Оценка устойчивости электромагнитных систем к воздействию ЭМИ

Исследуя устойчивость работы электромагнитной системы в условиях действия импульсных ЭМП, целесообразно предварительно оценить энергию поля, поглощенную системой. Это особенно важно в случае принципиальной возможности ложных срабатываний устройств при воздействии помехонесущего поля.

Сущность оценки устойчивости систем к воздействию электромагнитного импульса (ЭМИ) сводятся прежде всего к определению механизмов и уровней повреждения элементов, из которых состоит система. Вывод о потенциальной опасности воздействия ЭМИ на систему может быть сделан из сопоставления количества поглощенной энергии ЭМИ с минимальным ее количеством, достаточным для сбоя в работе или необратимых повреждений различных элементов системы [3].

Проведенный таким образом анализ устойчивости системы к воздействию ЭМИ позволит выявить наиболее слабые элементы системы, которые и будут, по сути дела, определять устойчивость всей системы в целом. Повышая устойчивость наиболее слабых элементов системы к воздействию ЭМИ, можно значительно повысить устойчивость системы в целом.

Наиболее эффективными приемниками энергии ЭМИ являются провода, выполняющие роль соединительных линий. Линейные проводники по отношению к помехонесущему полю играют роль электрических антенн и являются приемниками электрического поля; проводники образуют замкнутые контуры, играют роль магнитных антенн и являются приемниками магнитного поля. Оба этих типа приемников являются генераторами ЭДС, которые поглощают часть энергии помехонесущего поля и передают ее соединенным с ними функциональным элементам схем. В таблицах 5.1 ÷ 5.5 приведены ориентировочные значения параметров соединительных проводов.

Исходя из вышесказанного, рекомендуется следующий порядок оценки устойчивости электронных систем к воздействию ЭМИ.

1. Провести анализ элементов электронной системы, выделить основные приемники энергии ЭМИ, контуры, линии проводников.

2. Найти ЭДС, которые наводятся в каждом из этих приемников.

3. Составить эквивалентные схемы, включающие цепи приема энергии и сопротивления, составляющие цепи элементов.

4. Найти токи, напряжения, выделяющуюся в элементах энергию ЭМИ.

5. Сравнить энергию, выделяющуюся в каждом элементе системы, с критическими ее значениями, при достижении которых происходит нарушение функционирования (данные о минимальной энергии, вызывающей сбои в работе или функциональные повреждения элементов электронной аппаратуры, приведены в таблицы 5.6 и 5.2).

Если энергия срабатывания оказывается больше поглощенной энергии поля, то система потенциально устойчива. В противном случае, система потенциально неустойчива и необходимо принятие меры по увеличению ее устойчивости.

Оценка энергии электромагнитного поля, поглощенной в системе, является сложной задачей. Приближенно она может быть решена для случаев взаимодействия поля с проводящими оболочками простых геометрических форм, внутри которых может располагаться аппаратура. Рассмотрим энергию электрического и магнитного поля, поглощенную системой, конструктивно выполненной в проводящем корпусе цилиндрической формы. Изложенный подход может быть распространен и на другие геометрические формы.

Сначала найдем энергию электрического поля, поглощенную системой. В случае, когда длина волны воздействующего электромагнитного поля гораздо больше размеров корпуса системы (а в случае ЭМИ – это безусловно так), последний можно рассматривать как длинноволновую антенну, электрическую – для электрического поля и магнитную – для магнитного поля.

Таблица 5.1 Сопротивление и индуктивность медного прямого провода

Таблица 5.2. Индуктивность, мкГн, на 100 мм медного прямого провода параллельного корпуса прибора

Таблица 5.3. Емкость провода, пФ, параллельного корпуса прибора, на 100 мм длины

Таблица 5.4. Емкость между двумя параллельными проводами на 100 мм длины, пФ

Таблица 5.5. Взаимоиндуктивность между двумя параллельными проводами одной длины, мкГН

Таблица 5.6. Минимальная энергия, вызывающая функциональные повреждения элементов электронной аппаратуры и воспламенение пиротехнических устройств

Продолжение таблицы 5.6

Таблица 5.7. Минимальная энергия, Дж, вызывающая сбои в работе электронных систем

Угольные резисторы способны выдерживать импульсные мощности, более чем в 10 000 раз превышающие их собственную номинальную мощность. Конденсаторы также относятся к числу довольно стойких к импульсному воздействию элементов.

Минимальная энергия, необходимая для того, чтобы произошел сбой в работе электронной или электрической системы, примерно на 1 – 2 порядка меньше энергии, вызывающей необратимые изменения.

При рассмотрении сечения герметичной проводящей цилиндрической оболочки радиуса r₀ и длиной l , находящейся в продольном электрическом поле E₀.

Под действием электрического поля цилиндр поляризуется и на каждом из его оснований индуцируется заряд

где ε₀ – диэлектрическая проницаемость.

При изменении во времени электрического поля заряды также изменяются во времени и на боковой поверхности оболочки протекает ток. Этот ток связан с разделением электрических зарядов и замыкается вне цилиндра токами смещения.

