Назаров А.С. (ред.) Конструирование радиоэлектронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 5.52. Вариант конструкции

функциональной ячейки

с тепловой трубой:

/ — 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 эф-

фекта Пельтье, заключающегося в том, что на границе (спае) двух раз-

личных проводников при протекании

электрического тока в зависимости от его

направления выделяется или поглощает-

ся тепло. Эффект Пельтье проявляется

тем сильнее, чем больше термоэлектро-

движущая сила в контакте выбранных ма-

териалов. Наибольшая термоэлектродви-

жущая сила возникает на спае двух полу-

проводников с р- и n-проводимостыо.

Поэтому спай полупроводников с элект-

ронной и дырочной проводимостью явля-

ется термоэлементом (рис. 5.53). Объеди-

нение термоэлементов в батарею позво-

ляет получить термоэлектрические холо-

дильники.

Если источник напряжения включен в

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

от окружающей среды или

охлаждаемого объекта, от горячего спая за счет теплопроводности

передается поток Р

При протекании электрического тока через

термоэлемент часть электрической энергии преобразуется в тепловую

(джоулевы потери). „

В стационарном режиме сумма поступающих к холодному спаю теп-

ловых потоков компенсируется за счет эффекта Пельтье, т.е.

243

Рис. 5.53.

Полупроводниковый

термоэлемент

=Р

+Р

Если пренебречь теплопередачей в окружающее пространство с

боковых поверхностей термоэлемента, то Р

= σ

Δ.t, где σ

— тепловая

проводимость термоэлемента между горячим и холодным спаями; Δ t—

разность температур горячего и холодного спаев.

Учитывая, что коэффициенты теплопроводности р- и п- полупро-

водника приблизительно равны, σ

= 2λS/l где S — площадь попе-

речного сечения полупроводниковых элементов; l— их длина.

Предполагая, что джоулево тепло распределяется поровну между

холодным и горячим спаями, можно записать Р

= 0,5I

R , где I— ток,

протекающий через термоэлемент; R — электрическое сопротивление

термоэлемента.

Поскольку Р

= ± ПI , где П — коэффициент Пельтье, холодопро-

изводительность термоэлемента

= ПI-0,5I

-σ

Δt; (5.55)

тепловой поток, который требуется отводить с горячего спая,

= ПI+0,5I

R-σ

Δt .

Коэффициент полезного действия термоэлемента определяют как

η = Р

/Р, где Р — полная электрическая мощность, отбираемая от ис-

точника электропитания. Ввиду того что Р = UI, U=IR + Е

, где Е

= γ Δ t — термоэлектродвижущая сила, возникающая на спае при разно-

сти температур горячего и холодного спаев Δ t (γ— коэффициент Зее-

бека), коэффициент полезного действия

η = (ПI-0,5I

R-σ

Δt)/(γIΔt+I

R).

Различают два экстремальных режима работы термоэлемента: мак-

симального коэффициента полезного действия и максимальной холо-

допроизводительности. Первый из режимов обеспечивает минималь-

ные 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 I

OPT

, протекающего через термоэлемент.

Термоэлектрические батареи получают путем последовательного

или параллельного включения отдельных элементов. При создании си-

стемы охлаждения объекта с помощью термоэлектрической батареи 1

244

Рис. 5.54. Определение Рис. 5.55. Использование

оптимального значения термоэлектрической батареи

тока термоэлемента для охлаждения объекта

предусматривается электрическая изоляция объекта 2 и теплообменни-

ка 4 диэлектрическими прокладками 3, выполненными из материала с

высоким коэффициентом теплопроводности (рис. 5.55).

Разработанные в настоящее время конструкции термобатарей рас-

считаны на площадь охлаждаемых объектов 2...31 мм ; имеют массу

0,01...62 г, объем — 2...760 мм . Потребление от источников электропи-

тания составляет 0,15...8 Вт. Время выхода термобатареи на рабочий ре-

жим лежит в пределах 2...5 с.

6. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС С УЧЕТОМ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

6.1. Проблема электромагнитной совместимости

Электромагнитная совместимость (ЭМС) РЭС — это их способ-

ность функционировать совместно и одновременно с другими техниче-

скими 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, электротех-

нике и связи, вызвана следующими основными причинами:

повышением быстродействия полупроводниковых приборов и элек-

тронных схем;

непрерывным возрастанием общего числа РЭС;

245

недостаточным числом свободных от помех радиоканалов во всех

освоенных диапазонах;

возрастанием общего уровня помех, главным образом, от индустри-

альных 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 по-

мехоустойчивость и быстродействие РЭС;

трудностью и большими материальными и временными затратами,

связанными с поиском и устранением причин низкой помехоустойчиво-

сти РЭС.

