Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

ника помех; Z нр , Z ни— сопротивление нагрузки цепи соответствен-

но рецептора и источника помех.

В результате наведенное напряжение помех на сопротивлении на-

грузки рецептора
Úп = -jώMIиZнp/(jώLp + Zp + Zнр).	(6.7)
В области низких частот при ώLр << Zp + Zнр	напряжение помех
Úп ≈ -jώMIиZнp/(Zp + Zнp).	(6.8)

Таким образом, согласно (6.8) в области низких частот напряжение помех, наводимое в цепи рецептора, увеличивается пропорционально частоте и индуктивности связи между ИП и РП. Если | Zр | << | Zнр| , то

напряжение помех

Úп ≈ - j ώ МI и ,

т.е. цепь переноса помех является дифференцирующей.

Вобласти достаточно высоких частот (при ώL p>> |Zp +Zнр|)

рост напряжения помех в соответствии с выражением (6.8) ограничивается самоиндукцией:

Ún≈-MZнрIu/Lр=-kLZнрIи√Lи/Lp

(6.9)

На фиксированной частоте при действии нескольких ИП на один РП согласно принципу суперпозиции и (6.9)

∙ n

U П = Z Н ,Р, åIиi М i / Lp

i=1

где п — число источников помех, IИi- ток j-го источника помех, Мi

индуктивность связи i-ro источника с
рецептором.
Для	определения			влияния
конструкторских			параметров			на
магнитную		связь		рассмотрим
широко	распространенный				случай
воздействия ИП в виде достаточно
протяженного провода с током Iи
на РП,	образующий замкнутый контур Рис. 6.6. Образование
цепи	длиной	l,	шириной		h	и	индуктивной
находящийся на расстоянии d от ИП в							связи междупроводоми
							замкнутымконтуром
плоскости, перпендикулярной помсхо-							проводников
несущему магнитному полю (рис. 6.6).							на печатной плате

Амплитуда наведенной ЭДС [30]

ėM = μlfIМln[(d + h)/d]cosΘ

в рецепторной цепи при заданной компоновке прямо пропорциональна магнитной проницаемости среды (μ длине контура рецептора l, амплитуде Im , его частоте f и зависит от взаимного расположения цепей ИП и РП, определяемых углом Θ .

Взаимная индуктивность цепей ИП и РП [29]

M = μ l ln[(d + h)/d]cosΘ/2π.

Для ослабления влияния магнитной связи в аппаратуре необходимо: максимально разносить цепи рецепторов и источников помех; по возможности компоновать цепи РП в плоскости, параллельной

направлению воздействующего на них помехонесущего магнитного потока;

уменьшать площадь петли, образованной цепью РП, сокращая длину l и расстояние между проводами h , что снизит магнитный поток,пронизывающий петлю (рис. 6.7,а).

Рис. 6.7. Конструктивные способы уменьшения магнитной связи в цепях: а — исходная цепь; б — укладка изолированного провода на шасси;

в — применение отдельного обратного корпусного провода; г — скрутка прямого и обратного проводов

Укладка изолированного прямого провода непосредственно на корпус или шасси изделия существенно снижает h (рис. 6.7, б). Применение отдельного обратного провода в качестве земляного позволяет устранить также кондуктивную связь через общий участок корпуса или шасси (рис. 6.7, в). При скручивании прямого и обратного проводов напряжения на соседних участках линии примерно одинаковы по уровню, но противоположны по знаку (рис. 6.7, г). Малая магнитная связь обес-

254

печивается и при использовании коаксиального кабеля, так как его оп7 летка, являющаяся обратным проводом, расположена концентрично относительно внутреннего провода, чем обеспечивается малое h .

Если применение указанных мер при проектировании РЭС ограничено, то для обеспечения трудоемкого ослабления помех необходимо прибегнуть к магнитному экранированию.

Основные методы экранирования магнитных полей основаны на шунтировании магнитного поля ферромагнитными материалами и вытеснении помехонесущего магнитного поля полем вихревых токов в эк-

ране.
Основные	требования, которые предъявляются к магнитностатиче-
ским экранам, можно сформулировать следующим образом:
магнитная	проницаемость материалов экрана должна быть возмож-

но более высокой; увеличение толщины сеток экрана приводит к повышению эффек-

тивности экранирования, однако при этом следует принимать во внимание возможные конструктивные ограничения по массе и габаритам;

стыки, разрезы и швы в экране должны размещаться параллельно линиям магнитной индукции;

заземление экрана не влияет на эффективность магнитостатического экранирования.

