Приложение D
(справочное)
D.1 Обзор процессов, вызывающих электромагнитные поля
D.1.1 Общие сведения
Форма импульса тока в настоящем стандарте, а также в его предыдущих изданиях установлена, исходя из того, что происходит электростатический разряд от человека, держащего в руке небольшой металлический предмет. Электростатический разряд от человека, а также разряд от испытательного генератора электростатических разрядов создают сильные электромагнитные поля.
Ниже рассмотрены подача разряда от человека, а также процесс, происходящий в испытательном генераторе электростатических разрядов.
D.1.2 Электростатический разряд от человека
При подаче электростатического разряда от человека на испытуемое ТС происходят следующие события:
a) при приближении металлического предмета, который держат в руке, к металлической поверхности испытуемого ТС до появления разрядного тока уже существует электростатическое поле. Тока нет (или есть очень небольшой), нет и магнитного поля;
b) при возникновении разряда между металлическим предметом в руке и испытуемым ТС электростатическое поле между ними ослабевает. Напряжение в дуге уменьшается от своего исходного значения до 25-40 В в течение 50 пс - 5 нс. Время уменьшения напряжения в дуге зависит от исходного значения напряжения, параметров дуги и других факторов. Первым шагом в череде событий, вызывающих сильные переходные электромагнитные поля, является первоначальное уменьшение напряженности электрического поля;
c) в металлическом предмете, находящемся в руке человека, и в ТС начинает возникать ток. Основной фронт тока распространяется со скоростью света и в течение времени, равного 0,8 нс, достигает руки человека. По мере дальнейшего распространения тока в испытуемом ТС и руке человека возникают отражения и потери из-за излучения и сопротивления, что приводит к сложной модели плотности тока как в испытуемом ТС, так и в теле человека;
d) по мере продолжения процесса передачи электростатического разряда составляющие тока с наивысшей частотой быстро затухают, в основном из-за излучения. Форма разрядного тока с увеличением времени становится более гладкой (с меньшим уровнем высокочастотных составляющих), и, наконец, тело человека входит в электростатическое равновесие с испытуемым ТС. Однако остаточный заряд на теле человека не может быть нулевым, так как дуга должна исчезнуть до того, как тело человека полностью разрядится. Если рука человека и металлический предмет продолжают приближаться к испытуемому ТС, может возникнуть повторный разряд при меньшем напряжении. Этот процесс приводит к последовательным электростатическим разрядам, каждый из которых характеризуется меньшим напряжением и более быстрым временем нарастания (частично из-за низкого напряжения);
e) во время каждого из последовательности разрядов наблюдатель будет отмечать повышенную плотность заряда в какой-либо точке руки, тела или испытуемого ТС до появления разряда, быстрое изменение разрядного тока во время фазы разряда и небольшой остаточный заряд после разряда;
f) изменяющаяся плотность заряда и изменяющиеся токи приводят к возникновению излучаемого электромагнитного поля. Характеристики поля в ближней зоне определяются непосредственно током и зарядом, для больших расстояний характеристики поля определяются производными тока и заряда. Измерения показывают, что переходные поля электростатического разряда для первых наносекунд возмущения достигнут условий поля в дальней зоне на расстоянии 10 см от дуги;
g) производные по времени тока и заряда будут оказывать большое влияние на нарушение функционирования электронных систем;
h) необходимо отметить, что при электростатическом разряде от человека производные тока и заряда определяются временем уменьшения напряжения в дуге. Таким образом, время нарастания тока электростатического разряда определяет высокочастотные компоненты электромагнитного поля.
Из вышесказанного следует, что переходные поля электростатического разряда "человек - металл" являются важной частью процесса электростатического разряда. При конструировании идеального испытательного генератора электростатических разрядов данные поля должны быть воспроизведены.
D.1.3 Испытательный генератор электростатических разрядов
Ниже рассмотрены процессы, происходящие в испытательном генераторе электростатических разрядов.
Поскольку большинство испытаний проводят в контактном режиме, обеспечивающем большую воспроизводимость, ниже рассматриваются испытательные генераторы, работающие в контактном режиме.
