Смирнов Владимир Фёдорович Исследование импульсной помехи и защита от неё Россия, г. Кимры, Тверская обл., E-mail: svfru@ya.ru

В начале XIX века датский физик Ганс Христиан Эрстед обнаружил [1, с. 33], что электрические токи вызывают появление магнитных сил, которые изменяют положение стрелки компаса. Несколько позднее английский физик Майкл Фарадей сделал очень важное открытие. Он обнаружил, что при изменениях магнитных полей (скажем, при движении магнита вблизи проводника) могут возникать электрические токи. Эти два явления оказались взаимообратными. Если первое превращало электричество в магнетизм, то второе – магнетизм в электричество.

В 1861 году [2, с. 105–114] шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, исходя из представлений о первичности вихревого магнитного поля в возникновении электрического тока, провёл эксперимент, подтвердивший его выводы о едином электромагнитном поле. Он предположил, что переменное электрическое поле, так же как и электрический ток, должно являться источником магнитного поля [3, § III. 14. 3. 1°], которое, в свою очередь, должно вызывать электрический ток. Но так как электрическое поле может существовать только внутри диэлектриков, то возник шокирующий вопрос о возможности возникновения электрического тока в непроводящей среде, что и предстояло воспроизвести в эксперименте. В разрыв цепи импульсного тока был помещён стеклянный диэлектрик, в объёме которого создавалось изменяющееся электрическое поле, которое, в свою очередь, возбуждало неразрывно связанное с ним магнитное поле. Количественной мерой магнитного действия электрического поля должен был стать электрический ток, текущий прямо по стеклу и замыкающий цепь.

В ходе эксперимента Максвелл обнаружил, что в моменты изменения электрического поля по стеклу протекает кратковременный электрический ток. Этот необычный ток он назвал током смещения, т.к. первоначально объяснял его смещением электрических зарядов, находящихся в плену у молекул стекла, под действием электрического поля [2, с. 110]. Видные учёные – современники Максвелла с большим трудом воспринимали его смелые идеи. Особое беспокойство вызвало утверждение о возникновении тока смещения в пустом (без вещества) пространстве – вакууме. Впоследствии Максвеллом была создана теория единого электромагнитного поля, ток смещения вошёл в одно из её уравнений – обобщённый закон полного тока [3, § III. 14. 3].

Из данного уравнения, в частности, следует, что во Вселенной не существует незамкнутых цепей. Всякий разрыв, по сути, – электрическая ёмкость (конденсатор), где накапливается заряд. Во время изменения заряда по разрыву течёт ток смещения. Необыкновенно то, что идеальный вакуум является для тока смещения динамическим сверхпроводником¹. Теория Максвелла носит феноменологический характер – в ней не рассматривается внутренний механизм явлений, происходящих в среде и вызывающих появление электрических и магнитных полей [3, § III. 14. 1. 2°], поэтому она остаётся справедливой по существу даже сегодня – после создания теории относительности Эйнштейна и квантовой механики. Сегодня мы знаем [1, с. 35], что Максвелловские уравнения описывают все электромагнитные явления, начиная с огромных по протяжённости электромагнитных полей, наблюдаемых в галактиках, вплоть до полей в областях размером 10^–18 м — расстояний, составляющих 1/10000 долю размера атомного ядра.

Формула конденсатора. Величина тока смещения J в конденсаторе ёмкостью C определяется зависимостью [4, (1.19)]: J = dq/dt = C du/dt, (1) где dq/dt и du/dt - скорости изменения, соответственно, заряда и напряжения. В формулу (1) не входит иммитанс (сопротивление, проводимость), чем и объясняется механизм возникновения в пространстве-времени динамической сверхпроводимости для тока смещения.

