5.4 Проектування систем заземлення засобів вимірювальної техніки

При проектуванні засобів заземлення ЗВТ конструкторові необхідно знайти компроміс між багатьма взаємно протилежними умовами. Заземлююча система повинна: представляти собою ланку опорного джерела напруги для аналогових і цифрових схем; забезпечувати сигнальні і силові ланки повернення струму; утворювати опорні площини для антен; запобігати появі поблизу антен високочастотних потенціалів; захищати людей та обладнання від грозових розрядів; захищати людей та обладнання від несправностей у ланках джерел живлення; знімати статичні заряди.

Заземлююча система повинна бути детально спроектованою, щоб задовольняти усім наведеним вимогам і одночасно звести до мінімуму небажані паразитні зв’язки між сигналами, які призводять до виникнення завад [1].

Заземлення – це ланка повернення струму з низьким імпедансом. З цього слідує, що протікання будь-якого струму у системі заземлення призводить до виникнення різниці потенціалів. Для надійної роботи обладнання необхідно, щоб ця різниця потенціалів була незначною у порівнянні з амплітудами діючих у схемі сигналів. Тому, при проектуванні системи заземлення необхідно виконувати такі вимоги:

1) підтримувати імпеданс заземлення на якомога нижчому рівні,

2) контролювати рівень струму, що протікає між джерелами і навантаженнями.

Для зменшення різниці потенціалів необхідно обмежувати розмір системи заземлення. Для більшості випадків максимальна відстань між двома сусідніми точками заземлення не повинна перевищувати 0,1, де  – довжина хвилі сигналу з максимальною частотою [19].

На рис. 5.9 зображена схема з плаваючим заземленням, яка застосовується для пристроїв з дуже високим рівнем чутливості. Така заземлююча система вимагає повної ізоляції схеми від корпусу (високого опору і малої ємності), у іншому випадку вона буде малоефективною. Як джерела живлення у такій системі доцільно використовувати батареї або акумулятори.

Рисунок 5.9 - Схема з плаваючим заземленням

На рис. 5.10 зображена схема заземлення, у якій реалізовано принцип заземлення у одній (загальній) точці. Кожна окрема схема і кожен екран мають свій відвід до загальної точки. Кожна основа або кожна стійка приєднуються до монтажної панелі за допомогою одного провідника.

Рисунок 5.10 - Система з заземленням у одній точці

При такому підході зникає паразитний зв’язок через загальний імпеданс і зменшується імовірність утворення низькочастотного паразитного контуру з замиканням на “землю”.

Заземлення у одній точці є доволі ефективним до частоти 1 МГц. Однак, чутливі аналогові схеми можуть сприймати завади внаслідок індуктивного і ємнісного паразитних зв’язків, не зважаючи на велику кількість заземлюючих провідників.

На рис. 5.11 зображена модифікована система заземлення у загальній точці. Схеми з приблизно однаковим рівнем завад з’єднані разом, причому найбільш чутливі схеми розміщені найближче до загальної точки. Такий принцип заземлення зменшує загальну кількість необхідних проводів заземлення, незначно підвищуючи, при цьому, паразитний зв’язок через загальний імпеданс. Коли друкована плата має окремі заземлюючі ланки для аналогових і цифрових вузлів, їх необхідно з’єднати за зустрічно – паралельною схемою (діоди CR₁, CR₂ на рис. 5.11) для захисту друкованої плати від статичної електрики, коли вона не вмонтована у систему.

На рис. 5.12 зображена багатоточкова система заземлення. Окремі схеми і ділянки корпусу у цій системі з’єднані багатьма короткими ( ) перемичками, щоб звести до мінімуму рівень стоячих хвиль. Така система заземлення вимагає ретельного контролю, створює багато паразитних контурів з замиканням на “землю” і тому її не рекомендується використовувати для чутливих схем.

На рис. 5.13 зображена комбінована заземлююча система, яка є поєднанням одноточкової, багатоточкової і плаваючої заземлюючих систем. На рис. 5.13, а показана схема заземлення з загальною точкою у поєднанні з багатоточковим заземленням цифрових мікросхем. На рис. 5.13, б котушка індуктивності служить розв’язуючим елементом між високочастотними схемами і корпусом, та одночасно забезпечує стікання статистичних зарядів на “землю”. На рис. 5.13, в конденсатори, що розміщені один від одного на відстані 0,1 вздовж ізольованого кабелю, запобігають появі стоячих хвиль і низькочастотних паразитних контурів з замиканням на “землю”. При використанні двох останніх варіантів заземлення необхідно детально конструювати заземлюючу систему, щоб уникнути появи у ній резонансних явищ через наявність паразитних ємностей та індуктивностей.

Рисунок 5.11 Модифікована одноточкова схема заземлення

Доволі розповсюдженою, однак, доволі складною є система заземлення у виді гірлянди (рис. 5.14).

