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

Рис. 6.13. Разводка шин питания: а — последовательная; б — параллельная; в — в виде замкнутых контуров

яния внешнего помехонесущего магнитного поля по периметру печатной платы следует предусмотреть внешний замкнутый контур.

6.4. Заземление

Система заземления — это электрическая цепь, обладающая свойством сохранять минимальный потенциал, являющийся уровнем отсчета в конкретном изделии. Система заземления в РЭС должна обеспечивать сигнальные и силовые цепи возврата, защищать людей и оборудование от неисправностей в цепях источников питания, снимать статические заряды.

К системе заземления предъявляются следующие основные требования:

минимизация общего импеданса шины «земля»; отсутствие замкнутых контуров заземления, чувствительных к воз-

действию магнитных полей.

В РЭС требуются как минимум три раздельные цепи заземления: для сигнальных цепей с низкими уровнями токов и напряжения;

для силовых цепей с высокими уровнями потребляемой мощности (источники питания, выходные каскады РЭС и т.д.);

для корпусных цепей (шасси, панелей, экранов и металлизации). Электрические цепи в РЭС заземляются следующими способами: в

одной точке и в нескольких точках, ближайших к опорной точке заземления (рис. 6.14). Соответственно системы заземления могут быть названы одноточечной и многоточечной.

Наибольший уровень помех возникает в одноточечной системе заземления с общей последовательно включенной тиной «земля»

(рис. 6.14, а).

Чем дальше удалена точка заземления от опорной, тем выше ее потенциал. Его не следует применять для цепей с большим разбросом по-

263

Рис. 6.14. Системы заземления цепей в РЭС: а — одноточечная последовательная; б — одноточечная параллельная; в — многоточечная

требляемой мощности, так как мощные функциональные узлы (ФУ) создают большие возвратные токи заземления, которые могут влиять на малосигнальные ФУ. При необходимости наиболее критичный ФУ следует подключать как можно ближе к точке опорного заземления.

Одноточечная параллельная система заземления (рис. 6.14,6) исключает паразитную связь через общий импеданс, и уменьшается вероятность образования низкочастотного паразитного контура с замыканием на шину «земля». Она может использоваться эффективно для частот 1 МГц.

ков питания схем могут использоваться солнечные элементы или аккумуляторы, а сигналы должны поступать и покидать схему через трансформаторы или оптроны.

Пример реализации рассмотренных принципов заземления для девятидорожечного цифрового накопителя на магнитной ленте показан на рис. 6.16 [31]. Здесь имеются следующие шины земли: три сигнальные, одна силовая и одна корпусная. Наиболее восприимчивые к помехам аналоговые ФУ (девять усилителей считывания) заземлены с по-

Рис. 6.16. Система заземления девятидорожечного цифрового накопителя намагнитнойленте

мощью двух раздельных сигнальных шин «земля». Девять усилителей записи, работающих с большими, чем усилители считывания, уровнями

265

сигналов, а также ИС управления и схемы интерфейса с изделиями передачи данных подключены к третьей сигнальной шине «земля». Три двигателя постоянного тока и их схемы управления, реле и соленоиды соединены с силовой шиной «земля». Наиболее восприимчивая схема управления двигателем ведущего вала подключена ближе других к опорной точке заземления. Корпусная шина «земля» служит для подключения корпуса и кожуха. Сигнальная, силовая и корпусная шины «земля» соединяются вместе в одной точке в источнике вторичного электропитания. Следует отметить целесообразность составления структурных монтажных схем при проектировании РЭС.

6.5.Расчет конструкций экранов

Вобщем виде экран представляет собой несущий элемент конструкции, изолирующий РЭС или ее часть от окружающего пространства. Форма экрана определяется формой объекта защиты, способом установки и закрепления в общей конструкции или на месте эксплуатации. Многообразие форм элементов и частей РЭС приводит к многообразию форм и конструкций экранирующих оболочек. Навесные проводники (провода, жгуты) при неудачном размещении могут оказаться антеннами для приема и излучения помех. Для защиты от таких нежелательных эффектов проводники необходимо помещать в гибкие металлические

оплетки, выполняющие функции экранов. В то же время экран, защищающий проводник от помех, создает дополнительную емкостную связь «проводник — экран», которую необходимо учесть при согласовании цепей, соединенных этим проводником. Несколько проводников,

объединенных в жгут, могут иметь как общий экран, так и индивидуальные экраны в виде экранирующих оплеток.

Из компонентов элементной базы защиты экранированием требуют чаще всего моточные изделия: катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели, обмотки реле. Катушки индуктивности, работающие в мегагерцевом диапазоне частот, обычно не имеют магнитных сердечников и обладают полем, распространяющимся далеко за габаритные размеры катушки. Применение экранов позволяет ограничить объем пространства для нормального функционирования катушки, уменьшить влияние ее поля на соседние элементы, повысить плотность компоновки. Из-за поглощения части энергии материалом экрана параметры катушки необходимо скорректировать. Экранирование дросселей и трансформаторов требуется при использовании повышенных рабочих частот электропитания (более 100 Гц). Активные элементы в виде полупроводниковых диодов, транзисторов, микросхем в большинстве случаев нецелесообразно защищать индивидуальными экранами.

