Диссертация (Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов), страница 16

Применениеподобного типа кабеля возможно для электрометрических схем по данным[54], так как полиэтилен является неполярным диэлектриком с низкой утеч­кой. Разбалансировка моста регистрируется микроамперметром PA1, вклю­чённым в диагональ моста. В другую диагональ моста включён источникпитания 5 В. В схеме применён двойной триод 6Н23П, как обладающей наи­большей линейностью характеристики в обращённом режиме из испытанныхламп.На схеме на рис.4.5 в цепях катодов ламп включены интегральные стаби­лизаторы напряжения DA1 и DA2 типа TL431. Они смещают рабочую точкулампы в область отрицательного смещения на аноде и подавляют плавающийпотенциал анода [54], что дополнительно уменьшает дрейф нуля и позволяетповысить стабильность показаний.По входу прибора включён емкостной делитель, образуемый двумя отрез­ками коаксиального кабеля L1 и L2. Устройство такого емкостного делителяпонятно из принципиальной схемы.

Соединение конденсатора связи с анодом112лампы VL1.1 осуществляется через центральную жилу коаксиального кабе­ля. К центральной жиле кабеля также подключён щуп (Вход 1), которыйиспользуется для проведения измерений с высокой чувствительностью без ем­костного делителя. Данный щуп соединён напрямую с анодом лампы VL1.1.В оплётке кабеля на расстоянии L1 выполнен разрыв и к оплётке подключенещё один щуп (Вход 2).

Ёмкость связи (С2 на рис.3.12) образуется междуцентральной жилой и отрезком оплётки кабеля L1 и определяется длинойотрезка L1. Входная ёмкость (C4 на рис.3.12) равна сумме ёмкость отрезкаL2, ёмкости анод-катод лампы и ёмкости монтажа. Коэффициент деления ем­костного делителя определяется по формуле (3.4). Его можно варьировать икалибровать прибор на разное напряжение полного отклонения стрелочногоприбора на всю шкалу, включая параллельно входу прибора конденсатор смалой утечкой (например фторопластовый или полистирольный) известнойёмкости. При этом изменяется ёмкость С4.Выражение для напряжения на входе электрометра (3.1) справедливотолько в том случае, если на ёмкости связи и входной ёмкости электромет­ра нет начального заряда.

По этой причине необходимо перед проведениемизмерений данные ёмкости разряжать замыканием на землю.Для выполнения данного требования служит конструктивное исполне­ние щупов прибора. Измеритель имеет два щупа. Длинный щуп подключен квнешней обкладке конденсатора связи, а короткий щуп к центральной жилекоаксиального кабеля. В промежутке между измерениями щупы вставляютсяв отверстие в заземлённом металлическом корпусе измерителя, чем обеспечи­вается разряд входной ёмкости прибора и ёмкости связи путём замыканияэтих емкостей на землю.Опытный образец измерителя был изготовлен на предприятии ОАО «Ка­лужский электромеханический завод» и использован для контроля остаточно­го электростатического потенциала на персонале и оборудовании на участке113поверхностного монтажа в производственных условиях.Опытный образец имеет предел измерения с емкостным делителем 200В, а без емкостного делителя — 20 В.Перед установкой измерителя на участок поверхностного монтажа сбо­рочного цеха он был испытан на дрейф нуля.

Экспериментально было опре­делено время прогрева прибора до выхода показаний в ноль. Оно составилоне более 7 минут. В дальнейшем в течении 8 часов дрейфа нуля измерителяс помощью применяемого отсчётного устройства (микроамперметр стрелоч­ный М24 с током полного отклонения 50 мкА) обнаружено не было.До использования данного измерителя контроль персонала на наличиеэлектростатических зарядов производился косвенным путём при помощи те­стера заземления. С помощью тестера заземления контролировалось каче­ство заземления операторов через антистатические браслеты.

Возможностьпрямого контроля и оценки остаточного статического заряда на персоналеи оборудовании отсутствовала. При использовании разработанного измерите­ля электростатических потенциалов появилась возможность контроля элек­тростатических потенциалов. С использованием данного измерителя быливыявлены остаточные электростатические потенциалы на персонале участкаповерхностного монтажа от нуля до 30 В. Такое максимальное значение оста­точного электростатического потенциала является значительно ниже опасно­го уровня (100 В) для наиболее чувствительных к статическому электриче­ству электронных компонентов, применяемых в производстве.К недостатком разработанного измерителя можно отнести необходимостьего прогрева в течении не более 7 минут перед проведением измерений.

