Помехоподавляющие изделия. рекомендации по выбору и применениюБландова Екатерина Сергеевна, доктор технических наук ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИЕ ИЗДЕЛИЯ. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ И ПРИМЕНЕНИЮ. Важнейшим условием защиты информации в технических средствах является создание специализированной базы технологических компонентов помехоподавляющих изделий, необходимых для принятия схемотехнических мер по минимизации паразитных генераций и побочных излучений на этапе разработки любого электронного устройства. Побочные излучения обусловлены тем, что в генераторных, усилительных и других функциональных каскадах электронных устройств могут возникать паразитные генерации и наводки. Если при разработке аппаратуры не принять мер подавления указанных процессов непосредственно в местах их возникновения, создаются условия для устойчивого генерирования, усиления и возникновения побочных излучений, уровень которых может превышать нормы допустимых радиопомех. Наличие в устройстве паразитных сигналов приводит к возрастанию сквозных токов, повышению потребляемой мощности и, в конечном счете, выходу из строя изделий микроэлектроники. Излучения от устройств электронно-вычислительной техники модулированы полезным сигналом, существуют в виде полезных гармоник в широком диапазоне частот, распространяются как кондуктивно, так и в виде излучаемых электромагнитных помех и несут в себе сигнал с тем же информационным содержанием, что и обрабатываемые сигналы. Такие излучения могут быть приняты и выведены на экран монитора аппаратуры перехвата. Устройства средств вычислительной техники могут быть как источником, так и рецептором – устройством, восприимчивым к внешним электромагнитным помехам, и могут служить переизлучателем этих помех. Побочные излучения и кондуктивные помехи создают каналы утечки информации, обрабатываемой в технических средствах. Технические меры борьбы с электромагнитными помехами включают в себя меры подавления паразитных генераций – источников побочных излучений, экранирование аппаратуры от внешних электромагнитных полей и фильтрацию кондуктивных помех. Подавление источника помехи осуществляется оптимальным конструированием электрических схем и разводкой печатных плат с учетом требований по минимизации паразитных генераций, создаваемых внутренними элементами устройства и схемотехникой. Эти меры включают уменьшение числа заземленных контуров, развязку цепей электропитания, устранение излучающих проводников, реконструкцию или устранение особенно шумящих (генерирующих) цепей. Экранирование является конструктивным средством ослабления любых излучений и имеет большое значение как с точки зрения требований по восприимчивости к помехам, так и по предотвращению излучений паразитных генераций. Экранирование может быть осуществлено применением металлических экранов, напылением проводящего материала на внутреннюю поверхность пластмассовых корпусов, экранированием проводов, локальным экранированием шумящих цепей и узлов, и практически заключается в локализации электромагнитной энергии, создаваемой источником поля. Однако технические решения с применением сплошного экранирования доступными приемлемыми способами осуществить практически невозможно, также как невозможно устранить кондуктивные помехи в проводниках, которые присоединены к внешним источникам, без создания дополнительных условий ослабления помехи на обоих концах кабеля электропитания, сигнальных цепей интерфейса, на входных и выходных контактах электрической схемы и внутри той части сигнальной цепи, которая может служить антенной для приема (или излучения) сигналов помехи. Фильтрация является основным и эффективным средством подавления (ослабления) кондуктивных помех в цепях электропитания, в сигнальных цепях интерфейса и на печатных платах, в проводах заземления. Помехоподавляющие фильтры позволяют снизить кондуктивные помехи, как от внешних, так и от внутренних источников помех (рис. 1).