При подаче электростатического разряда имеют место следующие события:
a) разрядный наконечник испытательного генератора прикладывают к заземленной (в большинстве случаев) части испытуемого ТС;
b) конденсатор в генераторе электростатических разрядов заряжают до подачи разряда. Во многих моделях испытательных генераторов большая часть электростатического поля, появляющегося в результате процесса заряда, формируется внутри испытательного генератора. В результате электростатическое поле до разряда значительно меньше электростатического поля, измеренного в той же точке от человека, заряженного тем же напряжением;
c) разряд создается при замыкании реле внутри генератора электростатических разрядов. Конструкция специальных реле обеспечивает хорошую воспроизводимость форм разрядного тока. Однако из-за того, что реле является внутренним и не является точкой, в которой испытательный генератор соприкасается с испытуемым ТС, появление разрядного тока отличается от возникновения разряда от человека;
d) напряжение в реле уменьшается очень быстро (менее чем за 100 пс), что приводит к распространению тока от реле по всем направлениям и на все контактирующие металлические части и другие металлические части, находящиеся поблизости. Ток распространяется со скоростью света (в диэлектриках с меньшей скоростью). Время нарастания тока равно времени уменьшения напряжения;
f) время уменьшения напряжения составляет менее 100 пс, но в настоящем стандарте требуется, чтобы время нарастания тока было равно (0,8±0,2) нс при измерении в точке контакта с целью. Для этого испытательные генераторы электростатических разрядов конструируют так, чтобы увеличить время нарастания тока от очень небольшого в реле до стандартизованного значения в разрядном наконечнике;
g) переходные электромагнитные поля вызываются производными по времени всех токов и производными по времени плотности заряда. Необходимо отметить принципиальную разницу электростатических разрядов от испытательного генератора и от человека с металлическим предметом в руке. Для разряда от человека нарастание тока в дуге представляет собой кратковременный процесс, который и определяет спектр переходных электромагнитных полей. Однако для испытательного генератора электростатических разрядов в контактном режиме высокочастотный спектр определяется не временем нарастания тока в разрядном наконечнике, а временем уменьшения напряжения в реле;
h) учитывая то, что все изменяющиеся токи в испытательном генераторе вызывают появление переходных электромагнитных полей, следует отличать переходные поля, создаваемые изменяющимися токами в реле длительностью 100 пс, от переходных полей, вызываемых изменяющимися токами в точке разряда длительностью (0,8±0,2) нс. Переходные поля, вызываемые быстрыми токами в испытательном генераторе, являются, как правило, нежелательными, т.к. они приводят к появлению высокочастотных составляющих поля, отсутствующих при эквивалентном разряде от человека с теми же значениями времени возрастания тока в точке разряда.
Вклад быстрых процессов в образование переходных электромагнитных полей в значительной степени зависит от конструкции испытательного генератора. Данные электромагнитные поля могут быть подавлены или могут доминировать при испытаниях в зависимости от применяемого испытательного генератора. К сожалению, требования к данным переходным электромагнитным полям в настоящем стандарте не установлены, в результате чего влияние переходных полей на функционирование испытуемого ТС может сильно зависеть от конкретного испытательного генератора.
D.2 Реакции испытуемых ТС на воздействие электростатических разрядов
Во время испытаний на устойчивость к электростатическим разрядам проверяют реакции испытуемых ТС при различных электрических воздействиях.
К ним относятся:
- напряжение, способное вызвать пробой диэлектрика;
- явления вторичного пробоя в зазорах, удаленных от точки инжекции;
- падения напряжения, вызванные протеканием токов в сопротивлениях;
- магнитные поля, вызываемые изменениями тока (пропорциональные 
);
- магнитные поля, вызывающие наведенные напряжения;
- электрические поля, вызывающие наведенные напряжения, которые могут быть полями дальней и ближней зон.
Учитывая, что электростатический разряд представляет собой совокупность воздействующих факторов, испытания на устойчивость к ЭСР отличаются в этом отношении от испытаний на устойчивость к электромагнитному полю.
Ниже приведены некоторые примеры нарушений функционирования испытуемых ТС в результате воздействия электростатических разрядов:
- разряд на разъем соединителя, вызывающий разрушение интегральной схемы.
В данном случае порог разрушения определяется энергией, передаваемой интегральной схеме, максимальным током или зарядом передающимся через интегральную схему;
- разряд через зазор в пластиковом корпусе, в результате которого искра достигает интегральной схемы.