Анализ проблемы обеспечения ЭМС РЭС [28, 29] показывает, что

можно выделить следующие ее научно-технические аспекты:

1.Радиочастотный ресурс. Изучение условий пользования радио-

каналами для различных радиослужб и условий разработки принципов

управления ресурсом, включая экономические концепции.

Непреднамеренные электромагнитные помехи. Выявление ис-

точников и определение энергетических, частотных и временных ха-

рактеристик НЭМП, моделирование и изучение влияния среды на их

распространение, изучение особенностей влияния НЭМП на работу

различных рецепторов; совершенствование методов и средств измере-

ний помех; создание НТД на допустимые уровни помех и реализация

соответствующих стандартных требований.

Характеристики ЭМС. Подход к определению роли и значения

какой-либо характеристики ЭМС зависит от уровня, на котором реша-

ется задача ЭМС. Принято рассматривать три уровня: межсистемный —

между отдельными автономными системами; внутрисистемный — внут-

ри 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.

Электромагнитная обстановка (ЭМО). Определение реаль-

ных электромагнитных условий, в которых функционирует или должно

функционировать конкретное изделие при наличии или отсутствии по-

лезного сигнала на его сигнальном входе в случае действия НЭМП че-

рез 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 па-

раметров радиоизлучения и приема РЭС, особенно таких, которые оп-

ределяют ширину полосы частот радиоизлучения и влияют на ЭМС

РЭС. Требования к параметрам радиоизлучений и приема зафиксирова-

ны в государственных стандартах и общесоюзных нормах на параметры

радиоизмерений и приема РЭС. Основные принципы нормирования па-

раметров 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 по-

мехозащищенности (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, реали-

зация требований НТД в части ЭМС на всех стадиях разработки изде-

лий, создание более совершенной НТД, обеспечение контролепригод-

ности РЭС по параметрам ЭМС, функционирование специальных

служб ЭМС.

На конструкторско-технологическом этапе разработки РЭС основ-

ными 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 уз-

лов РЭС, обеспечивающая снижение уровней.внутренних помех.

6.2. Экранирование

Экранирование — конструкторское средство ослабления электро-

магнитного поля помех в пределах определенного пространства. Кон-

струкции, реализующие указанные требования, называются экранами.

Экраны применяются как для отдельных ЭРЭ, компонентов МСБ и мо-

дулей различных уровней, так и для РЭС в целом, которые могут быть

либо источниками, либо рецепторами помех. Необходимость экраниро-

вания 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 за-

висимости 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 индук-

ции 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. «Пре-

имущественно» в том смысле, что хотя ближняя зона всегда характери-

зуется двумя составляющими индукции H и Е, в зависимости от харак-

теристики ИП может преобладать одна из двух составляющих. Элект-

ромагнитное 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 высокоом-

ным по отношению к волновому сопротивлению плоской волны, а поле

Н — низкоомным.

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

составляющих

поля ближней зоны распространения в зависимости от расстояния до ИП

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 схе-

мы замещения (рис. 6.2, б), на которой действие электрического поме-

248

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

и обратная схема замещения (б)

хонесущего поля представлено эквивалентной емкостью связи С

св

. Ес-

ли источник синусоидальный ЭДС е

действует на угловой частоте ώ,

то напряжение помех в цепи рецептора и

определяется как

свp

CjZ

ω/1+

••

(

6.1

)

где Z

— комплексное сопротивление цепи рецептора помех, состоя-

щее из параллельно включенных входного сопротивления R

вх

и емко-

сти С

относительно корпуса.

Если входное сопротивление РП является чисто активным: Z

= R

вх

Сω

то напряжение помех

ВХСВ

ип

RСjeu +≈

•

т.е. прямо

пропорционально ЭДС ИП, его частоте, входному сопротив-

лению рецептора и емкости связи между ИП и РП. При этом цепь пере-

носа помех является дифференцирующей. В случае

СВ

ВХ

гласно (6.1) напряжение помех

)/(

pсвCB

ип

ccceu +=

•

(6.2)

Обычно С

>>C

СВ

, и, следовательно, согласно (6.2) напряжение помех

на рецепторе и

= ё

св

/С

. На фиксированной частоте при дейст-

249

вии нескольких источников помех на один рецептор напряжение помех

согласно принципу суперпозиции

CBi

∑

•

где п — число источников помех, ё

,- — ЭДС i-го источника помех,

СВi

-емкость связи i-ro источника с рецептором.