1. Электромагнитные помехи (ЭМП)
от различных радиоэлектронных устройств. Применение помехоподавляющих элементов позволяет оптимизировать схемотехнические и конструкторско-технологические решения с целью минимизации или полного устранения паразитных генераций и побочных излучений, снизить восприимчивость аппаратуры к внешним электромагнитным полям и импульсным сигналам, устранить возможные каналы утечки информации. Повышается надежность и помехозащищенность аппаратуры, снижается ее металлоемкость, улучшаются массогабаритные и стоимостные показатели. Основные сведения о помехоподавляющих фильтрах В соответствии с расположением полосы
пропускания фильтра относительно полосы
помехоподавления в частотном спектре различают
четыре класса помехоподавляющих фильтров (рис. 2): Для решения конкретных задач по обеспечению надежности функционирования, совместимости, помехозащищенности аппаратуры и других традиционных задач электромагнитной совместимости (ЭМС) чаще всего используются полосовые и режекторные фильтры. Для целей обеспечения помехозащищенности информационных сигналов и защиты информации, обрабатываемой в технических средствах, от утечки по каналам побочных электромагнитных излучений и наводок, как правило, используются широкополосные LC-фильтры нижних частот, а также ферритовые помехоподавляющие изделия, комплектные кабельные изделия с элементами защиты и элементы защиты средств отображения информации (просветные электромагнитные фильтры - экраны) и др. Возможно применение активных фильтров на основе микросхем (операционных усилителей). Это может быть целесообразно в тех случаях, когда пассивные LC-фильтры становятся очень громоздкими при понижении частоты среза до звуковых частот, когда даже при выборе относительно малой емкости (например, 0,01 мкФ) дроссель становится несоизмеримо большого размера и массы. В активном фильтре операционный усилитель преобразует импеданс подключаемой к нему RС-цепи так, что устройство ведет себя как индуктивность. Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики помехоподавляющих фильтров. Выбор типа фильтра Выбор необходимого типа фильтра зависит от электрической характеристики системы, в которую он должен быть установлен, требований по эффективности подавления помех, в том числе частоты среза и верхней предельной частоты ослабления, т.е. частотных характеристик фильтруемой цепи, а также требований, определенных условиями эксплуатации и от реальных ограничений по установке фильтра в аппаратуре. Все эти факторы увязываются с электрическими характеристиками фильтра. Основные критерии выбора помехоподавляющего фильтра показаны на рис. 3. Конфигурация электрической схемы фильтра выбирается из следующих соображений. Фильтр С-типа представляет собой фильтр с малой индуктивностью, работающий как проходной конденсатор, шунтирующий помеху на землю. Хорошо работает при высоких импедансах источника и нагрузки. Выше частоты среза крутизна характеристики вносимого затухания составляет 20 дБ на декаду. Следует избегать использования этого фильтра в цепях, в которых возможны перенапряжения или нестационарные процессы. Фильтр Г-типа следует применять там, где импедансы источника и нагрузки существенно различны. Индуктивность должна быть обращена к низкоомной цепи. Выше частоты среза крутизна характеристики вносимого затухания составляет 40 дБ на декаду. Фильтр П-типа имеет два проходных конденсатора, шунтирующие помеху на землю, и индуктивность между ними. Такой фильтр представляет собой высокое сопротивление по переменному току как для источника, так и для нагрузки. Больше всего подходит для применения в цепях с высокими, относительно равными по величине импедансами источника и нагрузки. Выше частоты среза крутизна характеристики вносимого затухания составляет 60 дБ на декаду. Фильтры 2П-типа, 2Т-типа и другие применяются в условиях, сходных с условиями применения фильтров П- и Т-типа, но где предъявляются более высокие требования к характеристикам фильтра или требуется эффективное подавление помех в нижней части рабочего диапазона частот до 10 кГц. Применяются многоэлементные композиции из 5-ти и более индуктивностей и проходных конденсаторов. Большая крутизна характеристики вносимого затухания в таких фильтрах требуется для того, чтобы не допустить вносимого затухания на частотах сетей электропитания, а также в линейных фильтрах, предназначенных для телефонных линий и линий передачи данных. Структуры типа С, П и 2П дают возможность достижения более высокого вносимого затухания в тех случаях, когда сопротивление источника и нагрузки более 50 Ом. Структуры Т и 2Т дают возможность достижения более высокого вносимого затухания в тех случаях, когда сопротивления источника и нагрузки меньше 50 Ом. При необходимости в электрическую схему сетевых фильтров могут включаться элементы подавления нестационарных процессов. Если фильтр будет использоваться в основном в сети переменного тока, то имеются требования по максимально допустимому току утечки. Если фильтр будет использоваться в основном в цепи постоянного тока, то он выбирается на соответствие напряжению при постоянном токе. При вероятности возникновения перенапряжений, выбросов тока и других нестационарных процессов на кабелях электропитания, рекомендуется на входе фильтра ставить индуктивность (звено Г или Т), которая будет в какой-то мере ослаблять возможные выбросы напряжений, обеспечивая определенную степень защиты конденсатора, как более чувствительного к нестационарным процессам элемента.