Механизм возникновения импульсной помехи. На Рис.1 — схема питания нагрузок Z₁, Z₂… Z_n от электрической сети 220В. Где Z₁ – защищаемое от помех цифровое устройство (компьютер и т.п.), Z₂… Z_n – другие нагрузки (холодильник и т.п.). Однородная питающая линия изображена в виде трёх функциональных эквивалентов²: длинной линии Lф, Lн; ТДЛ [5, с. 298]– трансформатора типа длинной линии (на провода надет ферритовый тор); L – двухобмоточного дросселя. Импедансы фазного и нулевого проводов представлены в виде активной Rф, Rн и индуктивной Lф, Lн составляющих. Если в момент амплитудного максимума, когда потенциал "Фазы" равен √2• 220В ≈ 311 В (Рис.2), вдруг включится нагрузка Z₂… Z_n, имеющая ёмкостной³ характер (начальное напряжение на ёмкости равно нулю), то, так как зарядный ток ёмкости представляет импульсную функцию [4, c. 57], кратковременно возникнет короткое замыкание конца линии – дифференциальное (питающее) напряжение на нагрузках Z₁… Z_n упадёт до нуля. Поскольку индуктивности Lф, Lн проводов равные, а токи в них имеют противоположное направление, результирующий магнитный поток оказывается равным нулю, и ток в цепи будет ограничен по величине лишь незначительным (десятые доли-единицы ом) активным (Rф + Rн) сопротивлением, достигая сотен ампер. Учитывая, что падение напряжений на проводах одинаковое (Rф = Rн), потенциал "Фазы" разделится пополам и синфазно (одновременно на обоих проводах) в момент кратковременного замыкания достигнет 311/2 В (Рис.2) – возникнет синфазная помеха. В этот момент будет происходить заряд внешних (разрыв цепи относительно Земли) ёмкостей (десятки-сотни пикофарад) нагрузок Z₁… Z_n током, как указывалось выше, до сотен ампер. При этом скорость изменения напряжения du/dt (Рис.2), оцененная по формуле (1), может многократно превышать 10⁶ вольт в микросекунду, что свидетельствует об исключительной эффективности механизма возникновения помехи.

Механизм воздействия импульсной помехи. На величину синфазной помехи изменится потенциал и на всех элементах защищаемой нагрузки⁴Z₁, которые станут как бы одной пластиной развёрнутого в окружающее пространство конденсатора, а все токопроводящие элементы конструкции помещения, соединенные с Землей, - другой. Согласно Максвеллу во время изменения электрического поля, вызванного действием скачка du/dt потенциала, в пространстве между этими "пластинами” возникнет вихревое магнитное поле и ток смещения (Рис.2) – поражающий фактор импульсной помехи. Невидимые линии тока смещения от Земли и элементов конструкции помещения прямо со всех сторон из окружающего пространства протянутся к токоведущим элементам электронного устройства защищаемой нагрузки Z₁, замыкая сверхпроводящую (ток определяется ёмкостью, а не протяжённостью) пространственную цепь. Алгебраически (с учётом знаков) суммируясь с токами проводимости в элементах электронного устройства, ток смещения импульсной помехи будет воздействовать на его работу.

Ток смещения – физическая реализация единичной импульсной функции [4, c. 54]. Условимся считать скачок du/dt линейно изменяющимся (рис. 2), тогда ток смещения, определяемый первой производной (1), будет представлять прямоугольный импульс длительностью tи = dt. Такой импульс обладает замечательным свойством единичной импульсной функции. Его площадь – переносимый импульсной помехой за время tи заряд Q = CU = Jtи не зависит от значения tи. А вот сокращение длительности tи импульса будет сопровождаться одновременным увеличением тока смещения J пропорционально 1/tи: J = Q/tи = CU/tи. В пределе, когда время коммутации dt и длительность импульса tи стремятся к нулю, амплитуда J тока смещения — эффект воздействия помехи — будет стремиться к бесконечности.

Числовые значения тока смещения. Представим, что ток смещения действует на каждый проводник электронного устройства в отдельности. Считая каждый такой проводник уединенным (заземленные элементы конструкции помещения бесконечно удалены), оценим его емкость по формуле (2) [6, с. 171]

Где: С - емкость, Ф; ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость среды, для воздуха равна 1; l — длина проводника, м; r — радиус проводника круглого сечения, м. Зададимся в (2): l = 0,2 м; r = 0,0002 м. Получим С = 1,68 пикофарад. В компьютере имеются проводники и c иными, чем указано выше, размерами. Поэтому при расчете тока смещения по формуле (1) будем считать, что емкость С находится в интервале 0,1...10 пикофарад, напряжение du синфазной помехи 155 В, а время коммутации dt — 10 наносекунд. Получим величину тока смещения в пределах 1,55...155 миллиампер, что находится в диапазоне рабочих токов интерфейса компьютера и представляет непосредственную угрозу для его надежной работы. Потенциальные возможности механизма возникновения помехи (рис. 1), как было показано при его описании, оцениваются величиной в сотни ампер, что на три порядка превосходит величину тока смещения, атакующего уединённый проводник.

