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

Подождите немного. Документ загружается.

Относительное изменение ΔК(Е) /K(E) = (220- 160) /220 = 27,2%

хотя толщина стенки изменилась в 10

раз.

Отсюда следует, что при конструировании электростатических эк-

ранов марка материала и его толщина выбираются исходя из удобств

изготовления, коррозионной стойкости, механической прочности. В

табл. 6.2 приведены основные электрические характеристики конст-

рукционных материалов для РЭС и их металлические покрытия.

Таблица 6.2

Материал

экрана

ρ 10

Ом

мм

Материал

покрытия

ρ 10

Ом мм

Ст 10 120 100 Серебро 15 1

АМц 30 1

Алюмини

Д16 47,6 1 Медь 17

АЛ4 46,8 1 Никель 68 59.. 530

АЛ9 45,7 1 Хром 130

МА2 120 1 Кадмий 74

ВТЗ 1360 1 Цинк 59

Л90 45 1 Олово 113

Л68 72 1 Золото 22,5

ЛЖС58-1-1

70 1 Палладий

108 1

Пример 6.1. Определить размеры электростатического экрана для

функционального узла на печатной плате с размерами 120x80x20 мм.

Ослабление помехи на частоте 100 кГц не менее 120 дБ.

Выберем зазоры между печатной платой и экраном согласно обозначе-

ниям рис. 6.21: XI = Х2 = Y2 = 5 мм , Y1 = 15 мм для установки разъема. Раз-

меры экрана составят: ХЕ - 120 + 5 + 5 = 130 мм , YE = 80 + 5 + 15 = 100 мм,

ZE = 20 + 5 + 5 = 30MM, откуда R = max {AE, YE, ZE}= 130мм.

Толщину экрана XT находим из формулы (6.13) после ее преобразо-

вания: t= 1,11•1O

-12

-K(E)fρR.

В качестве материала выбираем латунь Л68:

XТ=1,11- 10

-12

·10

·72·10

-6

·130=1,04·10

-3

мм≈1 мкм.

Из условий механической прочности, жесткости и технологии пла-

стической деформации толщину стенки выбираем равной 0,4...0,5 мм.

Рассмотрим расчет конструкций электромагнитных экранов. Как

следует из рассмотренных принципов конструирования электростати-

ческих и магнитных экранов, их работа основана на замыкании энергии

соответствующих полей в материале экрана вследствие лучшей элект-

ропроводности или магнитопроводности материала по сравнению с ок-

ружающей средой.

273

Такой способ экранирования пригоден и

оправдан в области только низких частот. С

ростом частоты растет величина вихревых то-

ков в материале, наведенных полем помехи.

Энергия помехи, достигая поверхности экра-

на, вызывает появление этих токов. Глубина

проникновения токов наводки в стенку экрана

зависит от частоты из-за явления поверхност-

ного эффекта. По этим причинам величина

высокочастотного тока изменяется по сече-

нию стенки по закону, который для однород-

ного материала можно считать экспоненци-

альным (рис. 6.28):

I(x)=I(0)∙ехр{-αx}, (6.15)

где I(х) — амплитуда тока помехи на расстоянии x от

поверхности экрана; 7(0) — амплитуда тока помехи на

наружной поверхности экрана; а — коэффициент

вихревых токов: α = [0,5ωμ

/ρ]

1/2

, где μ

= μ

μ.,

_μ

= 1,256- 10

-8

Гн/см — магнитная проницаемость

вакуума; μ — относительная магнитная проницаемость.

Выполним преобразование: I (0) /I (х) = ехр {α х}.

Если I(0)/I(x) = е, то

х =1/α. (6.16)

Толщина стенки экрана х, на которой ток наводки ослабляется в е

раз, носит название скин-слоя, где е — основание натурального лога-

рифма. Толщина скин-слоя находится по формуле

δ=x[I(0)/I(x) = e] =1/a Ом·м

/м. (6.17)

Если выбрать единицы измерения f— в МГц, ρ — в Ом • мм

/м , то

для магнитных материалов (μ>>1), таких как сталь, пермаллои, фер-

риты, формула приобретает вид

δ ≈ 0,5 [ρ/(fμ)]

1/2

мм. (6.18)

Для немагнитных материалов (Al, Cu, Mg) μ= 1, и

δ ≈ 0,5 [ρ/f]

1/2

мм. (6.19)

274

Рис. 6.28.