В данном случае испытание электростатическим разрядом определяет возможность пробоя диэлектрика через трещину в пластике;
- разряд на шасси, вызывающий сбой в системе, установленной в шасси. В данном случае переходные поля при электростатическом разряде, воздействующие на провода, разводку или непосредственно на интегральные схемы, вызывают появление напряжений или токов, которые могут нарушить логические функции оборудования.
Связь разрядного тока в испытательном генераторе электростатических разрядов с возникающими при этом электромагнитными полями определяется, прежде всего, значением производной разрядного тока по времени. В дальнейшем связь между возникшими электромагнитными полями и проводом, разводкой или интегральной схемой в испытуемом ТС будет зависеть от скорости изменений электрического и магнитного полей. При этом влияние производных по времени процессов, протекающих при создании электромагнитных полей и индукции, приводит к различию форм импульса разрядного тока и наведенных напряжений в проводах и разводке. Как правило, наведенные напряжения имеют меньшую ширину полосы частот в сравнении с полосой частот разрядного тока испытательного генератора.
Из-за зависимости характеристик переходных электромагнитных полей от конструкции отдельных испытательных генераторов электростатических разрядов (особенно в части составляющих поля на частотах свыше 300 МГц) можно полагать, что наведенные токи в разводке, проводах или в интегральных схемах также будут в значительной степени зависеть от конструкции испытательного генератора. Различия параметров наведенных токов могут привести к разбросу результатов испытаний (связанных в большинстве случаев с нарушением функционирования систем, но не с их разрушением), если одно и то же испытуемое ТС испытывают с применением различных испытательных генераторов электростатических разрядов и если изготовитель испытательного генератора не предпринял мер по уменьшению нежелательной составляющей электромагнитных полей, вызываемых быстрым снижением напряжения в реле. Необходимо отметить, что различия результатов испытаний могут быть, прежде всего, при восприимчивости испытуемых ТС к высокочастотным электромагнитным полям (на частотах свыше 1 ГГц).
D.3 Переходные поля при воздействии электростатических разрядов
В настоящем подразделе приведены результаты измерений переходных электрических и магнитных полей электростатических разрядов от металлического предмета в руке человека при напряжении 5 кВ. Идеальный испытательный генератор электростатических разрядов должен создавать такие же поля при испытаниях в контактном режиме с напряжением 5 кВ. Результаты измерений получены с применением широкополосных сенсоров поля (при неравномерности частотной характеристики ±1 дБ в полосе частот 1,5 МГц - 1,5 ГГц), размещенных на вертикальной опорной пластине на расстоянии 0,1 м от точки разряда (положения цели).
Результаты измерений напряженности электрического поля представлены на рисунке D.1.
Рисунок D.1 - Зависимость от времени напряженности электрического поля при электростатическом разряде от человека, держащего металлический предмет, заряженный до напряжения 5 кВ. Измерения на расстоянии 0,1 м при длине дуги 0,7 мм и времени нарастания силы тока 850 пс
Время уменьшения напряженности электрического поля на рисунке D.1 соответствует времени нарастания тока разряда.
Результаты измерений напряженности магнитного поля представлены на рисунке D.2.
Рисунок D.2 - Зависимость от времени напряженности магнитного поля при электростатическом разряде от человека, держащего металлический предмет, заряженный до напряжения 5 кВ. Измерения на расстоянии 0,1 м при длине дуги 0,5 мм и времени нарастания силы тока 500 пс
Зависимость напряженности магнитного поля от времени на рисунке D.2 повторяет форму тока разряда.
Возможной проблемой испытательных генераторов электростатических разрядов являются колебания при возрастании тока разряда (называемые также "звоном"). Кроме того, переходные поля от испытательных генераторов электростатического разряда могут отличаться от полей, вызванных разрядом "человек - металл" в зависимости от ориентации датчика поля относительно испытательного генератора и заземляющего провода.
D.4 Наведенное напряжение в малой петле
При возникновении переходных полей электростатического разряда происходит процесс наведения напряжения в трассировке печатных плат. Для измерения наведенных напряжений применяют метод "малой петли". При использовании малой петли, размещаемой на пластине заземления, измерения высокочастотной составляющей переходных полей можно провести так, чтобы не потребовалась калибровка широкополосных сенсоров поля и результаты измерения отражали процесс индукции напряжений в проводниках более четко, чем результаты измерения параметров электромагнитного поля. Испытательная установка представлена на рисунке D.3.
