Электромагнитные помехи

Электромагнитные помехи (ЭМП; также электромагнитные шумы, радиочастотные помехи) — это нежелательные электрические сигналы, возникающие в результате электромагнитной индукции, электростатической связи или излучения, которые нарушают нормальную работу электронного и радиоэлектронного оборудования. ЭМП могут быть как естественного, так и искусственного происхождения, и их воздействие приводит к ухудшению качества передачи информации, сбоям в работе устройств и, в критических случаях, к выходу из строя аппаратуры.

Классификация электромагнитных помех

Электромагнитные помехи классифицируются по нескольким основным признакам: источнику происхождения, способу распространения, частотному диапазону и временным характеристикам.

По источнику происхождения

• Естественные помехи. Возникают вследствие природных явлений. К ним относятся:
• Атмосферные помехи: грозовые разряды, молнии, создающие мощные импульсные поля.
• Космические помехи: излучение Солнца, пульсаров, галактический шум, особенно заметные в диапазоне коротких волн.
• Термические шумы: обусловлены хаотическим тепловым движением носителей заряда в проводниках (например, джонсоновский шум).
• Искусственные (техногенные) помехи. Создаются человеком и его техникой. Делятся на:
• Преднамеренные: создаются специально для подавления работы радиоэлектронных средств (например, постановка активных помех в военных целях). В гражданской сфере к ним относят работу средств радиоэлектронной борьбы, а также несанкционированное использование усилителей мощности.
• Непреднамеренные: являются побочным эффектом работы электрооборудования. Основные источники — импульсные блоки питания, электродвигатели, системы зажигания автомобилей, сварочные аппараты, микроволновые печи, цифровые вычислительные устройства.

По способу распространения

• Кондуктивные помехи. Передаются по проводникам (силовым, сигнальным, шинам заземления). Они распространяются в виде токов и напряжений, наводимых на кабели и печатные дорожки.
• Излучаемые (радиационные) помехи. Распространяются в виде электромагнитных волн в пространстве. Они излучаются антеннами, токоведущими шинами, корпусами устройств и кабелями, работающими как антенны.

По частотному диапазону

• Низкочастотные помехи (НЧ). Диапазон от единиц герц до десятков килогерц. Характерны для систем электроснабжения, силовых преобразователей.
• Высокочастотные помехи (ВЧ). Диапазон от сотен килогерц до десятков гигагерц. Типичны для радиопередатчиков, цифровых схем, импульсных источников питания.

По временным характеристикам

• Непрерывные (стационарные) помехи. Существуют постоянно или в течение длительного времени с относительно стабильной амплитудой (например, шум радиоприёмника).
• Импульсные помехи. Представляют собой кратковременные всплески напряжения или тока, часто большой амплитуды. Примерами являются помехи от коммутации реле, разрядов статического электричества, грозовых разрядов.

Механизмы возникновения и воздействия

Возникновение ЭМП связано с тремя основными механизмами: излучением, индукцией и кондукцией.

• Излучение. Любой проводник, по которому протекает переменный ток, излучает электромагнитное поле. Эффективность излучения зависит от частоты тока и длины проводника. Если длина проводника соизмерима с длиной волны (или кратной ей), он становится эффективной антенной.
• Индукция. Различают магнитную (индуктивную) и электрическую (ёмкостную) связь.
• Магнитная связь: переменный ток в одном проводнике создаёт магнитное поле, которое наводит напряжение в соседнем проводнике (закон Фарадея).
• Электрическая связь: переменное напряжение на одном проводнике через паразитную ёмкость между проводниками наводит заряд на соседнем проводнике.
• Кондукция. Помеха проникает в устройство по цепям питания, заземления или сигнальным линиям. Например, импульсный блок питания может генерировать высокочастотные гармоники, которые по сети питания распространяются на другие приборы.

