Диссертация (Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов), страница 5

Для данной цели используются элек­тромагнитные моделировщики или специализированное ПО, которые имеютограниченное применение на отечественных приборостроительных предпри­ятиях. Поэтому актуальна разработка методов моделирования прямого воз­действия ЭСР на РЭА.1.6. Моделирование элемента защиты от ЭСРДля моделирования прямого воздействия ЭСР необходимо иметь в рас­поряжении модель защитного элемента. Схемотехническому моделированиюзащитного элемента от ЭСР посвящены публикации [74].Как известно, защитный компонент GGMOST имеет вольт-амперную ха­рактеристику (ВАХ) тиристорного типа.

Такой вид ВАХ получается в ре­зультате защёлкивания паразитного горизонтального n-p-n транзистора, ко­торый образуется между стоковой и истоковой областью n-МДП транзистора[52, 60]. Такой режим работы МДП-транзистора не моделируется существу­ющими средсвами схемотехнического моделирования, основанными на ядреSPICE [74]. Для моделирования защитного компонента GGMOST его модельбыла составляется из дискретных компонентов по методике, приведённой в30[74].Эквивалентная схема защитного элемента и её ВАХ, полученные присхемотехническом моделировании показаны на рис.1.12 и 1.13 соответственно.Параметры компонентов на данной схеме оптимизированы для напряже­ния открывания равного 15 В. Выходное напряжение снимается с коллекторатранзистора Т1.

Затвор защищаемого МДП-транзистора последующих каска­дов включается между выходом схемы и землёй.Pr2моделированиена постоянном токеVaT_1IaV1U=V1DC1R3R=850 OhmR1R=30 OhmD1R4R=500 Ohm Comp=1N759R2R=100 OhmРазверткапараметраSW1Sim=DC1Param=V1Start=0Stop=30Points=200Рис. 1.12. Эквиалентная схема защитного элемента GGMOST в программе QucsВидно, что защитный компонент имеет ВАХ тиристорного типа, кото­рая получается в результате пробоя базоколлекторного перехода паразитно­го горизонтального n-p-n транзистора. Для моделирования данного пробояслужит стабилитрон D1.310.0716V1: 15.7Pr2.V: 15.40.0614120.051080.03UвыхIвх0.0460.0240.01200051015Uвх2025-230Рис. 1.13. ВАХ защитного элемента GGMOST в программе Qucs.

Штриховая кривая —выходное напряжение, сплошная кривая — входной ток.1.7. Методы измерения характеристикэлектростатических полей.1.7.1. Общие сведенияОпределение реальной электромагнитной обстановки при наличие ста­тического электричества играет важную роль при проведении испытаний иконтроле электростатических полей. Например, такие измерения позволяютвыявить материалы наиболее склонные к электризации, сравнить материа­лы по склонности к электризации, выбрать место установки нейтрализаторовэлектростатических зарядов, оценить время стекания зарядов [60, 64].Задача измерения параметров электростатических полей сводится к из­мерению напряжения, тока или заряда.

Обычные электроизмерительные при­32боры непригодны для решения поставленной задачи, так как имеют конечноевходное сопротивление [18]. Например если мы хотим измерить электростати­ческий потенциал заряженного проводника относительно земли, то при присо­единении вольтметра между проводником и землёй, заряд с проводника быст­ро стечёт на землю через входное сопротивление вольтметра. Не получитсяизмерить с помощью вольтметра и потенциал изолятора, так для измерениявольтметр требует протекания некоторого тока через его входное сопротив­ление, а через изолятор ток протекать не может.

Поэтому вольтметр в обоихслучаях покажет ноль.Следовательно для измерения характеристик электростатических полейнеобходима аппаратура с возможно более высоким входным сопротивлениеми сверхнизким входным током. При этом обеспечивается условие сверхмалогопотребления энергии от объекта измерений. Такая измерительная аппарату­ра носит название электрометрической аппаратуры. Подробности схемотех­ники и принципов действия электрометрической аппаратуры описаны в [54].Схемотехника устройств, описанных в книге в настоящее время устарела, нообщие их принципы работы актуальны до настоящего времени. Как альтер­нативный подход, можно для измерения характеристик электростатическихполей использовать датчики основанные на других физических принципах,чем традиционная электроизмерительная аппаратура. Краткий обзор мето­дов измерения характеристик электростатического поля имеется также в [60].1.7.2.

