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

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 6.13. Разводка шин питания: а — последовательная;

б — параллельная; в — в виде замкнутых контуров

яния внешнего помехонесущего магнитного поля по периметру печат-

ной платы следует предусмотреть внешний замкнутый контур.

6.4. Заземление

Система заземления — это электрическая цепь, обладающая свой-

ством сохранять минимальный потенциал, являющийся уровнем отсче-

та в конкретном изделии. Система заземления в РЭС должна обеспечи-

вать сигнальные и силовые цепи возврата, защищать людей и оборудо-

вание от неисправностей в цепях источников питания, снимать статиче-

ские заряды.

К системе заземления предъявляются следующие основные требо-

вания:

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 зазем-

ления (рис. 6.14). Соответственно системы заземления могут быть на-

званы 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 по-

тенциал. 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) со-

здают большие возвратные токи заземления, которые могут влиять на

малосигнальные ФУ. При необходимости наиболее критичный ФУ сле-

дует подключать как можно ближе к точке опорного заземления.

Одноточечная параллельная система заземления (рис. 6.14,6) иск-

лючает паразитную связь через общий импеданс, и уменьшается веро-

ятность образования низкочастотного паразитного контура с замыкани-

ем на шину «земля». Она может использоваться эффективно для час-

тот 1 МГц.

Многоточечную систему заземле-

ния (рис. 6.14, в) следует использо-

вать для высокочастотных схем

(f> 10 МГц), подключая ФУ РЭС в

точках, ближайших к опорной точке

заземления.

Для чувствительных схем приме-

няется схема с плавающим заземле-

нием (рис. 6.15). Такая заземляющая

система требует полной изоляции

схемы от корпуса (высокого сопро-

тивления и низкой емкости), в про-

тивном случае она оказывается мало-

эффективной. В качестве источни-

Рис. 6.15. Схема с плавающим

заземлением

ков питания схем могут использоваться солнечные элементы или акку-

муляторы, а сигналы должны поступать и покидать схему через транс-

форматоры или оптроны.

Пример реализации рассмотренных принципов заземления для де-

вятидорожечного цифрового накопителя на магнитной ленте показан

на рис. 6.16 [31]. Здесь имеются следующие шины земли: три сигналь-

ные, одна силовая и одна корпусная. Наиболее восприимчивые к поме-

хам аналоговые ФУ (девять усилителей считывания) заземлены с по-

Рис. 6.16. Система заземления девятидорожечного цифрового накопителя

на магнитной ленте

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 пе-

редачи 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 под-

ключения 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

В общем виде экран представляет собой несущий элемент конструк-

ции, изолирующий РЭС или ее часть от окружающего пространства.

Форма экрана определяется формой объекта защиты, способом уста-

новки 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 антенна-

ми 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, защи-

щающий проводник от помех, создает дополнительную емкостную

связь «проводник — экран», которую необходимо учесть при

согласо-

вании цепей, соединенных этим проводником. Несколько проводников,

объединенных в жгут, могут иметь как общий экран, так и индивиду-

альные экраны в виде экранирующих оплеток.

