Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

Рис. 5.52. Вариант конструкции функциональнойячейки

степловойтрубой:

/— плата с металлическим теплостоком;

2 — микросхемы; 3 — металлическая рамка;

4 — теплоприемник; 5 — тепловая труба

Пример использования ТТ для отвода тепла от теплонагруженного элемента приведен на рис. 5.51. На рис. 5.52 показан один из возможных вариантов конструкции функциональной ячейки с отводом тепла при помощи тепловой трубы.

5.9. Термоэлектрическое охлаждение конструкций РЭС

Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, заключающегося в том, что на границе (спае) двух различных проводников при протекании

соответствии с рис. 5.53, то верхний спай 1 поглощает тепло (холодный спай), на нижнем спае 2 тепло выделяется (горячий спай). К холодному спаю подводится поток Р х от окружающей среды или охлаждаемого объекта, от горячего спая за счет теплопроводности передается поток РТ г При протекании электрического тока через термоэлемент часть электрической энергии преобразуется в тепловую РД (джоулевы потери). „

В стационарном режиме сумма поступающих к холодному спаю тепловых потоков компенсируется за счет эффекта Пельтье, т.е.

243

РП=РХ+РТ+РД-

Если пренебречь теплопередачей в окружающее пространство с боковых поверхностей термоэлемента, то Р т = σ T .t, где σт — тепловая проводимость термоэлемента между горячим и холодным спаями; t— разность температур горячего и холодного спаев.

Учитывая, что коэффициенты теплопроводности р- и п- полупроводника приблизительно равны, σт = 2λS/l где S — площадь поперечного сечения полупроводниковых элементов; l— их длина.

Предполагая, что джоулево тепло распределяется поровну между холодным и горячим спаями, можно записать РД = 0,5I2 R , где I— ток,

протекающий через термоэлемент; R — электрическое сопротивление термоэлемента.

Поскольку Р п = ± ПI , где П — коэффициент Пельтье, холодопроизводительность термоэлемента

тепловой поток, который требуется отводить с горячего спая,

PГ = ПI+0,5I2R-σТ t .

Коэффициент полезного действия термоэлемента определяют как η = Р х /Р, где Р — полная электрическая мощность, отбираемая от источника электропитания. Ввиду того что Р = UI, U=IR + Е т, где Е т =

= γ t — термоэлектродвижущая сила, возникающая на спае при разности температур горячего и холодного спаев t (γ— коэффициент Зеебека), коэффициент полезного действия

η = (ПI-0,5I2R-σт t)/(γI t+I2R).

Различают два экстремальных режима работы термоэлемента: максимального коэффициента полезного действия и максимальной холодопроизводительности. Первый из режимов обеспечивает минимальные затраты энергии, второй — позволяет при прочих равных условиях снимать большую тепловую нагрузку. Как следует из графического решения уравнения (5.55), представленного на рис. 5.54, максимальной холодопроизводительности соответствует некоторое оптимальное значение тока IOP T, протекающего через термоэлемент.

Термоэлектрические батареи получают путем последовательного или параллельного включения отдельных элементов. При создании системы охлаждения объекта с помощью термоэлектрической батареи 1

244

предусматривается электрическая изоляция объекта 2 и теплообменника 4 диэлектрическими прокладками 3, выполненными из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (рис. 5.55).

Разработанные в настоящее время конструкции термобатарей рассчитаны на площадь охлаждаемых объектов 2...31 мм ; имеют массу 0,01...62 г, объем — 2...760 мм . Потребление от источников электропитания составляет 0,15...8 Вт. Время выхода термобатареи на рабочий режим лежит в пределах 2...5 с.

6. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

6.1. Проблема электромагнитной совместимости

Электромагнитная совместимость (ЭМС) РЭС — это их способность функционировать совместно и одновременно с другими техническими средствами в условиях возможного влияния непреднамеренных электромагнитных помех (НЭМП), не создавая при этом недопустимых помех другим средствам (ГОСТ 23611-79).

Необходимость обеспечения ЭМС различных РЭС, возникшая как следствие научно-технического прогресса в радиотехнике, электротехнике и связи, вызвана следующими основными причинами:

повышением быстродействия полупроводниковых приборов и электронных схем;

непрерывным возрастанием общего числа РЭС;

245

недостаточным числом свободных от помех радиоканалов во всех освоенных диапазонах;

возрастанием общего уровня помех, главным образом, от индустриальных источников;

усложнением функций и состава РЭС; сосредоточением различных видов РЭС в ограниченном простран-

стве, например на самолете, корабле, ИСЗ; миниатюризацией изделий, что в ряде случаев приводит к сниже-

нию энергии полезных сигналов и уменьшению отношения сигнал-по- меха;

возрастанием влияния межсоединений и компоновки узлов на помехоустойчивость и быстродействие РЭС;

трудностью и большими материальными и временными затратами, связанными с поиском и устранением причин низкой помехоустойчивости РЭС.

