Book6 (Конструирование РЭС (архив книг)), страница 4

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.

Рис. 6.15. Схема с плавающим
заземлением

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-

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

Рис. 6.18. Габаритные размеры экранированного электронного устройства

267

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

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.

Рис. 6.19. Принцип действия

магнитного экрана:

/ — источник магнитной помехи;

2 — силовые линии магнитного

поля; 3 — экран

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. 6.20. Зависимость Рис. 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 • 10³ ) на частотах f≤100 Гц имеет вид

(6.11)

из немагнитных материалов (μ.= 1; Z^Н_Д /Z_M >> 1)

При k_мt→0 K(п)→0 и

(6.12)