Экранирование электромагнитного поля. Целью экранирования является ослабление электромагнитного поля в ограниченной части пространства или в окружающем пространстве, если ИП находится внутри экрана. Электромагнитное экранирование охватывает диапазон

частот 10 3 ... 10 9 Гц.
Эффективность электромагнитного экранирования можно	выразить
в виде [30]
К(э)=К(о)+К(п)+К(п)В дБ,	(6.10)

где К(о)- затухание за счет отражения электромагнитной энергии от границ раздела «диэлектрик—экран» и «экран—диэлектрик»: для ос-

новной волны К(о) = 201g	| (ZД + ZM)2/4ZДZM |; К(п) — затухание
за счет поглощения: К(п) =	8,69 | КМ | t / 2 , где t — толщина стенки

экрана; К(п)В — затухание за счет многократных затухающих внутрен-

них переотражений в стенке экрана для остальных составляющих волн:

К(п)В = 201g| l-[(ZД-ZM)/(ZД+ZM)]2exp(-2kMt| -

При расчетах электромагнитного экранирования обычно пользуются модулями комплексных параметров: величиной, обратной эквива-

255

лентной глубине проникновения тока в металл | Км | = ωμσ и модулем волнового сопротивления металла | Z u | = ωμ /σ . В зависимости

от вида источника помехонесущего поля в расчетную формулу (6.10) подставляются следующие выражения:

Z ТД = μ0 /ε0 — волновое сопротивление воздуха электромагнитно-

му полю;

| ZНд | = ωμ0d — модуль волнового сопротивления воздуха магнитному полю;

|ZEД| = l/ωμ0d — модуль волнового сопротивления воздуха элект-

рическому полю;

d— расстояние от источника помехонесущего поля до экрана (ближняя зона).

Эффективность экранирования К( э ) зависит от электрических параметров материалов, размеров и формы экрана, наличия отверстий и т.д. Для обеспечения ЭМС существенно то, что любой реальный экран обладает конечной эффективностью. Рассмотрим некоторые физические факторы, определяющие свойства электромагнитных экранов.

На частотах, при которых размеры экрана значительно меньше длины волны, характерно заметное различие в ослаблении экраном электрического и магнитного полей. Причины типичной зависимости К(э) от частоты (1 и 2 на рис. 6.8) состоят в следующем. В электростатическом поле из-за концентрации зарядов на внешней стороне проводника поле внутри экрана отсутствует иК(э)=∞. В переменном электрическом поле по мере повышения частоты в стенках экрана увеличивается ток, обусловленный сменой знаков индуцированных зарядов. Этот ток сопровождается появлением электрического поля внутри экрана вследствие его конечной проводимости, и К( э ) при этом уменьшается. При дальнейшем росте частоты сказывается поверхностный эффект; токи концентрируются у поверхности, и поле внутри экрана вновь ослабляется. На низких частотах К(э) тем больше, чем толще экран и выше проводимость материала.

Характер ослабления магнитного поля на низких частотах оказывается иным. В постоянном магнитном поле действенны только экраны с относительной магнитной проницаемостью, большей единицы. Эффект экранирования обусловлен преимущественным замыканием силовых линий магнитного поля в толще экрана. В переменном поле по мере роста частоты К( э ) возрастает вследствие появления вихревых токов. При дальнейшем увеличении частоты за счет поверхностного эффекта экранирующие свойства резко увеличиваются, а К(э) тем выше, чем больше толщина стенок и магнитная проницаемость материала. Эф-

256

Рис. 6.8. Зависимости эффективности экранирования немагнитными и магнитными металлами от частоты при d = 1 м, t = 1 мм (кривые 1 — для меди; кривые

2 — для стали с ц = 1000; кривые 3 — для стали с ц = 100):

а — для электрического поля; б — для электромагнитного поля; в — для магнитного поля

фективность экранирования оказывается наименьшей на низких частотах. Поэтому экранирование ИП, создающего низкочастотное магнитное поле, наименее благоприятно.

Многослойное экранирование. Многослойные комбинированные конструкции экранов, состоящие из последовательно чередующихся слоев, выполненных из немагнитных и магнитомягких металлов, применяются для обеспечения высокой эффективности экранирования в широком частотном диапазоне. В многослойных экранах, составленных из металлов с различными характеристическими сопротивлениями ZC1≠ZC2≠…… ≠Zсп , используется система многократных отражений (рис. 6.9). В результате экран, состоящий из нескольких тонких слоев различных металлов, особенно в низкочастотной области, обладает большим экранирующим действием по сравнению с однородным экраном той же толщины.

Основные рекомендации по проектированию многослойных комбинированных экранов [30]:

257

1 . Многослойную конструкцию следует применять для магнитного насыщения экрана и обеспечения линейного режима его работы.

2. Внутренние слои многослойного экрана для обеспечения большего экранирующего действия и достижения минимальных потерь, вносимых в экранируемые узлы РЭС, следует выполнять из немагнитных

металлов.