Из компонентов элементной базы защиты экранированием требуют

чаще всего моточные изделия: катушки индуктивности, трансформато-

ры, дроссели, обмотки реле. Катушки индуктивности, работающие в

мегагерцевом диапазоне частот, обычно не имеют магнитных сердечни-

ков и обладают полем, распространяющимся далеко за габаритные раз-

меры катушки. Применение экранов позволяет ограничить объем про-

странства для нормального функционирования катушки, уменьшить

влияние ее поля на соседние элементы, повысить плотность компонов-

ки. Из-за поглощения части энергии материалом экрана параметры ка-

тушки необходимо скорректировать. Экранирование дросселей и

трансформаторов требуется при использовании повышенных рабочих

частот электропитания (более 100 Гц). Активные элементы в виде по-

лупроводниковых 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, ес-

ли 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 дик-

туется, с одной стороны, эффективностью защиты, а с другой стороны

— производственными условиями, удобством изготовления, возможно-

стью 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

внутренней поверхностью экрана должны быть гарантированные

зазоры XI, Х2, Y1, Y2, Z1, Z2 , обеспечивающие удобство сборки,

электрическую прочность монтажа, тепловой режим и другие условия,

необходимые для нормального функционирования устройства. Толщи-

ны стенок экрана ХТ1, ХТ2, YT1, YT2, ZT1, ZT2 будут определяться

эффективностью подавления помехи,

механической прочностью конструкции,

удобством закрепления и размещения на

объекте. У экрана имеется функциональная

поверхность с размерами XF, YF, ZF (одна

или несколько), через которую (которые)

осуществляется связь экранированной

части РЭС с внешними цепями и

устройствами:кабельный и жгутовой вводы

через разъемные

Рис. 6.18. Габаритные

размеры экранированного

электронного устройства

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 электро-

магнитной обстановке может наблюдаться преобладание отдельного

вида поля. Поэтому при поиске оптимальной конструкции следует раз-

личать:

магнитные экраны для подавления магнитной составляющей поля

помехи;

электростатические экраны для подавления электрической состав-

ляющей поля помехи;

электромагнитные экраны для подавления обоих составляющих по-

ля помехи.

Принцип работы магнитного экра-

на показан на рис. 6.19. Магнитный

по-

ток от источника помехи замыкается в

толще экрана и лишь частично попада-

ет в пространство радиоэлектронного

устройства. Чем больше магнитная

проницаемость материала экрана, тем

большая часть энергии магнитной со-

ставляющей поля будет сосредоточи-

ваться в толще экрана. Поэтому наи-

большей эффективностью будут обла-

дать конструкции, изготовленные из

ферромагнетиков: железа (Fe), никеля

(Ni), кобальта (Со), гадолиния (Gd).

Корпуса приборов и устройств, выпол-

ненные из немагнитных материалов,таких как сплавы алюминия

(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

Рис. 6.19.

Принцип

действия

магнитного экрана:

/ — источник магнитной

помехи;

—

силовые линии

Рис. 6.20. ЗависимостьРис. 6.21. Зависимость коэффи- Рис. 6.22. Зависимость

коэффициента отраже- циента поглощения К( п) от общего коэффициента

ния К (о) от частоты при частоты для магнитного экрана экранирования К (э )

магнитном экранирова- (толщина стенки 1 мм) от частоты для магнит-

нии (толщина ного экрана (толщина

стенки 1 мм) стенки 1 мм)

Суммарная эффективность экранирования К(э) для различных

материалов представлена на рис. 6.22. Однако вклад каждой состав-

ляющей 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 пример-

но 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 • 10

) на частотах f≤100 Гц имеет вид





















+== tk

oKHK

1lg20)()( (6.11)

из немагнитных материалов (μ.= 1; Z

>> 1)





















+= )(

1lg20)0( tkth

При k

t→0 K(п)→0 и

)0()( KHK













⋅+=





















fRt

1041lg20)(

1lg20 (6.12)

269

Эффективность магнитных экра-

нов увеличивается с ростом частоты/

(рис. 6.23) и толщины стенок t (рис. 6.24).

Однако с увеличением размеров экрана

R К(Н) заметно снижается. Основными

материалами для таких экранов следует

выбирать магнитомягкие материалы:

технически чистое железо (АРМКО,

005ЖР, 008ЖР), карбонильное железо,

низкоуглеродистые нелегированные

стали и пермаллои. Эти материалы,

имеющие требуемые магнитные свойст-

ва, удобны для изготовления экраниру-

ющих оболочек разными методами пла-

стической деформации. Самым про-

стым и надежным материалом следует

считать технически чистое железо. Оно

служит основным компонентом боль-

шинства магнитных материалов. Маг-

нитные свойства его будут определять-

ся количеством и составом примесей, из

которых наиболее вредными являются:

