2.8. Конструирование линий электропитания [5]

Электроэнергия от источника к потребителям подводится двумя про­водами — потенциальным и нулевым. Как правило, 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.

Основные схемы распределения электропитания приведены на рис. 75. Сравнение и выбор схем проводятся по падению напряжения, нагрузочной способности по току, легкости проведения электромонтажных работ и неко­торым другим факторам.

Электропитание по схемам последовательной и петлевой разводок подводится гибкими одно- и многожильными проводами, подсоединяемыми к выводам питания потребителей электроэнергии (ПЭ). Преимуществами этих схем разводки являются простота конструкции, легкость в проектиро­вании и монтаже, необходимость в двух коммутационных выводах ПЭ для каждого питающего компонента (подводящего и отводящего). Основные недостатки первых двух способов разводки — наличие контура в петлевой схеме разводки и в связи с этим помехи от магнитного поля.

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 попереч-ного сечения.

а в

б г

Рис. 75. Последовательная (а), петлевая (б), точечная (в) и параллельно-последовательная (г) схемы распределения электропитания: 1 — гибкий объемный провод; 2 — жесткая шина

В точечной и параллельно-последовательной схемах разводки 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. 76). Фиксацию проводников осуществляют установкой на клей, круглых проводов нанесением на концевые части цилиндрической поверхности припоя паяльником.

К недостаткам точечного и параллельно-последовательного способов разводки следует отнести появление перекрестных помех из-за индуктивной связи между гибкими проводами, ненадежность при перепайке.

В сложных ЭС из-за ограничений на конструкцию одновременно можно использовать несколько вариантов разводки электропитания, если подобный подход позволит улучшить электрические параметры, упростить монтаж, повысить ремонтопригодность.

Падение напряжения на линиях электропитания [5]. Рассчитаем паде­ние напряжения на линии электропитания (рис. 77). Для этого введем сле­дующие допущения. Полагая токи ПЭ не зависящими от изменения напряже­ния электропитания, представим ПЭ приемником тока, что правомерно для электронно-вычислительной аппаратуры, разрабатываемой на микросхемах, имеющих допуск по питающему напряжению в 5... 10 %. Расчет проведем как

Рис. 76. Эквивалентная схема для расчета падения напряжения на линии

электропитания

для последовательной (сплош­ная линия), так и петлевой раз­водки (добавляется штриховая линия). Для упрощения будем считать, что токи приемников электропитания равны, а так­же равны и сопротивления участков линии, между которы­ми подсоединяются ПЭ. Без уче­та падения напряжения на линии нулевого потенциала падение напряжения на линии электропи­тания:

,

где n – число ПЭ.

Эквивалентная схема петлевой разводки представляет собой последо­вательную схему, в которой между начальной и конечными точками линии введено сопротивление . Петлевая разводка по сравнению с последова­тельной разводкой приводит к уменьшению падения напряжения в худшем случае несколько меньше чем вдвое.

В приведенном выражении произведение есть сопротивление линии электропитания. Полагая, что, получим

,

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

Рис. 77. Узлы подвода электропитания: 1 — корпус узла; 2 — проводящая пластина с контактными лепестками; 3 — монтажная панель; 4 — кронштейн; 5 — провод

Рис. 78. Две линии электропитания от одного ИВЭП

Уменьшая сопротивление и длину ЛЭП, а также число подсоединяемых к линии ПЭ, можно снизить 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 (рис. 78). Дру­гой путь уменьшения падения напряжения на линии электропитания – уменьшение сопротивлений или.

В табл. 22 приведены три широко используемые схемы выполнения ли­ний электропитания и нулевого потенциала, а также представлены зависимости для расчета их электрических параметров. Хотя 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. Таким образом, во втором случае расходы меди увеличились в 400 раз, а ин­дуктивность уменьшилась несколько более чем в 1,5 раза.

Таблица 22

Способы выполнения линий электропитания

Примечание.1 – линия электропитания ; 2 – линия нулевого потенциала

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

Падение напряжения на ЛЭП при последовательной и петлевой раз­водках 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 , гдеk — 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 напр-жения 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.

Конструирование заземления [5]. В соответствии с правилами проек-тирования в схеме выделяют базу с нулевым потенциалом, относительно которой проводят отсчет всех элек­трических потенциалов схемы. Эту точку обычно называют землей. Конст­руктивно эта база выполняется проводом, проводником (шиной), метал­лической полосой или листом. Поскольку, как правило, аппаратуру зазем­ляют, т. е. предварительно обеспечивают электри-ческое соединение метал­лического корпуса с реальной землей (почвой, грун-том), то для отличия ре­альной земли точку отсчета потенциалов схемы будем называть схемной землей.

Термин «земля» был установлен применительно к оборудованию, для которого в качестве обратного провода использовали почву. В настоящее время в качестве обратного провода используют не почву или металличе­ский корпус ЭС, а провод (общий провод), который из соображений техни­ки безопасности подсоединяют к земле.

По общему проводу протекают обратные (возвратные) токи электрон­ных схем, вызывая на нем падение напряжения и, следовательно, разницу в электрических потенциалах на общих выводах (земле) компонентов схемы. Поскольку по общему проводу функционирующей схемы протекают в каж­дый момент времени различные токи, то это приводит к появлению гальва­нических помех.