Рисунок D.3 - Полукруглая петля на пластине заземления
Зависимость от времени наведенного напряжения, вызванного электростатическим разрядом "человека - металл" при напряжении 5 кВ с временем нарастания силы тока 850 пс, представлена на рисунке D.4. При измерениях применялась полукруглая петля радиусом 14 мм, диаметром провода 0,7 мм, размещенная на расстоянии 0,1 м от испытательного генератора электростатических разрядов. Длина дуги равна 0,8 мм; полукруглая петля нагружена сопротивлением 50 Ом.
Рисунок D.4 - Зависимость от времени напряжения, наведенного электростатическим разрядом в полукруглой петле
D.5 Измерение излучаемых полей, вызванных электростатическими разрядами, с помощью коммерческих сенсоров поля
Измерения излучаемых электрических и магнитных полей, вызванных электростатическими разрядами, могут быть проведены с помощью коммерческих сенсоров поля.
Пример установки для измерения излучаемых полей приведен на рисунке D.5.
Рисунок D.5 - Пример установки для измерения излучаемых электрических и магнитных полей электростатических разрядов
Для измерения электрических и магнитных полей с применением установки по рисунку D.5 используют:
- цифровой запоминающий осциллограф с шириной полосы не менее 2 ГГц;
- набор коммерческих сенсоров магнитного поля (малая петля с экраном для исключения влияния электрических полей) и электрического поля (несимметричный однополюсный вибратор);
- коаксиальный кабель сопротивлением 50 Ом;
- испытательный генератор электростатических разрядов.
Измерения следует проводить в экранированном помещении (если окружающая обстановка не создает существенных помех, применение экранированного помещения не требуется). Напряжение испытательного генератора должно быть 5 кВ. Разрядный ток измеряют с использованием датчика тока, соответствующего требованиям приложения С. Разрядный ток сравнивают с опорной формой тока. Цифровой осциллограф располагают в экранированной камере.
Сенсоры поля соединяют с осциллографом коаксиальным кабелем сопротивлением 50 Ом, проходящим через ребро экранированного кожуха, как показано на рисунке D.5. Коаксиальный кабель должен быть расположен так, чтобы не подвергаться влиянию излучаемых полей (для этого неэкранированный коаксиальный кабель размещают возможно ближе к экранированному кожуху, экран экранированного кабеля соединяют с кожухом).
С использованием осциллографа измеряют напряжение на сопротивлении 50 Ом. Электростатический разряд подают в контактом* режиме на большую поверхность экранированного корпуса. Испытательный генератор электростатических разрядов сдвигают при подаче разрядов, с тем чтобы измерить излучаемые поля на различных расстояниях от сенсоров.
________________
* Текст соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.
Электрическое и магнитное поле, вызванное электростатическими разрядами, рассчитывают с учетом измеренного наведенного напряжения в нагрузке сенсора. Для этого:
- измеряют с помощью цифрового осциллографа напряжение 
на нагрузке 50 Ом, наведенное излучаемыми полями, создаваемыми испытательным генератором;
- с использованием преобразования Фурье рассчитывают спектральную плотность 
напряжения ;
- рассчитывают или измеряют передаточную функцию 
используемого сенсора тока;
- рассчитывают зависимость от времени напряженности электрического 
и магнитного 
полей как обратное преобразование Фурье 
.
Некоторые результаты вычислений приведены на рисунках D.6 и D.7. Данные числового моделирования используют для проверки процедуры вычисления напряженности магнитного поля исходя из данных измерения напряжения в петлевом сенсоре.
Рисунок D.6 - Сравнение измеренного (сплошная линия) и вычисленного (пунктирная линия) напряжений в петлевом сенсоре (электростатический разряд на расстоянии 45 см от сенсора)
Рисунок D.7 - Сравнение значений напряженности магнитного поля, вычисленных по результатам измерений напряжения в петлевом сенсоре (сплошная линия) и методом числового моделирования (пунктирная линия) (электростатический разряд на расстоянии 45 см от сенсора)