Рис. 6.9. Отражение 3.Применение диэлектрических прокла-

электромагнитной энергии в трехслойном экране док, воздушных зазоров между металлическими

слоями может приводить к повышению К( п) в

в случае, если их толщина значительно превышает толщину металлических слоев.

4.Конструктивно многослойные экраны в РЭС достаточно сложны

игромоздки. Поэтому при проектировании следует рассмотреть возможные способы изменения компоновки РЭС для снижения влияния помехонесущего электромагнитного поля, а также найти пути повышения эффективности экранирования однослойного экрана.

6.3. Фильтрация

Фильтрация является основным средством ослабления кондуктивных помех, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного и переменного токов РЭС. Предназначенные для этой цели помехоподавляющие фильтры позволяют снижать кондуктивные помехи как от внешних, так и от внутренних источников. Эффективность фильтрации определяется вносимым затуханием фильтра [31]:

		∙		∙
S = 20lg		U1	= 20lg	I1	дБ
		∙		∙
	U2			I2

где ủ1, İ1 напряжение и ток нагрузки в исходном состоянии; ủ2, İ2 — напряжение и ток помех на нагрузке в цепи с фильтром.

К фильтру предъявляются следующие основные требования: обеспечение заданной эффективности S в требуемом частотном диапазоне (с учетом внутреннего сопротивления и нагрузки электрической цепи);

ограничение допустимого падения постоянного или переменного напряжения на фильтре при максимальном токе нагрузки;

258

обеспечение допустимых нелинейных искажений питающего напряжения, определяющих требования к линейности фильтра;

конструктивные требования — эффективность экранирования, минимальные габаритные размеры и масса, обеспечение нормального теплового режима, стойкость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность конструкции и т.д.;

элементы фильтра должны выбираться с учетом номинальных токов и напряжений электрической цепи, а также возможных возникающих в ней бросков напряжений и токов, вызванных нестабильностью электрического режима и переходными процессами.

Основные рекомендации по применению помехоподавляющих элементов и фильтров РЭС следующие.

Конденсаторы. Применяются как самостоятельные помехоподавляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Конструктивно помехоподавляющие конденсаторы делятся на:

двухполюсные типа К50-6, К52-1Б, ЭТО, К53-1А; опорные типа КО, КО-Е, КДО; проходные некоаксиальные типа К73-21;

проходные коаксиальные типа КТП-44, К10П-4, К10-44, К73-18,

К53-17;

конденсаторные блоки.

Основной характеристикой помехоподавляющего конденсатора является зависимость его импеданса от частоты. Для ослабления помех в диапазоне частот примерно до 10 МГЦ можно использовать двухполюсные конденсаторы с учетом малой длины их выводов. Опорные помехоподавляющие конденсаторы применяются до частот порядка 30...50 МГц. Симметричные проходные конденсаторы используются в двухпроводной цепи до частот порядка 100 МГц. Проходные конденсаторы работают в широком диапазоне частот примерно до 1000 МГц.

Индуктивные элементы. Применяются как самостоятельные элементы подавления помех и как последовательные звенья помехоподавляющих фильтров. Конструктивно наиболее распространены дроссели следующих видов: витковые на ферромагнитном сердечнике; безвитковые.

Основной характеристикой помехоподавляющего дросселя является зависимость его импеданса от частоты. На низких частотах рекомендуется применение магнитодиэлектрических сердечников марок ПП90 и ПП250, изготовленных на основе μ-пермаллоя. Для подавления помех в цепях аппаратуры с токами до 3 А рекомендуется использовать высокочастотные дроссели типа ДМ, при больших номинальных значениях токов — дроссели серии Д200.

259

Фильтры. Керамические проходные фильтры имеют миниатюрную конструкцию и позволяют эффективно подавлять помехи в широкой полосе частот.

Высокочастотные проходные керамические фильтры типа Б7, Б14, Б23 предназначены для подавления помех в цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов в диапазоне частот от 10 МГц до 10 ГГц. Конструкция таких фильтров представлена на рис. 6.10. Вносимое фильтрами Б7, Б14, Б23 затухание в диапазоне частот 10... 100 МГц возрастает приблизительно от 20...30 до 50...60 дБ и в диапазоне частот свыше 100 МГц превышает 50 дБ.

Керамические проходные фильтры типа Б23Б построены на основе дисковых многослойных керамических конденсаторов и безвитковых ферромагнитных дросселей (рис. 6.11). Безвитковые дроссели представляют собой трубчатый ферромагнитный сердечник из феррита марки 50В4-2, одетый на проходной вывод. Индуктивность дросселя составляет 0,08...0,13 мкГн. Корпус фильтра выполнен из керамического материала УФ-61, имеющего высокую механическую прочность. Корпус металлизирован слоем серебра для обеспечения малого переходного сопротивления между наружной обкладкой конденсатора и заземляющей резьбовой втулкой, с помощью которой осуществляется крепление фильтра. Конденсатор по наружному периметру припаян к корпусу фильтра, а по внутреннему — к проходному выводу. Герметизация фильтра обеспечивается заливкой торцов корпуса компаундом.