углерод (С), кислород (О), сера (S), во-

дород (Н). Из электротехнических ста-

лей для магнитных экранов подходят

те, которые допускают пластическую

деформацию, например 10895, ЭТ20895,

ЭТ21895. Лучшими материалами для

магнитных экранов следует считать же-

лезо-никелевые сплавы (пермаллои),

обладающие наибольшей магнитной

проницаемостью в слабых магнитных

полях. С учетом пригодности к пласти-

ческой деформации лучше всего при-

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 диа-

пазоне низких частот. С увеличением частоты повышенная магнитная

проницаемость теряет свое значение из-за вытеснения магнитного поля

ближе к поверхности экрана.

270

Рис. 6.23. Частотная зависимость

волнового сопротивления экра

на

Рис. 6.24. Эффективность магнит-

ного экрана в зависимости от тол-

щины стенки для ферромагнит-

ных материалов на частоте 10 кГц

Таблица 6.1

Материал

Толщина

листа,

мм

ρ-10

-6

Ом·мм

μ ГОСТ, ТУ

Технически

чистое железо

0,1 ... 3,9

100 250 ТУ14-1-1720-76

Карбонильное

железо 0,1 ... 3,9

100 4000 ГОСТ 13610-79

Электротехни-

ческие нелеги-

рованные

стали: 10895,

20895, 11895,

21895

0,1 ... 3,9 140 3000 ГОСТ 3836-83

Пермаллои:

79НМ

80ХНС

81 НМЛ

0,005

... 22

0,005

... 22

550

620

800

10000 ...

25000

25000 ...

50000

ГОСТ 10160-75

Немагнитные материалы, такие как ла-

тунь, сплавы алюминия, магния, титана,

действуют как электромагнитные экраны.

Поэтому их эффективность при защите от

магнитных полей очень мала, что подтвер-

ждают графики рис. 6.25.

Электростатические экраны с целью

уменьшения потенциала вторичной помехи

целесообразно изготовлять из материалов с

высокой проводимостью. Такими конструк-

ционными материалами, прежде всего, слу-

жат двойные латуни (Л70, Л80, Л85, Л90),

деформируемые алюминиевые сплавы АДО,

АД1, АМц. Если экран изготовляется путем

механической обработки (резание, точение,

фрезерование), то более удобны свинцови-

стые латуни ЛС63-1, ЛС74-3, ЛС64-2, дура-

ли Д16, В95.

Эффективность электростатического

экрана оценивается по формуле













⋅













1011.1

1lg20)(

271

Рис. 6.25. Эффективность

магнитных экранов из

немагнитных материалов на

частоте 10 кГц

Экранирующий эффект конструкционных материалов корпусов ра-

диоаппаратуры, рассчитанный по этой формуле, представлен на графи-

ках рис. 6.26 и 6.27 для R = 50 мм. Из графиков видно, что при/= 0 экра-

нирующий эффект стремится к бесконечности, но с ростом частоты

снижается. Причина заложена в частотной зависимости волнового со-

противления пространства электрической составляющей поля:

=(ωε

-1

. (6.14)

Рис. 6.26. Зависимость эффек- Рис. 6.27. Зависимость эффективности

тивности электростатического электростатического экрана от частоты

экрана от толщины стенки

Обязательным условием такого экранирования является соединение

экрана с корпусом прибора или землей. Роль электростатического эк-

рана может выполнять металл с любым удельным сопротивлением. На-

пример, на частоте/= 10

Гц эффективность экранирования для высо-

коомного титана ВТЗ и низкоомного АМц будет равна:

ρ(ВТЗ) = 1360 10

-6

Ом мм, K(E) = 180дБ,

ρ(АМц) = 30- 10

-6

Ом мм, K(E) = 210дБ.

Относительное изменение эффективности экранирования и удель-

ного 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

=220

Б для t=10мм,

К(Е)

Аl

=160дБ для t=1мкм

272