9.3. Линии электропитания [2]

Виды линий. Электроэнергия от источника к потребителям подводится двумя про­водами - потенциальным и нулевым. Сложная аппаратура требует нескольких источников вторичного электропитания (ИВЭП). По­тенциальные провода всех ИВЭП называются линиями электропитания и выполняются в виде индивидуальных проводов, нулевые провода в боль­шинстве случаев объединяют и выполняют в виде одного мощного провода или металлического листа.

Выделяют параллельные, последовательные, а также точечные и параллельно-последовательные линии электропитания. Сравнение и выбор схем проводится по падению напряжения, нагрузочной способности по току, легкости проведения электромонтажных работ и неко­торым другим факторам. В сложной РЭА из-за ограничений на конструкцию одновременно можно использовать несколько вариантов разводки электропитания, если подобный подход позволит улучшить электрические параметры, упростить монтаж, повысить ремонтопригодность.

Электропитание по схемам параллельной и последовательной разводки подводится гибкими одно- и многожильными проводами, подсоединяемыми к выводам питания потребителей электроэнергии (ПЭ). Преимуществом этих схем разводки является простота конструкции, легкость в проектиро­вании и монтаже, необходимость в двух коммутационных выводах ПЭ для каждого питающего компонента (подводящего и отводящего).

Точечную разводку осуществляют жестким проводом и системой гиб­ких проводов, с одного конца подпаиваемых к жесткому проводу, а с другого — к ПЭ. Параллельно-последовательную разводку рекомендуется приме­нять при регулярном расположении ПЭ. Как и при точечной разводке, сум­марные токи протекают по мощной линии электропитания с большой пло­щадью поперечного сечения. Линии электропитания и нулевого потенциала выполняют в виде единой конструк­ции, состоящей из двух медных проводников или проводов круглого сече­ния, защищенных от короткого замыкания изолирующими пластинами или воздушным промежутком.

Рис. 9.3.1.

Падение напряжения на линиях. Рассчитаем паде­ние напряжения на линии электропитания. Для этого введем сле­дующие допущения. Полагая токи ПЭ независящими от изменения напряже­ния электропитания, представим ПЭ приемником тока, что правомерно для аппаратуры, разрабатываемой на микросхемах, имеющими допуск по питающему напряжению в 5-10 %. Расчет проведем как для последовательной раз­водки. Для упрощения будем считать, что токи приемников электропитания I_пэ равны, а так­же равны и сопротивления Z участков линии, между которы­ми подсоединяются ПЭ. Без уче­та падения напряжения на линии нулевого потенциала, падение напряжения на линии электропи­тания:

U_лэ = I_пэ Z (1+2+…+n) = I_пэ Z n(n+1)/2,

где n - число ПЭ.

В приведенном выражении произведение nZ есть сопротивле­ние линии электропитания (ЛЭП). Полагая, что nZ = Z_nl_лэ, получим

U_лэ = I_пэ Z_nl_лэ (n+1)/2,

где Z_n - сопротивление на единицу длины линии (погонное сопротивление), l_лэ - длина ЛЭП.

Уменьшая сопротивление и длину ЛЭП, а также число подсоединяемых к линии ПЭ, можно снизить U_лэ в любое число раз. Сделать меньшей длину линии можно микроминиатюризацией и соответствующей компоновкой аппаратуры, снижением числа ПЭ - введением в конструкцию несколь­ких линий, подсоединяемых к одному ИВЭП. Дру­гой путь уменьшения падения напряжения на линии электропитания - уменьшение сопротивлений Z или Z_n.

Падение напряжения на ЛЭП при последовательной раз­водке быстро увеличивается с возрастанием числа ПЭ. Поэтому эти типы разводок, если токи ПЭ велики, а сопротивления линий сравнимы с сопротивлением нагрузки, применять не рекомендуется.

Развязывающий конденсатор, подсоединяемый к выходу источника непосредственно у ПЭ, является для ПЭ как бы индивидуальным источником питания и осуществляет его электропитание накопленной энер­гией. Требуемая емкость развязывающего конденсатора вычисляется по формуле С_р ≥ k t_ф²/L, где k - кратность уменьшения падения напряжения на линиях электропитания и нулевого потенциала, t_ф - наименьшая длительность фронта импульсного сигнала, L - суммарная индуктивность линий электропитания и нулевого потенциала. При расчете конденсатора определяют падение напряжения на линии электропитания и для обеспече­ния работоспособности ПЭ принимают решение об уменьшении этого напряжения в k раз. Для улучшения режима работы аппаратуры развязываю­щие конденсаторы с выводами минимальной длины устанавливаются у каж­дого ПЭ.

Полное сопротивление ЛЭП складывается из активной и реактивной составляющих, однако, уже на частоте 100 кГц активным сопротивлением можно пренебречь и рассматривать только индуктивную составляющую. Уменьшение индуктивности ЛЭП можно дос­тигнуть увеличением размеров ее поперечного сечения. Однако подобный под­ход не всегда результативен. Например, медный провод длиной 200 мм и диа­метром 0,1 и 0,2 мм обладает соответственно индуктивностью 330 и 210 нГн, и при увеличении расхода меди в 4 раза ин­дуктивность уменьшилась только в 1,5 раза.

Меньшей индуктивностью при одинаковых геометрических размерах обладает провод, расположенный над землей, большей - провода круглого и прямоугольного сечений. Наибольшее волновое сопротивление имеет провод круглого, наименьшее — прямоугольного сечения. Для согласования с внутренним сопротивлением ИВЭП волновое сопротивление ЛЭП должно быть минимально возможным.