Поглощение

электромагнитной

помехи за счет

скин-эффекта

Задаваясь величиной ослабления помехи К(э), можно по величине

скин-слоя определить минимальную толщину стенки электромагнит-

ного экрана:

t = lnK[э]/δ (6.20)

В соответствии с энергетическими прин-

ципами [32, 33] коэффициент электромаг-

нитного экранирования К(э) можно предста-

вить в виде совокупности двух составляю-

щих: составляющей коэффициента экрани-

рования за счет коэффициента отражение

К(о) и составляющей экранирования за счет

поглощения в материале экрана К(п). Анализ

вклада каждой составляющей в суммарный

коэффициент можно сделать на основании

графиков рис. 6.29:

1. Наибольший коэффициент электро-

магнитного экранирования достигается для

материалов с волновым сопротивлением ми-

нимальной величины Z

. Поэтому при выбо-

ре материала следует соблюдать условие

>>Z

,где Z

= 377 Ом.

2. На частотах больше 1 МГц резко увели-

чивается вклад поглощения помехи за счет скин-эффекта, который, в

свою очередь, для материалов с меньшим удельным сопротивлением

усиливается.

3. Тонкие проводящие пленки толщиной до 0,1 мм обеспечивают

до-

статочно высокое и постоянное ослабление помехи в широком диапазо-

не частот f< 100МГц.

Низкий уровень Z

обеспечивается материалами, имеющими в

своем составе высокое содержание алюминия, меди, серебра, золота,

бериллия, марганца, т.е. металлов с удельным сопротивлением

ρ ≤50 • 10

-6

Ом • мм. В общем случае толщина стенки экрана, обеспе-

чивающая необходимую механическую прочность и жесткость конст-

рукции, вполне достаточна для значительного подавления помехи от

электромагнитной волны для К(э) = 100...200 дБ. Нетрудно видеть из

графиков на рис. 6.30—6.32, что обычная алюминиевая, медная,

латунная фольга толщиной 20...30 мкм обеспечивает высокую

степень экранирования уже на частоте 100 кГц. В случае применения

литых пластмассовых корпусов такую фольгу можно наклеивать на

стенки специ-

275

Рис. 6.29.

Эффективность

медного и алюминиевого

покрытий при экранирова-

нии в зависимости

от частоты

Рис. 6.30. Эффектив- Рис. 6.31. Эффективность Рис. 6.32. Эффектив-

ность алюминиевых эк- экранов из АРМКО ность экранов из латуни

ранов в зависимости от в зависимости от частоты ЛЖС58-1-1 в зависимости

частоты от частоты

альными клеями: фенольными (БФ, ВК), эпоксидными (ЭД, ВК-7, Л-4),

полиамидными (МПФ-1), перхлорвиниловыми (ХВС22А, Д10, М-10).

Другой способ экранирования пластмассовых корпусов РЭС заклю-

чается в нанесении на них тонких проводящих пленок. Так, с по-

мощью вакуумного напыления можно нанести слой меди или алюми-

ния до 4...5 мкм. Можно также использовать химическое осаждение меди.

Реальный экран нельзя сделать абсолютно замкнутой металличе-

ской оболочкой. Так, для соединения с внешними цепями необходимы

отверстия, чтобы вывести проводники. Для размещения электронного

устройства экран необходимо делать разъемным. При соединении разъ-

емных частей возможно появление щелей. Щели также могут появить-

ся при неудачной пайке, сварке. Для отвода тепла с помощью естест-

венной и принудительной конвекции конструктор вынужден предус-

мотреть отверстия. В результате на поверхности экрана неизбежно на-

личие отверстий различных форм и

размеров, которые, естественно, вызо-

вут снижение экранирующих свойств

конструкции. Необходимо свести к

минимуму эти нежелателпные явле-

ния.