Поместим между ИП и РП металлический лист Э (рис. 6.3). Пренеб-

регая остаточной емкостью связи между элементами источника и ре-

цептора, определяем уровень наведенного напряжения, пользуясь схе-

мой замещения (рис. 6.3, а), где С

иэ

, С

рэ

— емкости элементов ИП и

РП относительно металлического листа Э; С

эк

— емкость металличе-

ского листа относительно корпуса. Напряжение помех на экране

=é

иэ

/(С

иэ

+С

эк

Рис. 6.3. Схема замещения для определения емкостных помех:

а — незаземленный экран; б — заземленный экран

Уровень наведенного напряжения определяется как

ù'

≈ ù

pэ

/(C

pэ

Подставляя в полученное выражение напряжение на экране и

, пол-

учаем

ù’

≈ é

иэ

рэ

/(С

иэ

эк

)(С

рэ

). (6.3)

Оценим значение наводимых напряжений до установки экрана и по-

сле в соответствии с формулами (6.2) и (6.3). Если, например

250

эк

<<С

иэ

, то напряжение на листе согласно (6.3) примерно равно

ЭДС источника помех и, следовательно,

ù'

≈ é

рэ

/(С

рэ

(6.4)

Так как емкость связи между листом и рецептором помех много

больше начальной емкости связи между экранируемыми элементами,

т.е. С

рэ

>>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 уве-

личении емкости листа на корпус С

эк

и становится наибольшей при его

коротком замыкании (рис. 6.3, б). Это объясняется возможностью сте-

кания на землю зарядов, индуцированных на экране, и замыкания элек-

трической цепи источника помех. При введении заземленного экрана

остаточная емкость связи между элементами С '

св

много меньше на-

чальной, т.е. С '

св

<< С

св

, и наводимый уровень помех при этом оказы-

вается много меньше исходного:

ú'

= é

С'

св

/(С'

св+

рэ

) ≈ ё

С'

св

/(С

рэ

Выражение для емкости связи двух элементов конструкции, находя-

щихся в свободном пространстве:

св

= С

/4π ε

(6.5)

где ε

— диэлектрическая проницаемость среды.

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

б.2,а)























































−

+−=

1/11

4 d

св

πε

(6,6)

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

применять дифференциальное

включение РП, что практически позво-

ляет значительно ослабить влияние ем-

костных синфазных помех (рис. 6.4).

Основные требования, которые

предъявляются к электрическим экра-

нам, можно сформулировать следую-

щим образом:

конструкция экрана должна выби-

раться такой, чтобы силовые линии

электрического поля в основном замы-

кались на стенке экрана, не выходя за

его пределы;

в области низких частот эффектив-

ность электростатического экраниро-

вания практически определяется качеством заземления экрана на кор-

пус изделия и мало зависит от материала экрана и его толщины;

в области высоких частот эффективность экрана, работающего в

электромагнитном режиме, наряду с качеством заземления определя-

ется его толщиной, проводимостью и магнитной проницаемостью эк-

рана.

Экранирование магнитного поля. Магнитная связь двух электри-

ческих цепей определяется их взаимной индуктивностью М, зависящей

от индуктивностей источника L

и ре-

цептора L

, помех, представленных на

рис. 6.5 в виде сосредоточенных элемен-

тов, и коэффициента связи k

, т.е.

pиl

LLkM = . Если в цепи ИП протека-

ет синусоидальный ток I

с угловой час-

тотой со, то в цепи рецептора изведется

эдс

= -MdI

/dt = -jώMI

Индуцированная ЭДС вызывает в це-

пи РП ток, который определяется как

= -jώMI

/(jώL

нp

где Z

, Z

— внутреннее сопротивле-

ние соответственно рецептора и источ-

Рис.

6.4.

Ослабление

емкостной

связи путем

дифференциального

Рис. 6.5. Эквивалентная

схема

индуктивной связи между

электрическими цепями

источника и рецептора

помех