Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 4. IEC 61000-4-X – семейство стандартов ЭМС

28 августа

телекоммуникацииавтоматизацияответственные примененияMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

В цикле статей Maxim Integrated о проектировании цифровых промышленных входов и выходов для приема сигналов дискретных датчиков/переключателей рассматривается возможность применения в этих разработках специализированных ИС Maxim.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых статей на тему ПЛК

В данной части руководства от компании Maxim Integrated рассказывается о требованиях к электромагнитной совместимости группы стандартов IEC 61000-4-X.

Международная Электротехническая Комиссия (МЭК, IEC) готовит и публикует стандарты, определяющие различные параметры электрического и электронного оборудования. В частности, МЭК разработала стандарты, устанавливающие требования электромагнитной совместимости (ЭМС), которым должны следовать производители оборудования. Основные стандарты ЭМС объединены в семейство IEC 61000-4-X. Существуют три стандарта, определяющих требования устойчивости устройств к быстрым помехам:

  • IEC61000-4-2 устанавливает требования устойчивости к статическим разрядам (отечественный аналог – ГОСТ Р 51317.4.2-99);
  • IEC61000-4-4 устанавливает требования к наносекундным импульсным помехам (отечественный аналог – ГОСТ Р 51317.4.4-99);
  • IEC61000-4-5 устанавливает требования к выбросам напряжения (отечественный аналог – ГОСТ IEC 61000-4-5).

Рассмотрим основные особенности этих стандартов.

IEC 61000-4-2 – требования устойчивости к электростатическим разрядам

IEC 61000-4-2 определяет устойчивость устройств к статическим разрядам, длительность которых лежит в диапазоне десятков наносекунд. Стандарт предъявляет более жесткие требования по сравнению с другими стандартами, например, Human Body Model (HBM) или Machine Model (MM), которые применяются по умолчанию для всех продуктов, выпускаемых компанией Maxim Integrated.

На рисунке 29 представлена схема испытаний, согласно IEC 61000-4-2.

Рис. 29. Схема испытаний устойчивости к электростатическим разрядам согласно IEС 61000-4-2

Рис. 29. Схема испытаний устойчивости к электростатическим разрядам согласно IEС 61000-4-2

Стандарт описывает два метода приложения разряда:

  • контактный разряд. Как следует из названия, в данном случае разрядный наконечник генератора напрямую контактирует с устройством;
  • воздушный разряд. При таком разряде непосредственный контакт между наконечником разрядного щупа и устройством отсутствует. Вместо этого щуп плавно подносят к устройству до тех пор, пока не произойдет воздушный разряд. Такой подход применяется в том случае, когда метод контактного разряда по каким-либо причинам использовать нельзя.

На рисунке 30 представлена фотография, на которой изображен пример выполнения испытания на устойчивость к электростатическим разрядам. Если проводится испытание с контактным разрядом, то используют острый наконечник разрядника, а выключатель является частью испытательного генератора. При использовании воздушного разряда применяется круглый наконечник.

Рис. 30. Испытание на устойчивость к электростатическим разрядам

Рис. 30. Испытание на устойчивость к электростатическим разрядам

IEC 61000-4-2 определяет форму и параметры испытательного импульса тока электростатического разряда (рисунок 31). Скорость нарастания тока очень высока и составляет 0,7…1 нс, второй пик импульса расположен на отметке 30 нс, а общая продолжительность импульса – всего 60 нс. Как уже было сказано выше, генератор статических разрядов имеет сменные наконечники: острый для контактного разряда и закругленный для воздушного.

Рис. 31. Типовая форма импульса разрядного тока

Рис. 31. Типовая форма импульса разрядного тока

Параметры проведения испытания устойчивости устройств к электростатическим разрядам представлены в таблице 4.

Таблица 4. Процедура тестирования ESD

Параметр Требования
Выходное напряжение До 8 кВ (номинал) для контактного разряда; до 15 кВ (номинал) для воздушного разряда
Полярность выходного напряжения Положительное и отрицательное
Выдержка Не менее 5 с
Число воздействий 10 разрядов для каждой полярности

IEC 61000-4-4 – требования устойчивости к наносекундным импульсным помехам

Наносекундные импульсные помехи (НИП) являются следствием дуговых разрядов, возникающих при размыкании контактов выключателей и реле. НИП являются распространенным явлением для условий промышленного производства, где электромеханические переключатели используются для коммутации различных индуктивных нагрузок. IEC 61000-4-4 определяет устойчивость к НИП не только линий электропитания, но и портов ввода/вывода. Для формирования импульсов используется генератор с номинальным сопротивлением 50 Ом. Нормирование параметров импульсов проводится с нагрузкой 50 Ом.

Импульсы перенапряжений подаются на вход испытуемого устройства пачками. Частота следования импульсов внутри пачки составляет 5…100 кГц. Длительность самой пачки примерно равна 15 мс, а период повторения пачек — 300 мс. Каждый импульс имеет экспоненциальную форму и характеризуется временем нарастания 5 нс и общей продолжительностью 50 нс. Форма испытательного сигнала и параметры пачек представлены на рисунке 32. Емкостные клещи обеспечивают возможность подачи НИП без какого-либо гальванического подключения к испытуемому устройству.