Рисунок 5.12 – Багатоточкова система заземлення

Рисунок 5.13 – Комбіновані системи заземлення

При використанні такої схеми заземлення завади можна послабити, якщо ланки з високим рівнем завад розмістити у одній гірлянді, а чутливі ланки - у іншій. У тій гірлянді, де знаходяться ланки з високим рівнем завад, послідовність розміщення буде наступною: ланки з незначним рівнем завад, ланки з більш високим рівнем завад, ланки з максимальним рівнем завад, корпус. Порядок розміщення ланок у тій гірлянді, де завади відсутні, наступний: чутливі схеми, більш чутливі схеми, найбільш чутливі схеми, корпус.

Рисунок 5.14 – Система заземлення у виді гірлянди

При заземленні чутливих аналогових схем необхідно особливо ретельно контролювати струми у ланках заземлення. На рис. 5.15, а показана схема операційного підсилювача, у якій як ланка повернення сигналу використовується заземлення джерела живлення постійного струму. У такій схемі завади можуть виникати внаслідок дії паразитного індуктивного зв’язку і зв’язку через загальний імпеданс. Додавши лінію повернення струму сигналу і два шунтуючих конденсатори з малими втратами С₁ і С₂ (рис. 5.15, б), можна зменшити площу контуру, охопленого сигналом, і тим самим послабити індуктивний паразитний зв'язок. Крім того, при цьому послаблюється і зв'язок через загальний імпеданс, оскільки ланки повернення сигналу і джерело живлення розділюються.

Отже, як видно з наведеного, правильно спроектувавши заземлюючу систему можна доволі суттєво понизити рівень завад та наводок у електронних системах і, завдяки цьому, конструювати ЗВТ з покращеними характеристиками та низьким рівнем похибок.

Рисунок 5.15 – Використання шунтуючих конденсаторів та лінії повернення струму сигналу для зменшення площі струмових контурів

Контрольні запитання до теми “Електромагнітна сумісність вузлів засобів вимірювальної техніки”

1. Пояснити, що таке електромагнітна сумісність вузлів ЗВТ?

2. Пояснити особливості забезпечення електромагнітної сумісності аналогових вузлів ЗВТ.

3. Пояснити особливості забезпечення електромагнітної сумісності цифрових вузлів ЗВТ.

4. Які параметри дають змогу дають змогу описати розповсюдження електромагнітного поля у певному середовищі?

5. Як визначаються хвильові опори електричного, магнітного та електромагнітного полів у ближній та дальній зонах?

6. Як визначаються хвильові опори електричного, магнітного та електромагнітного полів при кінцевих значеннях імпедансу джерела випромінювання?

7. Що викликає появу перехресних завад у лініях зв’язку приладів?

8. Які лінії зв’язку вважаються “електрично короткими”, а які “електрично довгими”?

9. Пояснити дію моделі перехресних завад з розподіленими параметрами.

10. Пояснити дію ємнісної моделі перехресних завад з зосередженими параметрами.

11. Пояснити дію індуктивної моделі перехресних завад з зосередженими параметрами.

12. Пояснити процес виникнення завад у двох провідниках із загальним шаром “землі”.

13. Пояснити, для чого здійснюється розбиття та компонування вузлів ЗВТ?

14. Що таке заземлення і заземлюючі системи?

15. Пояснити роботу системи з заземленням у одній точці.

16. Пояснити роботу системи заземлення з плаваючим заземленням.

17. Пояснити роботу модифікованої одноточкової системи заземлення.

18. Пояснити роботу багатоточкової системи заземлення.

19. Пояснити роботу комбінованих систем заземлення.

20. Пояснити роботу системи заземлення, побудованої у виді гірлянди.

21. Пояснити заходи, що застосовуються в аналогових схемах для зменшення площі струмових контурів.

Л Е К Ц І Я № 10

Т Е М А 6: Проектування захисних екранів

Якщо при розробці конструкції аналогового вузла ЗВТ вищенаведені міри з забезпечення електромагнітної сумісності виявляться недостатніми, то необхідно здійснити екранування такого вузла, яке зменшує перехресні завади у необхідну кількість разів. Екранування полягає в локалізації електромагнітної енергії у визначеному просторі. Ефективністю екранування (Є) називається відношення напруг, струмів, напруженостей електричного і магнітного полів в області під екраном при наявності та відсутності екрану. Ефективність екранування (дБ) розраховується з виразу [1]:

, (6.1)

де U, I, E, H - напруга, струм, напруженість електричного і магнітного полів в області захисту без екрану;

U’, I’, E’, H’ - напруга, струм, напруженість електричного і магнітного полів в області захисту при наявності екрану.

У ближній зоні дії поля завади використовується екранування електричної, або магнітної складових поля, а у дальній зоні – електромагнітного поля.

Для більшості випадків ефективність екранування повинна становити 30 – 60 дБ. Отвори та зазори у екрані обмежують послаблення електричних і високочастотних магнітних полів, в той час як послаблення низькочастотних магнітних полів визначається матеріалом екрану і його товщиною. Для ефективного послаблення магнітних полів матеріал екрану повинен бути ненасиченим.