Типичными формами отверстий в

экране можно считать прямоугольную щель

с размерами X и Y (рис. 6.33, б)

и круглое отверстие диаметром D (рис. 6.33, а).

При наличии прямо-

Ри

с. 6.33. Типичные

отверстия

в экране: а — круглое

отверстие;

б — прямоугольная щель

угольной щели эффективность электрически негерметичных экранов

можно подсчитать по формуле

XдБ

tXY

эK 2,3.2716.4lg20)( >>+













−= λ

(6.21)

Для вентиляции и установки индикаторов и органов регулировки в

экране делаются круглые отверстия. В этом случае эффективность эк-

рана вычисляется по формуле

K(э)=-20lg(3.3D/λ) +32t/D, дБ; λ>>πD (6.22)

Появление отверстий в экране не окажет значительного влияния,

если Х≤ 0,05 λ

7. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

7.1. Особенности конструирования электрических соединений

Конструкция электрических соединений в значительной степени

определяет качество и надежность конструкции РЭС. Искажение, зату-

хание и задержка сигнала в электрической линии связи, а также помехи

могут нарушить нормальное функционирование РЭС: вызвать сбой

цифрового или изменить параметры аналогового изделия. Кроме того,

методы монтажа [34, 35] влияют на массогабаритные показатели РЭС.

От монтажа фактически зависят в настоящее время трудоемкость и

стоимость изделий: только операции сборки составляют 50...70% от

об-

щей трудоемкости изделий; в результате монтажа чаще всего возника-

ет потребность в использовании драгоценных металлов, а также таких

остродефицитных материалов, как вольфрам, ковар и др. Нельзя также

забывать, что надежность РЭС во многом определяется числом свар-

ных и паяных соединений, т.е. процессом монтажа.

Развитие методов монтажа оказывает существенное влияние на кон-

структивное исполнение устройств РЭС; в свою очередь, методы мон-

тажа в значительной мере зависят от назначения РЭС.

Поиск оптимального конкретного конструктивно-технологического

варианта должен проводиться с учетом элементной базы и техники

монтажа. В соответствии с ТЗ на конкретный вид РЭС должны быть по-

следовательно рассмотрены следующие вопросы, связанные с процес-

сами монтажа: общая компоновка, компоновочная совместимость при-

нятой элементной базы и межсоединений; обеспечение защиты изде-

лий от дестабилизирующих факторов, обеспечение технологичности,

удобства эксплуатации и ремонта.

277

К основным этапам конструирования электрических соединений,

удовлетворяющих требованиям ЭМС, относятся:

расчет электрофизических параметров линий связи;

построение математических моделей линий, плат, элементной базы,

узлов и изделий в целом, пригодных для анализа их работы на ЭВМ;

оценка помехозащищенности узлов с помощью расчета помех в ли-

ниях связи коммутационных плат и межблочных соединениях и сопо-

ставление ее с допустимой.

При расчете параметров линий связи исходят из квазистатистиче-

ского приближения, что позволяет существенно упростить решаемую

задачу, сводя ее к статическому режиму. При этом применяется наибо-

лее общая модель элементарного отрезка линии, состоящая из последова-

тельно соединенных индуктивности L и активного сопротивления R и па-

раллельно включенных емкости С и проводимости а (табл. 7.1, п. 1). При

использовании диэлектриков в составе линии с очень малой проводи-

мостью (σ ≈ 0 модель упрощается (табл. 7.1, п. 2), и для большинства

случаев рассматриваются линии без потерь (табл. 7.1, п. 3), для кото-

рых активное сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с ин-

дуктивным. При проектировании линии связи можно характеризовать

физическими параметрами: волновым сопротивлением Z, коэффици-

ентом распространения волны в линии γ, коэффициентом фазы β, ко-

эффициентом затухания а, фазовой скоростью V^ , удельным време-

нем задержки распространения сигнала t'

= l/V

,. Модели элементар-

ных звеньев линии связи и их параметры представлены в табл. 7.1.

