Курсовая работа: Защита информации от утечки по цепям питания
Рис. 2 Типовая схема сетевого фильтра питания
Рассмотрим ее более подробно. По схеме: сразу на входе фильтра стоит устройство VDR1 — варистор. Его основная задача — подавить высоковольтные выбросы напряжения сети. При появлении такого выброса электрическое сопротивление варистора резко падает, и он «замыкает» на себя эту помеху, не позволяя ей пройти дальше. Но особенность в том, что варисторы, обычно устанавливаемые в промышленных фильтрах, начинают «работать» с напряжения 275–300 В (среднее значение), 350–385 В (максимальное напряжение срабатывания) (из паспортной характеристики варисторов).А для фильтрации таких помех, напряжение которых находится в пределах 230–300 В, обычно используют LC-фильтры, то есть электрические цепи, состоящие из индуктивностей (L) и емкостей (C). На нашей схеме это специальный дроссель Tr1 и емкости С1, С2, С3. Это так называемые реактивные элементы, сопротивление их постоянному току (или току низкой частоты) одно, а току высокой частоты — совершенно другое (отличающееся на порядки). А так как частота импульсной помехи во много раз больше частоты сети питания (50 Гц), то становится ясно, что нужно сделать так, чтобы ток сети питания свободно прошел через фильтр, а вот все высокочастотные добавки (импульсные помехи) были задержаны. Именно так и сделано — сопротивление LC-фильтра резко возрастает с увеличением частоты тока, и таким образом происходит задержка помехи. Так как сеть питания в данном случае трехпроводная, помехи могут возникать не только между сетевыми проводами («фазой» и «нулем») — их «фильтрует» емкость С3, но и между «фазой» и «землей», а также возможны помехи «ноль» — «земля». Для эффективного подавления таких помех и необходимо наличие физического заземления, а в фильтре — наличие фильтрующих емкостей С1 и С2. Они замыкают на себя высокочастотные помехи такого рода и не позволяют им пройти внутрь защищаемого аппарата.
Еще один важный момент. В случае отсутствия заземляющего контакта (или плохого контакта) помехи типа «фаза» — «земля» и «ноль» — «земля» физически задерживаться не могут — это одна сторона медали. А другая — при отсутствии земли общая точка емкостей С1 и С2 получается в воздухе, что приводит к созданию ими и дросселем Tr1 паразитного колебательного контура, который начинает излучать высокочастотное электромагнитное поле, становясь источником потенциальной опасности для расположенной рядом радиоаппаратуры, ну и пользователя. Поэтому применение практически любых сетевых фильтров в таких случаях нецелесообразно — тут нужен фильтр проще.
Все промышленные образцы более чем разные и по функциональному назначению, и по электрическим схемам.
А поскольку, как уже говорилось выше, все импульсные помехи в сети питания, представляющие максимальную опасность, носят высокочастотный характер, то для оценки подавляющей способности фильтра построена его амплитудно-частотная характеристика. Из этого графика хорошо видно, насколько подавляются различные частоты. Помехи длительностью 1—10 микросекунд (10 -6с) — типичные коммутационные импульсные помехи, лежат в частотной области около 1 МГц (106 Гц) и выше. Таким образом, если исследуемый фильтр задерживает частоты свыше 100 КГц, то он не пропустит и короткие импульсные помехи.
Хорошо видно, что чем выше частота помехи, тем эффективнее она подавляется. В реальных фильтрах — тот же процесс, только где-то лучше, где-то хуже. Естественно, если «фильтр-удлинитель» как такового электрического фильтра не имеет, то никакие частоты не подавляются, и получается такая картина.
Незначительное подавление высокочастотных составляющих происходит за счет образования «естественного» фильтра, образованного индуктивностью кабеля питания и емкостью монтажа, то есть схема такого «фильтра» выглядит так.
Здесь L0, Lф, Lз — соответственно индуктивности проводов «нуля», «фазы» и «земли», а С ф-з, С0-з, Сф-0 — емкости монтажа (блока розеток).
Существует целый класс сетевых фильтров, у которых заземляющий провод не имеет никаких контактов с внутренней схемой, кроме самих евророзеток. Этим достигается очень важное преимущество — при работе от сети с заземлением все розетки фильтра заземлены. Но и в случае отсутствия «земли» в розетке (типичный случай советской сети питания) все розетки фильтра объединены между собой по заземляющему контакту (сам фильтр при этом не заземлен). Чтобы разобраться, почему это очень важно представлять, представим схему подключения различной периферии к компьютеру — типичный случай для подключения принтера, сканера, внешнего звукового усилителя или телевизора для просмотра видео на большом экране. Итак, схема выглядит следующим образом.
Это «идеальная» схема подключения периферии — здесь все подключено к заземленной сети питания, потенциалы (напряжения) корпусов устройств одинаковые — они равны 0, поскольку подключены к «земле». Даже в случае возникновения пробоя или повреждения изоляции любого из устройств (даже при обычной работе потенциалы внешних устройств могут и, как правило, существенно отличаются от нуля) «лишнее» напряжение уйдет на землю, и все будет в порядке. А теперь представим схему соединений в случае использования сети без заземления. Она будет намного проще.
Как видно, эта схема похожа, за исключением провода заземления. В этом случае при разности потенциалов компьютера и внешнего устройства, единственной связью потенциалов корпусов устройств является слаботочный интерфейсный кабель (а точнее его экранирующая оплетка). Это опасная ситуация, поскольку сквозные токи, текущие от большего потенциала к меньшему, могут «легко» выжечь входные и выходные порты соединенных устройств. Таких случаев на самом деле имеется великое множество: самый распространенный — это выгорание входа или выхода звуковой карты, например в случае подключения ее к внешнему источнику или усилителю звука. Далее предложена схема подключения этих устройств к «европейскому» фильтру-удлинителю, не подключенному к внешней «земле».
Даже при отсутствии связи с реальной «землей» электрические потенциалы всех устройств выровнены, поскольку их корпуса надежно соединены между собой. В этом случае сквозные токи выберут себе более легкий путь через заземляющие контакты евророзеток, и ничего страшного не произойдет.
2.1.1.2 Варистор
Варистор — полупроводниковый резистор. Варистор — элемент нелинейный, его сопротивление зависит от приложенного к его выводам напряжения: чем выше напряжение, тем ниже сопротивление. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, то есть к нему приложено то же напряжение, что и к защищаемому устройству. При нормальном напряжении в сети питания и отсутствии импульсных помех ток, проходящий через варистор, очень мал, и им можно пренебречь, и в такой ситуации варистор можно считать изолятором. Если в сети питания возникает импульс высокого напряжения (напряжение импульса может быть выше 6000 В в течение короткого промежутка времени (длительность импульса 10−6 — 10−9 с), то сопротивление варистора резко падает, и он преобразует электрическую энергию импульса в тепловую, чем защищает включенные в сетевой фильтр приборы, в этот момент через варистор может протекать ток силой в несколько тысяч ампер.
2.1.1.2.1 Изготовление
Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника — преимущественно порошкообразного карбида кремния SiC или оксида цинка ZnO, и связующего вещества (глина, жидкое стекло, лаки, смолы и др.). Далее поверхность полученного элемента металлизируют и припаивают к ней выводы.
Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и плёночные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.
2.1.1.2.2 Свойства
Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.
Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности л — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению Rd:
,
где U и I — напряжение и ток варистора.
Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.
Температурный коэффициент сопротивления варистора — отрицательная величина.