Анализ проблемы обеспечения ЭМС РЭС [28, 29] показывает, что можно выделить следующие ее научно-технические аспекты:

1 . Радиочастотный ресурс. Изучение условий пользования радиоканалами для различных радиослужб и условий разработки принципов управления ресурсом, включая экономические концепции.

2.Непреднамеренные электромагнитные помехи. Выявление ис-

точников и определение энергетических, частотных и временных характеристик НЭМП, моделирование и изучение влияния среды на их распространение, изучение особенностей влияния НЭМП на работу различных рецепторов; совершенствование методов и средств измерений помех; создание НТД на допустимые уровни помех и реализация соответствующих стандартных требований.

3.Характеристики ЭМС. Подход к определению роли и значения какой-либо характеристики ЭМС зависит от уровня, на котором решается задача ЭМС. Принято рассматривать три уровня: межсистемный — между отдельными автономными системами; внутрисистемный — внутри сложного радиоэлектронного комплекса; внутриаппаратный,— внутри отдельного прибора (блока), между его узлами и компонентами. Учет требований к ЭМС в процессе конструирования РЭС относится,

главным образом, к двум последним уровням обеспечения ЭМС.

4. Электромагнитная обстановка (ЭМО). Определение реаль-

ных электромагнитных условий, в которых функционирует или должно функционировать конкретное изделие при наличии или отсутствии полезного сигнала на его сигнальном входе в случае действия НЭМП через этот выход или помимо него. В соответствии с тремя уровнями обеспечения ЭМС рассматриваются и три вида ЭМО: между системами, внутри системы и внутри аппарата.

246

Одним из путей обеспечения ЭМС является совершенствование параметров радиоизлучения и приема РЭС, особенно таких, которые определяют ширину полосы частот радиоизлучения и влияют на ЭМС РЭС. Требования к параметрам радиоизлучений и приема зафиксированы в государственных стандартах и общесоюзных нормах на параметры радиоизмерений и приема РЭС. Основные принципы нормирования параметров ЭМС РЭС, а также методы измерений и контроля соблюдения норм и основные принципы их реализации рассмотрены в [28].

Методология создания и эксплуатации РЭС с учетом ЭМС основана на системном подходе к решению задачи обеспечения ЭМС, который приводит к многоплановости решения задачи на различных уровнях и комплексности решений в двух основных направлениях: повышения помехозащищенности (и помехоустойчивости) рецепторов и снижения энергии помех в их источнике и среде распространения.

К важнейшим требованиям методологии относятся экономическая целесообразность учета ЭМС с самого начала разработки РЭС, реализация требований НТД в части ЭМС на всех стадиях разработки изделий, создание более совершенной НТД, обеспечение контролепригодности РЭС по параметрам ЭМС, функционирование специальных служб ЭМС.

На конструкторско-технологическом этапе разработки РЭС основными способами обеспечения ЭМС являются помехозащита с помощью экранирования, фильтрация помех и рациональное по критериям ЭМС выполнение монтажных соединений и цепей заземления, ослабление помех от источников вторичного питания и компоновка элементов и узлов РЭС, обеспечивающая снижение уровней.внутренних помех.

6.2. Экранирование

Экранирование — конструкторское средство ослабления электромагнитного поля помех в пределах определенного пространства. Конструкции, реализующие указанные требования, называются экранами. Экраны применяются как для отдельных ЭРЭ, компонентов МСБ и модулей различных уровней, так и для РЭС в целом, которые могут быть либо источниками, либо рецепторами помех. Необходимость экранирования должна быть обоснована и может рассматриваться только после того, как полностью исчерпаны конструкторские методы оптимальной компоновки изделий.

При анализе помех важное значение имеют понятия о ближней и дальней зонах [29, 33] распространения электромагнитной энергии в зависимости от расстояния до источника помех (ИП) в предположении,

247

что размеры излучателя помех l<<λ , где λ, — длина волны излучения. В ближней зоне на относительных расстояниях от источника r = λ/2π≤1 поле еще не сформировалось в плоскую волну и может представлять собой (рис. 6.1) преимущественно поле магнитной индукции Н, если в ИП протекает значительный ток при относительно малом напряжении, или поле электрической индукции Е, если в источнике протекает малый ток при относительно большом напряжении. «Преимущественно» в том смысле, что хотя ближняя зона всегда характеризуется двумя составляющими индукции H и Е, в зависимости от характеристики ИП может преобладать одна из двух составляющих. Электромагнитное поле в виде плоской волны (радиоволны) формируется на расстоянии r=λ/2π≥2. Сравнивая волновые сопротивления составляющих поля индукции, можно отметить, что поле Е является высокоомным по отношению к волновому сопротивлению плоской волны, а поле Н — низкоомным.

