lec06 Защита от механ воздействий и помех (Лекции проф Давыдова УГГИ), страница 3

Фиксация крепежных элементов. При воздействии вибраций возможно отвинчивание крепежных эле­ментов, для предотвращения которого вводят фиксаторы, увеличивают силы трения, устанавливают крепеж на краску и пр. При выборе методов фикса­ции крепежных элементов должны учитываться следующие соображения: обеспечение прочности соединения при заданных нагрузках и кли­матических воздействий; быстрота выполнения соединения, его стоимость; последствия, к которым приведет отказ соединения; срок службы.

Следует принимать во внимание возможность замены износившихся или поврежденных деталей, использо­вать вместо винтовых пар быстро сочленяемые элементы: петли, защелки, собачки и пр. Болты должны быть ориентированы головкой вверх, чтобы при отвинчивании гайки болты оказывались на установочном месте. Реко­мендуется применять несколько больших крепежных деталей вместо боль­шого числа маленьких. Число оборотов, необходимых для затягивания или отпускания винта, должно быть не менее 10.

Срок службы конструкции. При колебаниях в конструкциях возникают переменные напряжения и конструкции могут разрушаться при нагрузках, значительно меньших пре­дельной статической прочности материалов из-за появления микротрещин, на рост которых влияют особенности кристаллической структуры материа­лов, концентрации напряжений в углах микротрещин, условий окружающей среды. По мере развития микротрещин поперечное сечение детали ослабля­ется и в некоторый момент достигает критической величины - конструкция разрушается.

Если масса изделия не является критическим фактором, то конструкцию упрочняют, используя материалы с запасом, избегают введения отверстий, над­сечек, сварных швов, ведут расчеты конструкций методом наихудшего случая.

Конструктивную целостность аппаратуры и защиту от ме­ханических воздействий обеспечивает конструкционный материал, который должен удовлетворять заданными меха­ническими и физическими свойствами, обладать легкостью в обработке, коррозионной стойкостью, низкой стоимостью, иметь максимальное отно­шение прочности к массе и пр. В зависимости от сложности несущую конструкцию выполняют в виде единой детали либо составной, включающей несколько деталей, объединен­ных в единую конструкцию разъемными или неразъемными соединениями. В современной аппаратуре с применением микросхем масса несущих конструкций дости­гает 70 % от общей массы РЭА. Основной путь к снижению массы изделий — облегчение несущих конструкций при одновременном обеспечении ими требований прочности и жесткости.

Срок службы конструкции при вибровоздействиях определяется чис­лом циклов до разрушения, которое может выдержать конструкция при за­данном уровне механической нагрузки. Усталостные характеристики материалов выявляются на группе образцов при знакопере­менной повторяющейся нагрузке.

6.2. Защита АППАРАТУРЫ от воздействия помех [1, 2]

Надежность и достоверность работы РЭА и систем зависят от их помехозащищенности по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов РЭА зависят как сроки разработки изготовления и наладки РЭА, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации.

Природа помех. Помехой для аппаратуры является внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению аналоговой или дискретной информации в изделии во время ее хранения, преобразования, обработки или передачи. Помеха - непредусмотренный при проектировании РЭА сигнал, спо­собный нарушить ее функционирование. Так как сигналы в РЭА имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учитывать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации. Помехами могут быть напряжения, токи, электрические заряды, напря­женность поля и др. Источники помех многообразны по физической природе и подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние помехи возникают внутри работающей аппаратуры. Источ­никами электрических помех являются, в основном, блоки питания и токоразводящие цепи. Источни­ками магнитных помех являются трансформаторы и дроссели. При наличии пульсаций выходного напряжения вторичных источников электропитания цепи распределения электроэнергии, тактирующие и синхронизирующие це­пи следует рассматривать как источники электромагнитных помех. Значи­тельные помехи создают электромагниты, электрические двигатели, реле и электромеханические устройства. Внутренними помехами являются также помехи от рассогласова­ния волновых сопротивлений линий связи с входными и выходными сопро­тивлениями модулей, которые эти линии соединяют, а также помехи, возни­кающие по земляным шинам.