Рис. 32. Пачки наносекундных импульсных помех

Рис. 32. Пачки наносекундных импульсных помех

Проверка устойчивости микросхем входов/выходов производства Maxim Integrated к НИП проводится с использованием отладочных наборов. Параметры испытаний представлены в таблице 5.

Таблица 5. Параметры проведения испытания на устойчивость к наносекундным импульсным помехам (НИП)

Параметр Описание
Полярность Положительная и отрицательная
Испытательное напряжение До ± 4 кВ
Частота повторений импульсов в пачке 5 кГц
Длительность пачки импульсов 15 мс (при 5 кГц)
Период следования пачек импульсов 300 мс
Цепи приложения воздействия Входы и цепи питания
Длительность испытания 60 с

IEC 61000-4-5 – требования устойчивости к выбросам напряжения

Стандарт IEC 61000-4-5 устанавливает требования устойчивости линий питания и данных к наиболее жестким помехам, вызванным ударами молний и мощными переключениями. Помехи могут появляться из-за коммутаций в системе питания или из-за изменения нагрузки в сетях распределения электроэнергии, а также в результате возникновения коротких замыканий.

Мощные разряды воздействуют на оборудование либо напрямую, либо опосредованно через наведенные сигналы токов и напряжений. Стандарт МЭК 61000-4-5 определяет значения испытательных токов и напряжений, перечень используемого оборудования, организацию тестовых стендов, а также методику проведения испытаний.

Тестовый импульс формируется с помощью генератора, характеристики которого определены стандартом (в частности, напряжение и импеданс). В стандарте определяются две формы тестовых сигналов: импульс 1,2/50 мкс без нагрузки и импульс 8/20 мкс при коротком замыкании на выходе. Форма импульса напряжения холостого хода 1,2/50 мкс представлена на рисунке 33. Параметры проведения испытаний устойчивости микросхем входов/выходов производства Maxim приведены в таблице 6.

Рис. 33. Форма импульса напряжения холостого хода 1,2/50 мкс

Рис. 33. Форма импульса напряжения холостого хода 1,2/50 мкс

Таблица 6. Параметры проведения испытания на устойчивость к выбросам напряжения

Параметр Описание
Полярность Положительное и отрицательное
Испытательное напряжение До ± 4 кВ
Параметры сигнала Фронт 1,2 мкс. Длительность импульса по среднему значению 50 мкс
Цепи приложения воздействия Между входами, между входом и землей
Частота воздействия 1 раз в минуту

В таблице 7 обобщены результаты испытаний отладочной платы MAX22190EVKIT на устойчивость к различным типам помех.

Таблица 7. Результаты испытаний для MAX22190EVKIT

Испытание Результат, кВ
IEC 61000-4-2 – Электростатические разряды Контактный разряд ± 8
Воздушный разряд ± 15
IEC 61000-4-4 – Устойчивость к наносекундным импульсным помехам Входные линии ± 1
Линии питания ± 1
IEC 61000-4-5 – Испытание на устойчивость к выбросу напряжения Между входами ± 2
Между входами и землей ± 1

Испытательная установка

Организация тестового стенда, выполненного согласно стандартам IEC, показана на рисунке 34. Для проведения испытаний устойчивости к выбросам напряжения (IEC 61000-4-5) совместно с генератором используется устройство связи и развязки (УСР) с эквивалентным сопротивлением 40 Ом. При проведении испытаний устойчивости к НИП используются емкостные клещи.

Рис. 34. Испытательный стенд

Рис. 34. Испытательный стенд

Заключение

Промышленные устройства должны обеспечивать надежную работу и устойчивость к электромагнитным помехам. Требования к ЭМС регламентируются различными стандартами. Мы рассмотрели основные требования к ЭМС и методы проведения испытаний, описанные в стандартах IEC 61000-4-X: IEC 61000-4-2 – устойчивость к электростатическим разрядам (отечественный аналог – ГОСТ Р 51317.4.2-99), IEC 61000-4-4 – устойчивость к наносекундным импульсным помехам (отечественный аналог – ГОСТ Р 51317.4.4-99), IEC 61000-4-5 – испытание на устойчивость к выбросу напряжения (отечественный аналог – ГОСТ IEC 61000-4-5).

В пятой части данного цикла будут разобраны наиболее популярные способы защиты от помех, а также сделан краткий обзор отладочных средств для микросхем входов-выходов производства компании Maxim Integrated.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

    1. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 1. Цифровые входы
    2. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 2. Цифровые выходы
    3. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 3. Программируемые цифровые выходы

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX22190EVKIT# (MAX)
MAX22190ATJ (MAX)
MAX22190EVSYS# (MAX)
MAX22190PMB# (MAX)
USB2PMB2# (MAX)
USB2PMB1# (MAX)
MAX14483EVKIT# (MAX)
MAX14483AAP (MAX)
MAX14483AAP+ (MAX)
MAX12931BASA+ (MAX)
MAX12931BAWE+T (MAX)
MAX12931FASA (MAX)