Для линий питания AC проблема возникает в области низких частот воздействий. В самом деле, необходимость различить значение помехи 6,3 В частотой 700 Гц на фоне сильного сигнала 115 В, 400 Гц в условиях неопределенности фазовых соотношений сигналов становится проблемной задачей. На рис. 2 показан общий вид временных изменений суммарного напряжения при подаче помехи с частотой 1- и 50-й частотной точки (для частоты 400 Гц). 

Рис. 2 – Слева: общий вид подаваемого напряжения с помехой частотой, равной первой частотной точке; справа: пятидесятой частотной точке

Для решения поставленной задачи нужен либо осциллограф с возможностью длительного накопления сигналов, либо селективные средства измерений (анализаторы спектра, измерительные приемники и т. д.). Расчеты показали, что при использовании осциллографа контроль воздействия в режиме осциллографа peak-to-peak c необходимой точностью требует временной выборки порядка 1 с для частоты AC 400 Гц и помехи частотой второй гармоники. Учитывая, что, согласно стандартам, длительность воздействия на каждой часто должна быть не менее 3 с, то дополнительные секунды могут существенно увеличить время испытаний. Помимо этого, в данной ситуации понадобится соответствующее программное приложение.

3. Стандарты описывают метод воздействия помехи через трансформатор связи поочередно в каждую линию.

Поскольку помеха вводится в дифференциальном режиме от выхода генератора и усилителя мощности, а одна из шин пробника осциллографа обычно связана с линией заземления питания, то чрезвычайно важно обеспечить развязку силовых и измерительных каналов по питанию. Поэтому питание осциллографа следует обеспечивать через развязывающий трансформатор. Данное положение иллюстрируется схемами испытаний (рис. 3).

4. Используемый трансформатор связи имеет обратимое воздействие.

Здесь наряду с подачей помехи в линии питания он обратно связывает напряжение питания линии с выходными портами усилителя мощности. Иными словами, при прямой реализации схемы испытаний на выходы усилителя мощности будет подаваться напряжение питания DC или АС. В связи с этим усилитель мощности должен иметь защиту выхода от высокого напряжения либо подключаемую нагрузку на выходе в режиме ключа. Вместо указанных конструктивных требований может быть использована схема с параллельным подключением на выход усилителя компенсирующего напряжения с линии питания через дополнительный трансформатор связи с обратным включением (фазосдвигающая цепь). Общая схема испытательной системы с компенсирующим трансформатором представлена на рис. 3.

Рис.3 – Общий вид схемы испытательной системы для тестирования CS101 c дополнительными принадлежностями

5. Вариант схемы с компенсирующим трансформатором предусматривает использование источника питания с пониженным уровнем гармоник.

Это связано с тем, что при испытаниях априорно неизвестен уровень вносимых искажений синусоидальности со стороны объекта испытаний. Поэтому полная либо эффективная компенсация может не состояться, так как фазовый сдвиг (противофаза) будет обеспечен не для всех гармоник.

6. Соответствующее оборудование относится к испытательному.

Поэтому согласно существующим положениям оно подлежит аттестации [5]. Однако стандарты по испытаниям [3, 4] требуют определения величин нормируемых воздействий непосредственно перед испытаниями. Таким образом, каждый раз до начала испытаний будет решаться основная задача аттестации. В итоге смысл аттестации в традиционном виде (как периодическая оценка соответствия оборудования требованиям документации и стандартов по испытаниям) теряется. Более того, анализ схемы (рис. 3) показывает, что состав испытательной системы может меняться. То есть объект аттестации оказывается неопределенным. В частности, требует уточнения необходимость формального включения (в паспорт или формуляр) источника питания, вольтметров и осциллографов, поскольку любой из этих элементов может быть использован как вспомогательное оборудование при проведении аттестации согласно [5]. С другой стороны, имеющиеся в составе системы технические средства, традиционно относящиеся к средствам измерений, в данной схеме не используются по прямому назначению как средства измерений, хотя требования к ним предъявляются. В то же время требования к метрологическим характеристикам могут быть снижены. Иными словами, для некоторых элементов испытательной системы может быть проведена калибровка или измерение предписанных характеристик без полной оценки их метрологических характеристик (без поверки). К ним относятся, импеданс эквивалента сети, действительное значение сопротивления резистора и емкости конденсаторов. В результате можно говорить об определенной неоднозначности в выборе процедур оценки соответствия подобных испытательных систем.

Таким образом, показаны особенности реализации испытаний ТС на устойчивость к кондуктивным помехам в диапазоне частот до 150 кГц, подчеркнута важность использования дополнительных принадлежностей, указаны основные проблемы метрологического обеспечения подобных испытательных систем.

Литература

1. ГОСТ IEC 61000-4-16-2014 Стандарт РБ Электромагнитная совместимость. Часть 4-16. Методы испытаний и измерений. Испытания на устойчивость к кондуктивным помехам общего вида в диапазоне частот от 0 до 150 кГц.
2. IEC 61000-4-19:2014. Electromagnetic compatibility (EMC) — Part 4-19: Testing and measurement techniques — Test for immunity to conducted, differential mode disturbances and signalling in the frequency range 2 kHz to 150 kHz at a.c. power ports.
3. ГОСТ РВ 6601-001-2008. Оборудование бортовое авиационное. Общие требования к восприимчивости при воздействии электромагнитных помех и методики измерения.
4. Квалификационные требования КТ-160G/14G. Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования (внешние воздействующие факторы — ВВФ). Требования, нормы и методы испытаний.
5. ГОСТ Р 8.568-2017. Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения. M.: Стандартинформ, 2019.