Следовательно, по отношению к воздействующему полю проводящий корпус системы с точки зрения введенного в нем тока ведет себя как емкость, включенная последовательно с омическим сопротивлением проводника, т.е. проводящий корпус системы в электрическом поле можно рассматривать как короткую электрическую антенну.

Эквивалентная схема для расчета тока в оболочке системы совпадает с эквивалентной схемой цепи короткой электрической антенны. Омическое сопротивление оболочки цилиндрической формы, имеющей стенки толщиной d с проводимостью σ равно

Емкость оболочки находится из соотношения (5.1), если учесть, что q = C₀v , где v = E₀l – разность потенциалов оснований цилиндра. Отсюда

Энергия электрического поля, поглощенного системой, равна

Ток оболочки i_об(t) может быть найден из выражения

где – постоянная времени оболочки.

Подставляя (5.4) в (5.3), найдем энергию электрического поля, поглощенную системой:

В случае действия магнитного поля, индуцированные токи протекают по периметру сечения, перпендикулярного направлению вектора магнитного поля.

Меняющееся во времени магнитное поле индуцирует в таком короткозамкнутом витке ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения магнитного поля. При очень низких частотах ток в витке пропорционален приложенной ЭДС, деленной на омическое сопротивление витка. Этот ток сдвинут на π/2 относительно приложенного помехонесущего поля.

Когда скорость изменения приложенного поля увеличивается, индуктивное сопротивление проводника растет и становится гораздо больше его омического сопротивления. Таким образом, по отношению к магнитному полю проводящий корпус системы с точки зрения наведенного в нем тока ведет себя как индуктивность, включенная последовательно с омическим сопротивлением, определяемым собственным омическим сопротивлением оболочки, т.е. проводящий корпус системы в магнитном поле можно рассматривать как короткозамкнутый виток, или магнитную антенну.

Эквивалентная схема для расчета тока в оболочке системы, возникающего под действием магнитного поля, совпадает с эквивалентной схемой цепи рамочной антенны.

Определим индуктивность оболочки L_об для протекающего по ее периметру поперечного кругового тока. Если этот ток обозначить i_об, а ЭДС, самоиндукции в оболочке ε_об, то

Ток в оболочке создает магнитное поле H , которое может быть найдено по закону полного тока

где dl – дифференциал длины кривой, ограничивающей сечение S, через которое протекает ток оболочки;

– единичный вектор (орт) нормали к поверхности S.

Если рассмотреть продольное сечение цилиндрической оболочки, направления линий тока и контур интегрирования ABCD, охватывающий ток i_об, закон полного тока в этом случае дает

ЭДС самоиндукции определяется из второго закона Максвелла:

где B – магнитная индукция;

μ – магнитная проницаемость среды.

Будем считать, что напряженность магнитного поля постоянна по сечению оболочки. Учитывая, что d << r, после интегрирования получим

Здесь через μ₀ обозначена магнитная проницаемость среды, заполняющей полость оболочки (для воздуха μ₀ = 4π10^-7 Гн/м). Из (5.6), (5.8) и (5.9) найдем индуктивность оболочки для поперечного кругового тока:

Энергия магнитного поля поглощенная системой

Если действует импульс магнитного поля прямоугольной формы длительностью t_n и амплитудой H_m, то индуцируемая в оболочке ЭДС в соответствии с (5.9) будет:

.

где δ(t) – дельта-функция (единичная импульсная функция).

Соответственно ток оболочки равен:

где

Подставляя найденный ток в выражение для поглощенной энергии (5.11), получим

Сравнивая поглощенную энергию ЭМИ элементами и схемами электронной системы с минимальным уровнем энергии, достаточной для сбоя в работе или необратимых повреждений, можно сделать вывод об устойчивости отдельных элементов и системы в целом к воздействию ЭМИ.

Приведенная методика оценки устойчивости электронных систем к воздействию ЭМИ ядерного взрыва может быть выполнена при условии знания величин напряженностей электрического, магнитного полей ЭМИ в области пространства, где размещены исследуемые системы. В условиях мирного времени можно лишь предположительно судить об этих величинах.

Поэтому для оценки устойчивости различной электронной аппаратуры к воздействию ЭМИ можно использовать более упрощенную схему оценки.

Порядок проведения оценки в этом случае может быть следующим.

1. Составить перечень основных комплектующих элементов анализируемой аппаратуры.

2. Приближенно определить степень защищенности K от ЭМИ для каждого элемента схемы (наличие приемников ЭМИ, проводников, связанных с данным элементом, экранов, фильтров, заземлений и т.д.). Величина K может быть как больше единицы, так и меньше единицы.

3. Используя таблицы 5.6 и 5.7, а также литературные данные по минимальной энергии ЭМИ, вызывающей повреждения или сбои в работе рассматриваемых элементов, и выявленную степень их защищенности в конструктивной схеме и конструкции, определить наименее стойкие к воздействию ЭМИ элементы.

4. Выработать предложения по повышению устойчивости наименее устойчивых элементов с целью повысить устойчивость всей аппаратуры (системы) в целом, используя один из методов, описанных ниже.

5. После повышения устойчивости системы обратным расчетом, рекомендуемым в данном параграфе, определить значения напряженностей ЭМП, создаваемого ЭМИ, которые не вызовут нарушения функционирования оцениваемой системы.