266

Предпочтительно помещать в такой экран весь функциональный узел, например на печатной плате. Необходимость в этом увеличивается, если схема содержит усилительные каскады с большим коэффициентом усиления. При создании микроэлектронной аппаратуры естественно желание объединить функции экрана и корпуса. Корпус микроблока или микросборки становится внешним экраном. Выбор материала диктуется, с одной стороны, эффективностью защиты, а с другой стороны

— производственными условиями, удобством изготовления, возможностью механизации труда и, наконец, просто механической прочностью конструкции. Слагаемые размеров экрана представлены на рис. 6.17 и 6.18. Прежде всего, размеры экрана зависят от габаритных размеров

Рис. 6.17. Компоновочные размеры экранированного электронного устройства

объекта экранирования X, Y, Z. Далее, между объектом экранирования и

электрическую прочность монтажа, тепловой режим и другие условия,

контакты, элементы закрепления экрана на объекте. Окончательные размеры находятся как

XG = XF1+XE +XF2; YG = YF1+ YE+YF2; ZG = ZE,

где

XE = XT1+XT2+X1+Х+Х2; YE=YT1+Y1+Y+Y2+YT2; ZE = ZT1+ Z1+Z + Z2 + ZT2.

В самом общем виде РЭС защищается от электромагнитных помех металлическим экраном в виде замкнутой оболочки. Однако в электромагнитной обстановке может наблюдаться преобладание отдельного вида поля. Поэтому при поиске оптимальной конструкции следует различать:

магнитные экраны для подавления магнитной составляющей поля помехи;

электростатические экраны для подавления электрической составляющей поля помехи;

электромагнитные экраны для подавления обоих составляющих поля помехи.

(АМг, АМц, Д16), магния (МА2, МЛ1,МЛ2.3), титана (ВТЗ, ОТ4), меди, латуни (Л90, Л70, ЛЖС58-1-1), не способны концентрировать магнитные силовые линии и потому не способны выполнять роль магнитных экранов. Это хорошо иллюстрируют графики рис. 6.20— 6.22, на которых видно, что для АМц, Д16 и ЛЖС58-1-1 затухание магнитного поля ничтожно мало по сравнению с действием экрана из карбонильного железа, технически чистого железа АРМКО, пермаллоев 79НМ, 80ХНС.

268

Суммарная эффективность экранирования К(э) для различных материалов представлена на рис. 6.22. Однако вклад каждой составляющей неравнозначен. Так, на частоте f= 10 Гц для экрана из 80XHC(t=l мм) K(п) = 8дБ, а K(о) = ЗЗдБ, на частоте 100 Гц имеем соответственно 23 и 44 дБ, а на частоте 500 Гц вклады примерно равны 58 и 52 дБ. Отсюда можно сделать вывод, что на низких частотах (f≤ 100 Гц) основной вклад в магнитное экранирование вносит эффект отражения, а экранирование за счет поглощения энергии помехи незначительно.

Выражение для оценки эффективности экрана

из магнитных материалов (μ ≥ 3 • 103 ) на частотах f≤100 Гц имеет вид

менять пермаллои марок: 79НМ,80ХНС, 50ХНС, 81НМА. Основные свойства перечисленных материалов приведены в табл. 6.1.

Магнитные экраны эффективны лишь при постоянном токе и в диапазоне низких частот. С увеличением частоты повышенная магнитная проницаемость теряет свое значение из-за вытеснения магнитного поля ближе к поверхности экрана.

270

271

Экранирующий эффект конструкционных материалов корпусов радиоаппаратуры, рассчитанный по этой формуле, представлен на графиках рис. 6.26 и 6.27 для R = 50 мм. Из графиков видно, что при/= 0 экранирующий эффект стремится к бесконечности, но с ростом частоты снижается. Причина заложена в частотной зависимости волнового сопротивления пространства электрической составляющей поля:

Рис. 6.26. Зависимость эффекРис. 6.27. Зависимость эффективности

Обязательным условием такого экранирования является соединение экрана с корпусом прибора или землей. Роль электростатического экрана может выполнять металл с любым удельным сопротивлением. Например, на частоте/= 104 Гц эффективность экранирования для высокоомного титана ВТЗ и низкоомного АМц будет равна:

ρ(ВТЗ) = 1360 10-6 Ом мм, K(E) = 180дБ,

ρ(АМц) = 3010 -6 Ом мм, K(E) = 210дБ.

Относительное изменение эффективности экранирования и удельного сопротивления составит:

ΔК(Е)/К(Е) = (210-180)/210=14%,

ρ ( ВТЗ)/ρ( АМц)=1360·10-6/30·10-6 = 45,3%.

Нет особых требований и к толщине экрана. Из рис. 6.30 находим

К(Е)А1=220ДБ для t=10мм,

К(Е)Аl=160дБ для t=1мкм.

272