Воздействие ЭМП на электронику может проявляться в виде:

• Сбоев в работе цифровых схем: ложные переключения логических элементов, сброс данных, зависание процессоров.
• Ухудшения качества аналоговых сигналов: появление шума, искажение формы сигнала, снижение отношения сигнал/шум.
• Помех радиоприёму: треск, шипение, искажение звука, потеря сигнала.
• Физического повреждения компонентов: пробой изоляции, выход из строя полупроводниковых приборов под воздействием мощных импульсных помех.

Методы борьбы с электромагнитными помехами

Для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) — способности оборудования нормально функционировать в заданной электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых помех другим устройствам, — применяются комплексные меры.

Конструктивные и схемотехнические решения

• Экранирование. Размещение чувствительных цепей или источников помех внутри замкнутых проводящих оболочек (экранов). Экраны изготавливаются из металла (медь, алюминий, сталь) или токопроводящих материалов. Для защиты от магнитных полей используются ферромагнитные материалы (пермаллой, сталь).
• Фильтрация. Установка помехоподавляющих фильтров (LC-фильтров, ферритовых колец, конденсаторов) на входах питания, сигнальных линиях и выходах. Фильтры ослабляют высокочастотные составляющие помех.
• Развязка. Использование гальванической развязки (трансформаторы, оптроны, изолирующие усилители) для разделения цепей, по которым может распространяться помеха.
• Правильная трассировка печатных плат. Минимизация длины токопроводящих дорожек, использование экранирующих слоёв (полигонов земли), разнесение силовых и сигнальных цепей, применение дифференциальных пар.
• Заземление. Создание низкоомных путей для отвода токов помех на землю. Используются системы «звезда» (одна точка заземления) или многоточечное заземление в зависимости от частотного диапазона.

Организационные меры

• Нормирование. Установление предельно допустимых уровней излучаемых и кондуктивных помех для различных классов оборудования. В России действуют стандарты ГОСТ Р 51318 (серия CISPR) и ГОСТ Р 51522.
• Сертификация. Обязательная проверка оборудования на соответствие требованиям ЭМС перед выпуском на рынок.
• Пространственное разделение. Размещение источников мощных помех (например, сварочных аппаратов, радиопередатчиков) на достаточном удалении от чувствительной аппаратуры.

Влияние на здоровье человека

Вопрос о влиянии электромагнитных полей (ЭМП) на здоровье человека является предметом научных дискуссий. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) классифицирует низкочастотные магнитные поля как «возможно канцерогенные для человека» (группа 2B) на основании ограниченных данных о связи с лейкемией у детей. Однако чёткие механизмы биологического действия слабых ЭМП, не вызывающих нагрева тканей, до конца не установлены. В России действуют санитарные нормы и правила (СанПиН), устанавливающие предельно допустимые уровни электромагнитных полей для населения и персонала, работающего с электроустановками. Эти нормы основаны на принципе предосторожности и направлены на предотвращение возможных негативных последствий.

Интересные факты

• Первые наблюдения электромагнитных помех относятся к концу XIX века, когда при эксплуатации первых линий электропередач и телеграфа были обнаружены взаимные наводки.
• Во время Второй мировой войны активно разрабатывались средства подавления радиолокационных станций противника, что дало мощный толчок развитию теории ЭМС.
• Современные автомобили содержат десятки электронных блоков управления (ЭБУ), которые должны работать без сбоев в условиях сильных помех от системы зажигания, генератора и электродвигателей.
• Для испытаний оборудования на устойчивость к электромагнитным помехам используются специальные безэховые камеры, стены которых покрыты пирамидальными поглотителями из пенопласта с графитовым напылением.

Источники

1. ГОСТ Р 50397-2011 (МЭК 60050-161:1990). Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения.
2. Уильямс Т. Электромагнитная совместимость. Принципы и методы обеспечения. — М.: Техносфера, 2015.
3. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. — М.: Мир, 1979.
4. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов.
5. Всемирная организация здравоохранения. Электромагнитные поля и здоровье. Информационный бюллетень.