При анализе внутриаппаратурной ЭМС полезными оказываются не-

которые фундаментальные соотношения между электрическими пара-

метрами линий связи без потерь, справедливые при квазистатическом

приближении [33]. Эти соотношения приведены в табл. 7.2.

Недостаточное внимание, уделяемое вопросам искажения сигналов

в линиях связи, приводит к неполному использованию скоростных воз-

можностей электронных логических элементов и вносит ненадежность

в работу аппаратуры за счет появления ложных сигналов (помех).

7.2. Помехи и связи между элементами в РЭС

Помехой для РЭС является внешнее или внутреннее воздействие,

приводящее к искажению информации во время ее хранения, преобра-

зования, обработки или передачи.

Существует большое число различного рода помех, которые могут

быть классифицированы по причине наведения, характеру проявления

и пути распространения (рис. 7.1). Характерными особенностями помех

278

Таблица 7.1

Таблица 7.2

Расчетная формула

№

п/ п

Наименован

ие

параметра

Обозн

а-

чение

Основная

Через

базовый

параметр

Через е

Примечание

Погонная емкост

линии,

Ф/м

С — — C

r эф

Погонная

индуктивность

линии, Гн/м

L —

1 CV

—

Волновое

сопротивле-

ние, Ом

CL/

1/v

c CC

rээC

CV ε

Фазовая скорость,

м/с

L//1

CCV

C 0

rээ

Удельное время

задерж-

ки распространения

сигнала в линии, с/и

CL/

rээ

Диэлектрическая

постоянная

= 8,85 ∙10

-12

Ф/м

Магнитная

постоянная

= 1,256∙10

-6

Гн/м

Скорость света в вакууме

смV

/103

⋅==

µε

Эффективная

относительная

диэлектрическая

проницаемость

r эф

=C/C

Рис. 7.1. Классификация помех в РЭС

в линиях связи являются относительно малая длительность и большая

интенсивность. Существенное отрицательное воздействие оказывают

также и менее интенсивные, но более длительные возмущения.

Основные причины, вызывающие искажения сигналов при прохож-

дении их по линиям связи РЭС, следующие:

искажение формы сигнала при прохождении по цепям связи;

отражения от несогласованных нагрузок и неоднородностей;

перекрестные наводки из-за наличия паразитной связи между со-

седними цепями;

паразитные связи по цепям питания и земли;

наводки от внешних электрических, магнитных и электромагнитных

полей.

Степень влияния каждого из перечисленных факторов на искаже-

ние сигналов зависит от характеристики линий связи, логических эле-

ментов и сигналов.

Связи между элементами в РЭС можно выполнить различными спо-

собами:

281

в виде печатных или навесных проводников — для сравнительно

медленных РЭС;

в виде печатных полосковых линий, свитых пар (бифиляров) — в

РЭС с повышенными скоростями работы.

Рассмотрим однородную линию связи, представляющую собой два

параллельных провода, с волновым сопротивлением Z

При прохождении сигнала вдоль линии будут наблюдаться его ис-

кажения, выражающиеся в виде изменения амплитуды и формы. Точ-

ный анализ переходных процессов в линии с распределенными пара-

метрами аналитическим способом сложен даже для простейшей схемы,

состоящей из приемного или передающего элементов (рис. 7.2,а).

Рис. 7.2. Принципиальная (а), эквивалентная (б) схемы связи двух

элементов

и графики переходных процессов (в) в согласованной линии связи:

/ — R

и R

= Z

;

2—R

и R

или Д

и R

;

3 — R

, R

или R

, R

При анализе переходных процессов передающий элемент модели-

руется источником напряжения и

вых

с последовательно подключенным

сопротивлением R

, приемный — сопротивлением R

(рис. 7.2, б).

Минимальные искажения сигнала, выраженные в задержке на вели-

чину (где / — длина линии, Кф — фазовая скорость

электромагнитной волны), и некоторое уменьшение

амплитуды сигнала до

будут иметь место в режиме согласованной линии (кривая

282

Vф

tз =

НГ

Rн