Рис. 6.1. Волновые сопротивления электрической (Е) и магнитной (Н) составляющих поля ближнейзоныраспространениявзависимостиотрасстояниядоИП

Экранирование электрического поля. Основной задачей экрани-

рования электрического поля является снижение емкости связи между экранируемыми элементами конструкции. Рассмотрим электрическую связь источника ИП и рецептора РП помех (рис. 6.2, а) с помощью схемы замещения (рис. 6.2, б), на которой действие электрического поме-

248

Рис. 6.2. Электрическая связь источника и рецептора помех (а) иобратнаясхемазамещения(б)

хонесущего поля представлено эквивалентной емкостью связи Ссв. Если источник синусоидальный ЭДС е и действует на угловой частоте ώ, то напряжение помех в цепи рецептора и п определяется как

где Zp — комплексное сопротивление цепи рецептора помех, состоящее из параллельно включенных входного сопротивления Rвх и емкости Сp относительно корпуса.

Если входное сопротивление РП является чисто активным: Zp = R вх и

R вх << ω1Сз Р то напряжение помех

∙ ∙

uп ≈ eи jωССВ + RВХ

т.е. прямо пропорционально ЭДС ИП, его частоте, входному сопротивлению рецептора и емкости связи между ИП и РП. При этом цепь пере-

на рецепторе и п = ё и С св /Ср . На фиксированной частоте при дейст249

вии нескольких источников помех на один рецептор напряжение помех согласно принципу суперпозиции

∙

1 ån ∙

u = CP i=1 eiCCBi

где п — число источников помех, ёi,- — ЭДС i-го источника помех, ССВi-емкость связи i-ro источника с рецептором.

Поместим между ИП и РП металлический лист Э (рис. 6.3). Пренебрегая остаточной емкостью связи между элементами источника и рецептора, определяем уровень наведенного напряжения, пользуясь схемой замещения (рис. 6.3, а), где Сиэ, Срэ — емкости элементов ИП и

РП относительно металлического листа Э; С эк — емкость металлического листа относительно корпуса. Напряжение помех на экране

úп =éи С и э /( С и э + Сэ к ) .

Рис. 6.3. Схема замещения для определения емкостных помех: а — незаземленный экран; б — заземленный экран

Уровень наведенного напряжения определяется как

ù'п ≈ ùэCpэ/(Cpэ+Cp).

Подставляя в полученное выражение напряжение на экране и э , получаем

Оценим значение наводимых напряжений до установки экрана и после в соответствии с формулами (6.2) и (6.3). Если, например

250

Сэк<<Сиэ , то напряжение на листе согласно (6.3) примерно равно ЭДС источника помех и, следовательно,

Так как емкость связи между листом и рецептором помех много больше начальной емкости связи между экранируемыми элементами, т.е. Срэ>>С св, то при прочих равных условиях наводимое напряжение

помех в случае введения листа окажется больше, чем до его установки (6.2). Очевидно, что эффективность экранирования возрастает при увеличении емкости листа на корпус Сэк и становится наибольшей при его

коротком замыкании (рис. 6.3, б). Это объясняется возможностью стекания на землю зарядов, индуцированных на экране, и замыкания электрической цепи источника помех. При введении заземленного экрана остаточная емкость связи между элементами С 'св много меньше начальной, т.е. С 'св << С св, и наводимый уровень помех при этом оказывается много меньше исходного:

ú'п = éиС'св/(С'св+Ср + Срэ) ≈ ёиС'св/(Ср + Срэ).

Выражение для емкости связи двух элементов конструкции, находящихся в свободном пространстве:

где ε 0 — диэлектрическая проницаемость среды.

Емкость связи с учетом влияния металлического экрана (см. рис.

б.2,а)

Для ослабления влияния связи по электрическому полю в РЭС с учетом формул (6.5) и (6.6) необходимо:

максимально разносить цепи рецепторов и источника помех, что уменьшает С св;

компоновать цепи рецептора и источника помех так, чтобы емкость связи С св между ними была минимальной;

уменьшать размеры цепей ИП и РП, что приводит к снижению С св ; 251

в области высоких частот эффективность экрана, работающего в электромагнитном режиме, наряду с качеством заземления определяется его толщиной, проводимостью и магнитной проницаемостью экрана.

Экранирование магнитного поля. Магнитная связь двух электри-