Под внешними помехами понимаются помехи сети электропитания, сварочных аппаратов, щеточных двигателей, передающей радиоэлектронной аппаратурой и пр., а также помехи, вызванные разрядами статического элек­тричества и атмосферными явлениями. Действие на аппаратуру внешних помех по физической природе аналогично действию внутренних помех.

Приемниками помех являются высокочувствительные усилители, ли­нии связи, магнитные элементы. Помехи проникают в ап­паратуру непосредственно по проводам или проводникам (гальваническая помеха), через электрическое (емкостная помеха), магнитное (индуктивная помеха) или электромагнитное поле. Многочисленные проводники, входя­щие в состав любой аппаратуры, можно рассматривать как приемо­передающие антенные устройства, принимающие или излучающие электро­магнитные поля.

Гальваническая связь возникает в результате протекания токов и па­дения напряжений на электрических соединениях, общих по цепям питания. Поэтому проводники, объединяющие модули в единую систему, должны быть по возможности короткими, а их поперечные сечения возможно большими, что приводит к уменьшению активного сопротивления и индуктивности проводов. Радикальным способом устранения гальванической помехи является устранение цепей, по которым проходят совместные токи питания и земли как чувствительных к помехам схем, так и сравнительно мощных схем.

Борьба с помехами приобретает все большую актуальность по следующим причинам.

1. Энергетический уровень информационных сигналов имеет тенденцию к уменьшению, а энергетический уровень внешних помех непрерывно увеличивается.

2. Увеличение взаимного влияния элементов из-за уменьшения габаритных размеров активных элементов и линий связи между ними, а также увеличение плотности их размещения.

3. Возрастание уровня помех из-за усложнения систем и расширения применения внешних устройств с большим количеством электромеханических узлов.

4. Внедрение РЭА во все сферы человеческой деятельности.

Рис. 6.2.1. Классификация помех в РЭА

Классификация помех. Помехи могут быть классифицированы по причине наведения, характеру проявления и пути распространения (рис. 6.2.1).

Основные причины, вызывающие искажения сигналов при прохождении их по цепям РЭА, следующие:

а)  отражения от несогласованных нагрузок и от различных неоднородностей в линиях связи;

б)  ухудшение фронтов и задержки, возникающие при включении нагрузок с реактивными составляющими;

в)  задержки в линии, вызванные конечной скоростью распространения сигнала;

г)  перекрестные помехи;

д)  паразитная связь между элементами через цепи питания и заземления;

е)  наводки от внешних электромагнитных полей.

Степень влияния каждого из перечисленных факторов на искажение сигналов зависит от характеристик линий связи, логических элементов и сигналов, а также от конструктивного выполнения всей системы элементов и связей.

Способы снижения помех. Электрическое объединение логических и других элементов РЭА осуществляют связями двух видов: сигнальными и цепями питания. По сигнальным связям информация передается в виде импульсов напряжения и тока. Шины питания служат для подведения энергии к элементам от низковольтных источников постоянного напряжения.

Помехи в сигнальных проводниках. Связи между элементами РЭА выполняются различными способами: для сравнительно медленных устройств - в виде печатных или навесных проводников; в устройствах с повышенными скоростями работы - в виде печатных полосковых линий, «витых пар» (бифиляров).

При группировке элементов по узлам и блокам между ними образуется большое число электрически «коротких » и электрически «длинных » связей.

Электрически «короткой» называют линию связи, время распространения сигнала в которой много меньше переднего фронта передаваемого по линии импульса. Сигнал, отраженный от несогласованных нагрузок в этой линии связи, достигает источника раньше, чем успеет измениться входной импульс. Свойства такой линии можно описать сосредоточенными сопротивлениями, емкостью и индуктивностью.

Электрически «длинная» линия связи характеризуется временем распространения сигнала, много большим фронта импульса. В этой линии отраженный от конца линии сигнал приходит к ее началу после окончания фронта импульса и искажает его форму. Такие линии следует рассматривать как линии с распределенными параметрами.

В ИС, ячейках и модулях связи, как правило, электрически «короткие» линии. В более крупных конструктивных единицах РЭА в основном электрически «длинные» линии. Доля «длинных» связей с ростом сложности аппаратуры возрастает.

