Утечка информации по цепям питания и заземления

Заземлением называется преднамеренное соединение объекта с заземляющим устройством, осуществляемое путем создания системы проводящих поверхностей и электрических соединений, предназначенных для выполнения различных функций [13, 14].

Одной из причин попадания опасного сигнала в систему заземления является наличие электромагнитного поля ‑ носителя опасного сигнала в местах расположения элементов системы. Это электромагнитное поле будет наводить в расположенной поблизости системе заземления ток сигнала.

Проникновение опасного сигнала в цепи заземления может быть связано с образованием так называемых контуров заземления. Рассмотрим два устройства, соединенные парой проводников, один из которых является сигнальным, а другой служит для протекания обратных токов (рисунок 4.7).

Пусть возвратный проводник соединен с корпусом первого (I) устройства, а корпус – с землей. Если этот проводник соединен с корпусом второго (II) устройства, также имеющего электрический контакт с землей (соединение 2' – 3'), то образуется замкнутый проводящий контур 2 – 2' – 3' – 3 – 2. Внешнее электромагнитное поле источника опасного сигнала наводит в этом контуре ЭДС, вызывая протекание тока I_ос, который, в свою очередь, создает на участке 2 – 3 падения напряжения U_ос (опасного сигнала) равное

где Z₂₃ – сопротивление участка цепи 23.

Рисунок 4.7 – Образование контуров заземления между двумя устройствами

Если отсутствует проводник 2' – 3' или соединение проводника 2 – 2' с корпусом второго устройства, то возможность образования контура заземления полностью не исключается. В этих случаях контур может состоять из проводников 2 – 2', 3 – 3', земляной шины и паразитных емкостей между сигнальной цепью и корпусом второго устройства С₂, а также между корпусом второго устройства и землей С₂₃.

Еще одна причина появления опасного сигнала в цепи заземления связана с конечным значением величины сопротивления заземляющих проводников. По заземляющему проводнику протекает обратный электрический ток опасного сигнала (рисунок 4.8).

Из-за конечного сопротивления R_з земляной шины на этом сопротивлении создается падение напряжения:

(4.6)

где U_C – напряжение источника сигнала; R_C1, R_C2 – внутреннее сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки соответственно.

При :

(4.7)

Рисунок 4.8 – Утечка информации за счет падения напряжения на сопротивлении заземляющего устройства

Напряжение опасного сигнала в цепи заземления будет тем больше, чем больше величина сопротивления Rз.

Утечка информации по цепям заземления может также происходить вследствие того, что общая земля служит обратным проводом для различных контуров. Рассмотрим ситуацию, представленную на рисунок 4.9.

В этом случае для двух различных контуров – сигнального и постороннего – общая земля является обратным проводом с эквивалентным сопротивлением Rз.

Рисунок 4.9 – Утечка информации по общей цепи заземления двух различных устройств

На эквивалентном сопротивлении земли Rз возникает падение напряжения за счет протекания обратного тока опасного сигнала −Ic, равное:

при Rз << RС1 + RС2 ,

(4.7)

где R_C1, R_C2 – внутреннее сопротивление источника опасного сигнала Uс и сопротивление нагрузки в цепи сигнального контура.

На сопротивлении нагрузки R₂ постороннего контура имеет место падение напряжения Uос, вызванное протеканием обратного тока опасного сигнала −I_с по общей цепи заземления, которое равно

при Rз<< R1 + R2 ,

(4.8)

где R₁ – внутреннее сопротивление источника напряжения U₂ в цепи постороннего контура. Подставляя (4.7) в (4.8), получим выражение для определения величины падения напряжения опасного сигнала на нагрузке постороннего контура

(4.9)

Возможность утечки информации, связанная с цепями заземления, обусловлена также наличием электромагнитного поля опасного сигнала в грунте вокруг заземлителя. Из-за большого затухания, вносимого грунтом, магнитное поле в землю практически не проникает. Электрическое поле в земле определяется величиной потенциала заземлителя и параметрами грунта, где происходит растекание тока опасного сигнала. С помощью дополнительных заземлителей можно осуществить перехват опасного сигнала (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 – Утечка информации по цепям заземления, обусловленная наличием электромагнитного поля в грунте

Провода общей сети питания распределяются по помещениям, где расположены технические системы, и соединены с различными устройствами. Вследствие этого образуется нежелательная связь между отдельными техническими средствами. Кроме того, провода сети питания являются линейными антеннами, способными излучать или воспринимать электромагнитные поля. На практике значительная часть нежелательных наводок между удаленными друг от друга устройствами происходит с участием сети питания. На рисунке 4.11 представлены действительная и эквивалентная схемы нежелательной асимметричной связи двух устройств, питающихся от общей сети.

На рисунке 4.12 показан прием опасного сигнала через сеть питания, в которой наводятся напряжения за счет электромагнитного поля, излучаемого техническими средствами, а на рисунке 4.13 показано излучение опасного сигнала через цепи питания источника наводки.

а – действительная схема	б – эквивалентная схема
Рисунок 4.11 – Нежелательная асимметричная связь двух устройств по цепям питания
Рисунок 4.12 – Утечка информации по цепям электропитания за счет побочных электромагнитных наводок	Рисунок 4.13 – Утечка информации по цепям электропитания за счет побочного электромагнитного излучения

Все рассмотренные виды распространения наводок по сети питания являются асимметричными или однопроводными, поскольку оба провода сети питания передают сигнал наводки в одном направлении.

Симметричное распространение наводки имеет место в тех случаях, когда на проводах сети индуцируются различные напряжения относительно земли. Тогда между проводами образуется высокочастотная разность потенциалов, и по проводам сети проходят токи наводки в разных направлениях (рисунок 4.14). Вследствие этого в приемнике наводки индуцируются равные по величине, на обратные по знаку напряжения. Поэтому симметрично распространяющаяся наводка не может проникнуть в высокочастотную часть приемника наводки. Проникновение симметричной наводки через силовой трансформатор путем передачи напряжения, наведенного в первичной обмотке, во вторичную обмотку маловероятно вследствие существенных различий частот сети питания и сигнала наводки. Симметричное распространение наводки опасно только при асимметрии приемника наводки относительно проводов сети питания. Например, если в один из проводов сети питания ввести предохранитель, то провода сети будут иметь разные емкости относительно приемника наводки. Через них будут передаваться напряжения, разность которых приведет к наводке в приемнике.

Рисунок 4.14 – Симметричное распространение наводки по цепям электропитания

Одними из основных устройств, без которых невозможна работа любого технического средства, являются вторичные источники питания, предназначенные для преобразования энергии сети переменного тока или постоянного тока в энергию постоянного или переменного тока с напряжением, необходимым для питания аппаратуры технических средств.

Схемы построения таких источников питания содержат в своем составе трансформаторы, выпрямители, сглаживающие фильтры, стабилизаторы и обладают конечным внутренним сопротивлением. При наличии в составе технических средств усилительных каскадов токи усиливаемых сигналов замыкаются через вторичный источник электропитания, создавая на его внутреннем сопротивлении падение напряжения, изменяющееся в соответствии с законом изменения усиливаемого (опасного) сигнала. При недостаточном затухании в фильтре источника питания это напряжение может быть обнаружено в питающей линии.