Характер воздействия импульсной помехи. Спектр⁵[7, с.256] одиночного прямоугольного импульса (рис. 2) в тригонометрической форме [7, пример 110] представлен на рис. 3. Где S(w) – модуль (амплитудно-частотная характеристика) спектральной плотности, A – амплитуда, tи – длительность импульса. Частоты ω на рис. 3 идут без пропусков, которые характерны для дискретных (разреженных) спектров периодических сигналов, всплошную закрашивая фигуру графика. Амплитуды частот в спектре одиночного импульса бесконечно малы, поэтому для спектральной плотности характерно распределение энергии в полосе частот. На цифровые устройства помеха воздействует как целое – импульс – всей энергией спектра, а на узкополосные (радиоприёмники) – лишь малой частью, попадающей в полосу прозрачности. Энергию в заданной полосе частот можно вычислить с помощью равенства Парсеваля [8, c. 50]или теоремы Рейлея[7, (9.34)]. График, представленный в [8, рис. 2.17], позволяет без сложных вычислений получить оценку относительной доли энергии η в заданной полосе частот ΔΩ (полоса от 0 до Ω₁) по значению Ω₁tи/2. Оценим η в случае воздействия тока смещения с tи = 10 наносекунд на узкополосное устройство (радиоприёмник) с полосой (после демодуляции) в 10 кГц. Полученное значение Ω₁tи/2 = 2π10⁴10^-8/2 = π10^-4 так мало, что не позволяет качественно воспользоваться графиком, но очевидно, что и η при этом близко к нулю. Таким образом, основную угрозу импульсная помеха представляет для цифровых⁶, а не узкополосных устройств.

О помехе в момент отключения. Когда ёмкость коммутируемой нагрузки зарядится, дифференциальное (питающее) напряжение на нагрузках восстановится. После этого отключение ёмкостной нагрузки в любой момент не будет вызывать существенных помех, т. к. реактивный ток ёмкости для частоты сети 50 Гц незначителен, по сравнению с током подключения разряженной ёмкости в момент амплитудного максимума.

Защита от импульсной помехи – очень сложная, комплексная и до конца не решаемая задача. Она включает в себя ряд следующих мер: 1 – электромагнитную экологическую адаптацию каждой нагрузки; 2 – десенсибилизацию (понижение чувствительности) к импульсной помехе; 3 – аппаратно-программную защиту от последствий воздействия импульсной помехи.

Адаптер электромагнитной экологичности нагрузок (рис. 4) – обладает свойствами изолирующего буфера: не пропускает помеху из сети в нагрузку, а создаваемую нагрузкой и собственную – в сеть. Индуктивности L1, L2 в момент включения ограничивают зарядный ток сглаживающей ёмкости (сотни микрофарад) сетевого выпрямителя вторичного источника питания (ВИП), устраняя причину создания синфазной помехи в сети; элементы L3, С1, С2 – нейтрализуют синфазную помеху из сети. Остальная часть схемы необходима в случае использования импульсного ВИП. При этом L5, С3, С4 защищают нагрузку от помех ВИП, а L4, С1, С2 – сеть. ВИП находится внутри заземленного экрана, причём сетевая обмотка его трансформатора отделена от остальных заземлённым незамкнутым витком из фольги. При нескольких выходных напряжениях дроссель L5 должен быть многообмоточным. Все его обмотки имеют одинаковое число витков, диаметр провода выбирается исходя из тока, начала всех обмоток присоединяют к ВИП, а концы – к заземляющим емкостям и нагрузкам. Ориентировочно значения всех емкостей 47... 4700 пикофарад. Важно, чтобы сердечники индуктивностей L1, L2 были выполнены из ВЧ ферритов для импульсных полей или т. п. материалов и не насыщались во время переходных процессов. Число витков – десятки-сотни. Сердечники L3 - L5 работают без тока подмагничивания, поэтому можно использовать материалы с высокой магнитной проницаемостью (в [5, с. 298] рекомендуют значение 200...700). Число витков – единицы - десятки. Для нагрузок мощностью до 200 Вт могут быть использованы кольца с внешним диаметром 20-45 мм.

Без заземления параллельные элементы C1- С4 ( рис. 4) работать не будут. Качество заземления в основном определяется физической длиной провода заземлителя до точки соединения с Землёй. Согласно классической электронной теории электропроводности металлов [3, с. 186]: "Электрический ток в цепи устанавливается за время t = L/c, где L – длина цепи, c – скорость света в вакууме. Время t совпадает с временем установления вдоль цепи стационарного электрического поля и появлением упорядоченного движения электронов сразу во всей цепи”. Легко посчитать, что каждые 3 метра длины заземлителя будут вызывать задержку появления тока в заземлении в 10 наносекунд. Таким образом, заземление будет неэффективным в отношении импульсных помех, длительность которых меньше времени установления тока в заземлении.