Рис. 3. Критерии выбора схемы помехоподавляющего фильтра Помехоподавляющие фильтры выпускаются как зарубежными фирмами, так и предприятиями отечественной промышленности. Зарубежные фирмы производят помехоподавляющие изделия по всей существующей номенклатуре: по току нагрузки (0,5...100 А), рабочему диапазону частот (0,01 МГц...10 ГГц), затуханию (20...100 дБ), температуре окружающей среды (-25°C...+85°C) и т.д. (см. табл. 1). Причем фильтры, выпускаемые зарубежными фирмами (Siemens, TDK, Corcom, Sprague, Timonta, Murata и многими другими), отличаются конструктивным разнообразием корпусов (цилиндрической и прямоугольной формы) и выводов (заземление в виде цапфы, с отдельным земляным или планарным выводом, а также с выводом в виде разъема). Стандартные помехоподавляющие фильтры, выпускаемые зарубежными фирмами для сети 50 Гц 250 v Таблица 1
Предприятиями электронной промышленности РФ выпускаются: - сетевые помехоподавляющие фильтры
корпусные; Среди сетевых помехоподавляющих фильтров (СПФ), выпускаемых отечественной промышленностью, получили распространение фильтры, параметры которых приведены в табл. 2. Эти фильтры представляют собой n-звенные пассивные LC-фильтры, выполненные в герметичных металлических корпусах. Соединение входа-выхода фильтра с электросетью и нагрузкой осуществляется с помощью проходных контактов, состоящих из вывода, запрессованного в изолирующую втулку. Наружные металлические детали фильтра защищены от коррозии гальванопокрытием. Почти все типы фильтров, приведенные в табл. 2, залиты эпоксидньм компаундом и рассчитаны на жесткие условия эксплуатации с гарантированным сроком не менее 5 лет со дня изготовления. В отличие от ранее разработанных фильтров (типов ФП, ФПВЧ, ФПС и др.) в этих фильтрах при синтезе их частотных характеристик были использованы паразитные параметры элементов и дроссели на составных магнитопроводах, что позволило значительно улучшить их удельно-объемные и удельно-весовые характеристики. Кроме того, разработанные для однофазной двухпроводной сети, они нашли широкое применение и в других сетях. На рис. 4 и 5 представлены схемы включения фильтров типа ФПБМ в трехфазную сеть как с заземленной, так и с изолированной нейтралью. Раздел условий эксплуатации технических условий разрешает использование этих фильтров как на переменном (50 Гц, 220В), так и на постоянном (12...120 В) токе, а удовлетворительная работа их в параллельном режиме позволяет расширить токовой диапазон до 100А.
Указанные фильтры прошли специальные исследования в соответствии с регламентирующими документами Гостехкомиссии России, соответствуют предъявленным специальным требованиям и могут быть использованы как вспомогательные технические средства в выделенных помещениях I, II и III категорий, где циркулирует секретная информация в речевой форме, и установлены технические устройства, обрабатывающие секретную информацию. Сетевые помехоподавляющие фильтры отечественного производства Таблица 2
Выводы 1. Сетевые помехоподавляющие фильтры
один из основных способов подавления
кондуктивных помех в цепях электропитания, в
сигнальных цепях интерфейса, на печатных платах,
в проводах заземления. Литература 1. Catalog EEM, 1990 (p. 70) 2. Каталог помехоподавляющих фильтров 3. Бландова Е.С., Мещеряков Ю.И., Сереженко И.И. Помехоподавляющие изделия электронной техники//Электронная промышленность, № 2, 1997, стр. 44 – 48 4. Бландова Е.С., Сереженко И.И. Помехоподавляющие изделия, выпускаемые электронной промышленностью России//Электронная промышленность, № 4,2000 5. Каталоги фирм Siemens (p. 400), Schaffher (p. 48), TDK (p. 17), Spectrum Control Inc (p. 43), Corcom (p. 120), Curtis (p. 30). |