Рис. 6.10. Конструкция		Рис. б.П. Проходной фильтр типаБ23Б:
керамиче-		1	— резьбовая втулка;
скогопроходногофильтратипаБ7:		2	— корпус;
1	— сегнетокерамическая	3	— феррит;
трубка;		4	— металлизация;
2	—крепежный фланец;	5	— конденсатор;
3	— внутренняя обкладка;	6	— компаунд;
4	— внешняя обкладка;	7	—токонесущий стержень
5	— безвитковой дроссель;
6	— токонесущий стержень

260

Номинальные емкости фильтров — от 0,01 до 6,8 мкФ, номинальное напряжение 50 и 250 В, ток — до 20 А. Габаритные размеры фильтра: длина 25 мм, диаметр 12 мм. Вносимое фильтрами Б23Б затухание в диапазоне частот от 100 кГц до 10 МГц возрастает приблизительно от 30...50 до 60...70 дБ и в диапазоне частот свыше 10 МГц превышает 70 дБ.

Для бортовых РЭС перспективным является применение специальных помехоподавляющих проводов с ферронаполнителями, имеющими высокую магнитную проницаемость и большие удельные потери. Так, у проводов марки ППЭ вносимое затухание в диапазоне частот 10...1000 МГц возрастает с 6 до 128 дБ/м. Известны конструкции многоштыревых разъемов, в которых на каждый контакт устанавливается по одному П-образному помехоподавляющему фильтру. Габаритные размеры встроенного фильтра: длина 9,5 мм, диаметр 3,2 мм. Вносимое затухание фильтром в 50-омной цепи составляет 20 дБ на частоте 10 МГц и до 80 дБ на частоте 100 МГц.

Фильтрация цепей питания цифровых РЭС. Импульсные помехи в шинах питания, возникающие в процессе коммутации цифровых интегральных схем (ЦИС), а также проникающие внешним путем, могут приводить к появлению сбоев в работе устройств цифровой обработки информации.

Для снижения уровня помех в шинах питания применяются следующие схемно-конструкторские методы:

уменьшение индуктивности шин «питание» с учетом взаимной магнитной связи прямого и обратного проводников;

сокращение длин участков шин «питание», которые являются общими для токов от различных ЦИС;

замедление фронтов импульсных токов в шинах «питание» с помощью помехоподавляющих конденсаторов;

рациональная топология цепей питания на печатной плате.

Увеличение размеров поперечного сечения проводников приводит к уменьшению собственной индуктивности шин, а также снижает их активное сопротивление. Последнее особенно важно в случае шины «земля», которая является обратным проводником для сигнальных цепей. Поэтому в многослойных печатных платах желательно выполнять шины «питание» в виде проводящих плоскостей, расположенных в соседних слоях (рис. 6.12, а).

Навесные шины питания, применяемые в печатных узлах на цифровых ИС, имеют большие поперечные размеры по сравнению с шинами, выполненными в виде печатных проводников, а следовательно, и меньшие индуктивность и сопротивление. Дополнительными преимущест-

261

Рис. 6.12. Конструкции шин питания: а — в виде проводящей плоскости; б — навесные; в — двухслойная навесная; г —комбинированная навесная; / — шина питания; 2 — изоляция; 3 — медные проводники

вами навесных шин являются: упрощение трассировки сигнальных цепей, повышение жесткости печатных плат за счет создания дополнительных ребер, выполняющих также роль ограничителей, которые предохраняют ИС и навесные ЭРЭ от механических повреждений при монтаже и настройке изделия (рис. 6.12, б).

Высокой технологичностью отличаются шины «питание», изготовленные печатным способом и крепящиеся на печатной плате вертикально (рис. 6.12, в). Известны конструкции навесных шин, устанавливаемых под корпусами ИС, которые располагаются на плате рядами (рис. 6.12, г) и играют роль дополнительного теплоотвода. Рассмотренные конструкции шин «питание» обеспечивают также большую погонную емкость, что приводит к уменьшению волнового сопротивления линии «питание» ρ = L /C и, следовательно, снижению уровня импульсных помех.

Разводка питания ИС на печатной плате должна осуществляться не последовательно (рис. 6.13, а), а параллельно (рис. 6.13, б). Необходимо использовать разводку питания в виде замкнутых контуров (рис. 6.13, в). Такая конструкция приближается по своим электрическим параметрам к сплошным плоскостям питания. Для защиты от вли-

262