Помехи в «коротких» связях. При анализе процессов передачи сигналов электрически «короткую» линию связи можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 6.2.2), содержащей сосредоточенные индуктивность L и емкость C (омическим сопротивлением пренебрегают), которые "затягивают" фронты сигналов и тем самым создают задержки срабатывания последующих схем.

Рис. 6.2.2.

В зависимости от геометрических размеров сечений линий, их длины, диэлектрических свойств изоляционных материалов, тот или иной параметр линии может преобладать и оказывать большее воздействие на процессы передачи сигнала, чем все остальные. Для уменьшения задержки в линиях с индуктивным характером связи следует увеличивать входное сопротивление элемента Э₂, при емкостном характере – уменьшать выходное сопротивление элемента Э₁.

С уменьшением геометрических размеров элементов и повышением плотности их размещения между сигнальными проводниками возникают емкостная и индуктивная связи, которые также можно представить как связь через взаимную емкость и взаимную индуктивность. При переключении элементов по сигнальным цепям протекают импульсные токи с крутыми фронтами, которые вследствие наличия паразитных связей наводят на соседних сигнальных проводниках помехи. При этом емкостная наводка изменяет потенциал всей линии связи, а индуктивная создает разность потенциалов между входом и выходом линии. Для снижения взаимных наводок необходимо уменьшать выходное сопротивление элементов, амплитуды токов, длину связей и их сечения, расстояние между линиями связи, применять изоляционные материалы с хорошими диэлектрическими свойствами.

Помехи при соединении элементов «длинными» связями. Электрически «длинную» линию связи рассматривают как однородную линию с распределенной емкостью С_о и индуктивностью L_o. Переходные процессы в таких линиях зависят от характера перепада напряжения u_вх на входе линии и соотношения волнового сопротивления линии z₀, выходного сопротивления z_r генератора импульсов и входного сопротивления z_н нагруженного на конец линии элемента (рис. 6.2.3).

Рис. 6.2.3.

Если линия с волновым сопротивлением z₀ нагружена на сопротивление z_н, и z₀= z_н, то такую линию называют согласованной, если z₀z_н, линию называют несогласованной. При этом волна напряжения, достигнув конца линии, отражается от него. Отраженная волна, достигнув начала линии, затухает при z_г=z₀. Если z_гz₀, волна вновь отражается от начала линии.

Процесс поочередного отражения волны напряжения от обоих концов линии связи идет с затуханием и продолжается до тех пор, пока амплитуда отраженной волны не уменьшится до нуля. Отраженные волны напряжения накладываются на падающие, и в итоге форма входного напряжения может существенно исказиться. Аналогичные явления происходят и с волной тока. Отражения волн напряжения и тока могут быть не только от несогласованных нагрузок на концах линий, но и от различных неоднородностей в ней самой.

Рассмотренные процессы могут вызывать выбросы напряжения. Для уменьшения влияния выброса на параметры нагружен­ных схем в качестве нагрузки используют диоды Шоттки как динамические нелинейные сопротивления. По мере возникновения паразитного выброса один из диодов начинает открываться до тех пор, пока его сопротивление не станет приблизительно равным волновому сопротивлению линии. Другой диод смещен в обратном направлении и предназна­чен для гашения обратного выброса. В результате энер­гия выбросов поглощается, что ведет к повышению устойчи­вости работы схем. Особенно эффективно использование диодов Шоттки для длинных (до 1 м) линий связей, обычно выполняемых бифиляром.

Паразитные наводки в «длинных» линиях связи. Если ли­нии связи между элементами не экранированы, то электро­магнитные поля, возникающие при прохождении по ним импульсных высокочастотных сигналов, не локализованы и в той или иной степени взаимодействуют между собой. При этом на линиях-приемниках возникают паразитные сигналы, форма и амплитуда которых зависят от характеристик линии-приемника и линии-индуктора, величины их связи между собой, параметров передаваемых сигналов и степени рассогласования самих линий.

Известно, что только при полном согласовании обеих линий импульс наводимого напряжения имеет минималь­ные амплитуду и длитель­ность. Рассогласование ли­нии-приемника на одном из ее концов приводит к увеличению амплитуды и длительности наводимой помехи.