Для защиты от пространственного тока смещения широко используют многообмоточные (по числу заграждаемых цепей) ТДЛ, которые размещают как можно ближе как к источнику помех, так и к каждому входу цифрового устройства, чтобы с одной стороны предотвратить излучение помех, а с другой – защититься от них. Обычно ТДЛ располагают внутри цилиндрических утолщений на питающих и интерфейсных проводах компьютеров, видеокамер и т.п.

Наилучшую защиту от импульсной помехи можно обеспечить только при использовании автономного питания чисто от аккумулятора (соединение с сетью во время работы отсутствует) и беспроводных интерфейсных технологий IrDA (инфракрасная) или Wi-Fi, Bluetooth (сверхвысокочастотные). От аккумулятора будет обеспечиваться питание высококачественной энергией (важно в случае присутствия в схеме аналого-цифрового преобразователя). Не потребуются сетевые фильтры, сетевой ВИП, нелинейная защита от опасных выбросов напряжения в сети. Повысится уровень надёжности, безопасности, экологичности, миниатюризации и эргономичности (удобства) аппаратуры.

Чтобы десенсибилизировать цифровое устройство к импульсной помехе его необходимо питать напряжением с низким уровнем пульсаций и без "иголок”, возникающих на шинах питания в моменты коммутации вентилей. Это следует из того, что пульсации питания и "иголки” алгебраически суммируются на входах вентилей с логическими уровнями 0 и 1, уменьшая защитный интервал между ними. Например, для вентилей TTL входное напряжение, большее 1,25 В, является уровнем "1”, а защитный интервал не превышает 0,8 В (обычно 0,4…0,5 В). При разводке монтажа неизбежно образуются передающие и приёмные рамки — их площади должны быть минимальны. Наиболее чувствительные места будет оправданным выполнить на основе оптических или волноводных линий.

Импульсная помеха внутри электростатического экрана. В [9, с. 115] рассказано о «феномене электромагнитной индукции» при близком разряде молнии: «Нам, например, приходилось наблюдать разрушение корпусов коммуникационных микросхем, тогда как блок питания и остальные элементы компьютера оставались целыми».

Механизм данного феномена, возможно, следующий. Электронная начинка компьютера находится внутри металлического кожуха – защитного экрана, полость которого воспроизводит объёмный прямоугольный резонатор (ПОР). Внутри ПОР идёт непрерывный резонансный обмен энергией между магнитным и электрическим полем [10, с. 262]. На рис. 5 [10, рис. 2-90, б, в] изображена структура поля основных колебаний Н₁₀₁-типа в момент нарастания магнитного поля. Линии тока проводимости (синие), наводимого на внутренних поверхностях проводящих стенок, замыкаются линиями тока смещения (красные) через полость, образуя замкнутые линии полного тока.

В отличие от обычного LC-контура, резонанс которого происходит в объёме всей Вселенной, ПОР своими проводящими стенками ограничивает часть пространства, запирая в нём энергию электромагнитного поля. Роль индуктивности здесь играет внутренняя проводящая поверхность стенок, по которой течёт ток проводимости, а ёмкости – взаимная ёмкость противолежащих поверхностей стенок, между которыми возникает ток смещения. В результате, излучение в открытое пространство отсутствует и ПОР характеризуется очень высокими значениями добротности (до десятков тысяч) на бесконечном множестве резонансных частот, что объясняется весьма просто: активное сопротивление проводящих стенок крайне мало⁷, а воздух для тока смещения – почти сверхпроводник. Таким образом, волноводная цепь ПОР оказывается более низкоомной, чем проводящая на плате.

При близком разряде молнии, скачок потенциала проникнет по проводам соединительной линии до коммуникационных микросхем. Материнская плата расположена вблизи одной из стенок, например, нижней на рис. 5. Поэтому ток смещения с коммуникационных микросхем потечёт по воздушному сверхпроводнику преимущественно на нижнюю стенку (наибольшая взаимная ёмкость). Далее его продолжит ток проводимости, который по внутренним поверхностям стенок (индуктивность) обойдёт плату снаружи до точки заземления (на рис. 5 не показана). При этом точка заземления оказывается присоединённой как бы к отводу от индуктивности (частичное включение). А так как эквивалентная схема ПОР представляет собой бесконечный ряд параллельно включенных последовательных контуров, то будет иметь место явление, аналогичное резонансу напряжений, когда на частотах объёмного резонанса сопротивление цепи полного тока ПОР будет определяться активным сопротивлением контура. Таким образом, цепь полного тока ПОР будет замкнута проходящим через кристаллы коммуникационных микросхем током смещения, сконцентрированного магнитным полем в пучок высокой плотности. Катастрофичными последствия могут быть и без разрушения корпусов микрочипов, ведь реальная структура поля внутри ПОР гораздо сложнее, а электрическое стирание током смещения информации из долговременной памяти микрочипов равносильно их выходу из строя.