Дан­ный недостаток не является препятствием к применению данного прибора.К достоинствам данного измерителя можно отнести высокую устойчи­вость к воздействию перегрузок по входу, что повышает надёжность приборав эксплуатации и гарантирует исправность прибора после ошибочных дей­114ствий оператора.4.4.2. Разработка схемы сопряжения электрометра с АЦП сприменением гальванической развязкиДля сопряжения разработанного электрометра с аналогово-цифровымпреобразователем была разработана схема усилителя постоянного тока с галь­ванической развязкой. Такой усилитель также позволяет получить защитуузлов оконечной обработки измерительного прибора, например АЦП, микро­процессоров и т.п., так как при попадании перенапряжения на вход происхо­дит только повреждение электронных компонентов до элемента развязки.Поставленная задача может решаться несколькими способами.

Из лите­ратуры известны реализации с применением системы модулятор-демодулятор[47]. Другим возможным решением является предварительное преобразова­ние аналогового сигнала в цифровой с помощью АЦП с выходом в последо­вательном коде, и затем передача его по цифровому каналу с оптронной раз­вязкой [47].

Недостатком всех схем с преобразованием постоянного в тока впеременной является то, что всегда будет происходить просачивание частотынесущей во входную цепь. В некоторых случаях это является недопустимым,так как не обеспечивается электромагнитная совместимость.От указанного недостатка свободны схемы с применением гальваниче­ской развязки на базе диодной оптопары. В таких схемах преобразование по­стоянного тока в переменный отсутствует и, следовательно, отсутствует пара­зитное просачивание несущей частоты во входную цепь.

Зарубежной промыш­ленностью выпускаются диодные оптопары специально с повышенной линей­ностью предназначенные для построения усилителей постоянного тока. При­мером таких оптопар являются приборы HCNR200 и HCNR201 (Avago)[17].Простейшим схемотехническим решением для усилителя постоянного то­115ка с развязкой на диодной оптопаре было бы включение оптопары междудвумя каскадами УПТ. Но такое схемотехническое решение обеспечит низ­кую линейность усиления, так как диодная оптопара имеет нелинейную зави­симость фототока фотодиода от тока светодиода. В ходе исследований быласнята зависимость напряжения выходного тока от входного напряжения длявключения оптопары АОД101Б с резистором 1,5 кОм последовательно со све­тодиодом.

Ток фотодиода измерялся цифровым мультиметром. График этойзависимости показан на рис. 4.6.70Ток фотодиода, мкА605040302010001234Напряжение светодиода, В56Рис. 4.6. Зависимость тока выхода от напряжения входа для оптопары АОД101БИз зависимости видим, что эта зависимость нелинейна, что не позволя­ет использовать диодную оптопару для развязки каскадов УПТ. Также этазависимость различается для различных экземпляров оптопар. Поэтому дляобеспечения повторяемости коэффициента передачи необходим подбор эле­ментов схемы совместно с конкретным экземпляром оптопары.Поэтому для повышения линейности УПТ применяется включение вто­рой оптопары в цепь отрицательной обратной связи. Также коэффициент116усиления подобных схем УПТ не зависит от характеристик конкретного эк­земпляра оптопары, а зависит только от номиналов элементов цепи обратнойсвязи. Обе оптопары должны иметь идентичные характеристики.

Примеромтакой оптопары, содержащей в одном корпусе светодиод и два фотодиодаявляется HCNR200.Прототипом разработанного УПТ с опторазвязкой с дифференциальнымвходом является УПТ на операционном усилителе (ОУ), описанный в паспор­те на оптопару HCNR200 [17]. Отличием разработанной схемы от прототипаявляется использование дифференциального входа.Схема разработанного УПТ показана на рис.4.7VDD2VDD1R6R3DA2U1R1IN+R5R2DA1VSS2R4IN-OUTVSS1Рис. 4.7. Схема электрическая принципиальная усилителя с опторазвязкой с дифферен­циальным входом.

VDD1, VSS1 — напряжение питание входной ступени; VDD2, VSS2 —напряжение питания выходной ступени; IN+, IN- — входы УПТ; OUT — выход УПТ.Резисторы R1 и R2 на схеме обеспечивают замыкание цепи по постоян­ному току при отсутствии сигнала.Произведём анализ схемы. Для анализа схем на ОУ с опторазвязкойприменимы те же принципы, что и для всех остальных схем на ОУ. Согласно117принципу неответвления токов и принципу эквипотенциальности входов ОУ[73], выходное напряжение ОУ DA1 и следовательно ток светодиода оптопарыустановится таким образом, что ток 1 фотодиода , включённого междувходами ОУ DA1 будет равен: 1 = + − −3 + 4(4.1)где + , − — напряжение на зажимах усилителя IN+ и IN- соответствен­но.Из (4.1) видим, что ток 1 фотодиода пропорционален дифференци­альному входному напряжению.