На рис. 79 приведен при­мер распределения потенциалов на сплошной заземленной по­верхности ПП с заземлением в одной точке. Отметим, что элек­трический потенциал схемной земли в данном случае изменя­ется в пределах 2...100 мВ. Если компоненты схемы размещают­ся на поверхности платы с по­тенциалами менее 2 мВ и более 100 мВ (при проектировании схемы изначально предполага­лось, что земляной слой платы имеет нулевой потенциал), то, например, для схемы усилителя сигнал может заметно исказиться.

Сложная аппаратура с одним общим проводом функционировать не будет из-за появления на нем значительной гальванической помехи. При проектировании выделяют общие провода первичной и вторичной систем электропитания, высокочувствительных низкоуровневых схем, относитель­но нечувствительных мощных высокоуровневых схем, импульсных схем. Для уменьшения помех по земляным соединениям для различных подсхем системы используются несколько ИВЭП одинакового номинала, каждый со своим общим проводом.

В небольших электронных системах, например в микрокалькуляторе или радиоприемнике, получить низкоомный общий проводник относитель­но несложно. В сложных системах (большая ЭВМ, радар) сформировать низкоомную землю крайне трудно. Поскольку размеры сложных систем увеличиваются, то влияния взаимных индуктивностей и распределенных емкостей между общими проводами становятся заметными уже на низкой частоте. Поэтому в больших системах некоторая разница потенциалов на общих проводниках имеет место между различными частями системы, и этот факт нужно принимать во внимание при проектировании защищенной от воздействия помех аппаратуры.

Общие провода электронных приборов объединяются по схемам одно- и многоточечного заземления (рис. 80, а). В первом случае общие провода мо­дулей системы подсоединяются к общей нулевой точке, являющейся базой, относительно которой отсчитываются все потенциалы системы (рис. 80, а). Хотя в одноточечной земле связь модулей через общее сопротивление нуле­вого потенциала отсутствует (линия выродилась в точку), будут иметь место

Рис. 79. Распределение электрического потенциала по сплошной земляной поверхности печатной платы:

1 – штыревой контакт заземления; 2 – печатная плата;

индуктивность L, а также связь через взаимные индуктивности М и емкости С подсоединяемых к нулевой точке земляных проводов мо­дулей. На высокой частоте паразитная емкость образует низкое, а индуктивность про­водов — высокое сопротив­ление, что ухудшает свойства системы заземления. Для уменьшения взаимоиндуктив­ности общие проводники должны быть ориенти-рованы взаимно-перпенди­кулярно, что для большого числа элементов сделать практически невозможно.

Земля высокочастотной аппаратуры чаще всего представляет собой проводящую плоскость (тонкий медный лист монтажной панели, фольгу многослойной печатной платы), к которой модули по месту установки под­соединяются отводами минимальной длины (многоточечное заземление). Пользуясь графиком, приведенным на рис. 81, можно выбрать схему за­земления, исходя из максимальной рабочей частоты системы и размеров общего провода l . В незаштрихованной области графика хорошие резуль­таты даст использование как одноточечной, так и многоточечной схемы заземления.

Рис. 80. Одноточечное (а) и многоточечное (б) заземление: 1 – провод; 2 – модуль; 3 – металлический лист; 4 – контактный лепесток

Рис. 81. Выбор схемы заземления:

Для предотвращения излучения проводником в окружающее про­странство электромагнитной энергии длина проводника, м, должна быть , где— длина волны, м;f — частота, МГц.

Сопротивление провода с учетом поверхностного эффекта, Ом, вычисляется по формуле , гдеR – сопротивление по постоянному току; k – коэффициент (табл. 23). Значение X определяется из выражения

.

Заземление корпуса ЭС служит для предохранения обслуживающего персонала от поражения электрическим током при прикосновении к метал­лическим деталям конструкции, а также для защиты ЭС от воздействия по­мех, создаваемых размещенным по соседству оборудованием. Заземлению не подлежит аппаратура, работающая при безопасном напряжении, имею­щая двойную или усиленную изоляцию, а также надежный контакт с корпу­сом объекта установки.

Таблица 23

Значение коэффициента k

Реальной землей летательного аппарата, судна на плаву является ме­таллический корпус, при неметаллическом корпусе — магистральная шина заземления или металлические конструкции, имеющие надежное электриче­ское соединение между собой.

Заземление корпуса осуществляется системой проводов или одним общим проводом и обеспечивает электрическое объединение всех металли­ческих элементов конструкции модулей, доступ к которым возможен при наладке, регулировке и ремонте, с заземлителем. Заземлителем называют проводник или систему проводников, выполненных из проводящего мате­риала и находящихся в непосредственном соприкосновении с почвой; ней­тралью первичной питающей сети, располагаемой обычно около фундамен­та здания; либо с внешней поверхностью фюзеляжа летательного аппарата, обшивкой судна и т. п. Заземление корпуса должно гарантировать сохране­ние потенциала нейтрали на элементах конструкции при нарушении изоля­ции провода распределительной системы электропитания и касании этим проводом металлических конструкций. Система блокировки при подобной ситуации отключает аппаратуру от питающего напряжения и защищает пер­сонал от поражения электрическим током.