Защита от последствий воздействия помех основана на введении в систему аппаратно-программной избыточности, устраняющей неопределённость, вносимую помехами. Наиболее известны методы мажорирования. Их особенность – параллельное выполнение одной и той же задачи несколькими логическими устройствами с последующим сравнением результатов по принципу, напоминающему голосование. Например, порт для вывода ответственных (ошибка = катастрофа) управляющих воздействий можно построить на основе N регистров, аппаратно объединённых с помощью вентилей мажоритарной логики. Передаваемый код процессор раздельно во времени выводит в каждый из этих регистров. Код на выходе порта появляется, когда мажоритарно совпадают коды, например, в N -1 регистрах. Если подтверждения вывода не получено (помеха испортила код более чем в одном регистре), то цикл вывода повторяется. Методы мажорирования используют при создании высоконадёжных многопроцессорных систем [11, с. 31].

В настоящее время наблюдается тенденция к развитию систем с параллельной системой вычислений и переработки информации. К таким системам относятся нейронные сети и нейропроцессоры, которые, по сути, представляют собой динамическую самоорганизующуюся систему, а не логическое вычислительное устройство. Основным качеством таких систем является высокая защищённость, даже к "ошибкам при монтаже”[12].

Всегда выгоднее найти и устранить причину, чем бороться со следствиями. Простейшее решение, позволяющее восстановить работу системы, – использование сторожевого таймера с собственным генератором и соответствующей программы перезапуска. Рабочая программа должна периодически сбрасывать сторожевой таймер в течение заданного времени, не позволяя ему выработать сигнал перезапуска. Когда выполнение программы нарушено, таймер не сбрасывается и перезапускает систему. Большей надёжности можно добиться, используя многозадачность и аппаратный (программный) супервизор (диспетчер) разделения времени процессора.

В эксперименте с током смещения Максвелл использовал импульсный ток и, по сути, в то «доламповое» время выполнил фундаментальное пионерское исследование импульсной помехи. Динамическая сверхпроводимость пространством-временем тока смещения наделяет импульсную помеху способностью атаковать прямо из окружающего пространства. Механизм возникновения импульсной помехи связан с коммутацией ёмкостной нагрузки. Защита от импульсной помехи — очень сложная, комплексная и до конца не решаемая задача, выходящая на уровень сверхзадачи в медицине, авиации и др. областях, где от надёжности техники зависят человеческие жизни.

Постулаты:

• Из всех "тупиков”, ”ловушек” и "вылетов” из программы и состояний аппаратной логики должен быть предусмотрен корректный возврат с восстановлением потерь.

• Всякое электронное устройство – открытая система. Это заставляет рассматривать задачи по надёжности и живучести в наразрывной связи с основной.

• Всегда найдется помеха способная преодолеть любую систему защиты. Такая помеха может действовать в обход системы защиты – неожиданным, неочевидным и разрушающим образом, ведь существуют и другие таинственные явления, например, ток переноса, обусловленный переносом электрических зарядов в свободном пространстве заряженными частицами.

Литература

1. Фритш Г. Основа нашего мира: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Гоффман Б. Корни теории относительности /Пер. с англ.- М.: Знание, 1987.

3. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб.–М.; Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

4. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи. Учебн. пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1972.

5. Справочник по радиоэлектронным устройствам: в 2-х томах. Т. 1 /Бурин Л.И., Васильев В.П., Каганов В.И. и др.; Под ред. Д.П.Линде. - М.:Энергия, 1978.

6. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы/ Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г.Герасимова, П.Г.Грудинского, Л.А.Жукова и др. -6-е изд., испр. и доп. - М.:Энергия, 1980.

7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учебник для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1978.перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1978.

8. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. М., «Советское радио», 1971.

9. Стивен Шухарт - младший: Об экологии информационных центров. – Сети и системы связи. Журнал о компьютерных сетях и коммуникационных технологиях №9(73), 15 сентября 2001.

10. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. Под ред. Б.Х. Кривицкого, В.Н. Дулина В 2-х томах. Том. 1. М., «Энергия», 1977

11. А.В. Каляев. Принципы организации многопроцессорных систем сверхвысокой производительности. // Микропроцессорные средства и системы.– 1984.– №2.

12. В.Л. Дунин-Барковский, А.Т. Терехин. Нейронные сети и нейропроцессоры: тенденции развития исследований и разработок. // Микропроцессорные средства и системы.– 1990. – №2.