Электромеханические приборыОдним из первых средств измерений электростатических потенциаловбыли лепестковые электрометры [54, 75]. Их действие основано на взаимномпритяжении и отталкивании лепестков от корпуса под действие электроста­тического поля. В настоящее время эти приборы вышли из употребления как33средство измерения, но до сих пор используются для демонстраций в учебныхцелях в том числе и за рубежом, что показывают многочисленные публика­ции по данной теме [30]. Применение электроскопов в учебных целях обу­словлено наглядностью их принципа действия. Сходный принцип действияиспользуется в электростатических вольтметрах, которые используются донастоящего времени. Но эти приборы содержат точную механику в своёмсоставе и поэтому непригодны для производственных условий.1.7.3. Электронные приборыЗондовый методДругим вариантом построения прибора для измерения параметров элек­тростатических полей является усилитель со сверхнизким входным током, ковходу которого можно подключить например зонд, потенциал которого будетравен потенциалу точки поля в которой он помещён.

Такой усилитель называ­ется электрометрическим усилителем. Ранее подобная аппаратура строиласьна основе электрометрических радиоламп [51] со сверхнизким током управ­ляющей сетки. В настоящее время выпуск электрометрических ламп прекра­щён, и вместо них используются полупроводниковые приборы со сверхнизкимвходным током. Как правило, это операционные усилители со входным кас­кадом на полевых транзисторах с изолированным затвором.В особых случаях вместо полупроводниковых приборов во входном кас­каде электрометрического усилителя возможно применение приёмно-усили­тельных электронных ламп в обращённом режиме [54, 71].Ведущие мировые производители электронных компонентов выпускаютинтегральные микросхемы, предназначенные для построения подобной аппа­ратуры. Так фирма National Semiconductor (США) выпускает операционныйусилитель со сверхнизким входным током LMC6001 [34], предназначенный34для построения электрометров.

Входной ток микросхемы составляет 25 фА.Диапазон её входных напряжений составляет ±15 В.Приборы, содержащие в своём составе электрометрический усилительи связанный с его входом проводящий зонд называется зондовым измерите­лем электростатических потенциалов. Здесь важно заметить, что зондовыеизмерители всегда измеряют электростатический потенциал, хотя могут гра­дуироваться и в единицах напряжённости поля, и плотности зарядов. Всеподобные устройства чувствительны к потенциалу электростатического по­ля, и градуируются в единицах потенциала.Принцип измерения электростатических потенциалов зондовым методомоснован на явлении электростатической индукции [75]. На зонде в результатеэлектростатической индукции наводится некоторый потенциал, зависящий отпотенциала объекта измерений.

Этот потенциал измеряется электрометриче­ским усилителем и по нему градуируют данный измерительный прибор в еди­ницах потенциала объекта измерения. Каждой геометрии зонда и каждомурасстоянию между зондом и объектом будет соответствовать своя градуиро­вочная характеристика.Достоинством зондового измерителя является отсутствие в его конструк­ции движущихся частей и точной механики.Основным недостатком является наличие у прибора большого, но всё жеконечного входного сопротивления.

При этом происходит медленное стеканиезаряда с зонда на землю через входное сопротивление и измерения не могутпродолжаться бесконечно долго. Поэтому зондовый измеритель не подходитнапример для такой задачи, как измерение напряжённости электростатиче­ского поля Земли. Также зондовые измерители имеют значительный темпе­ратурный дрейф нуля электрометрического усилителя и в них имеет местонакопление заряда во входной ёмкости электрометрического усилителя. Нозондовые измерители пригодным для проведения контактных измерений.35Но несмотря на вышеуказанные недостатки, приборы основанные на зон­довом принципе измерений выпускаются отечественной и зарубежной про­мышленностью.Метод динамического конденсатораСамым употребительным датчиком электростатического поля являет­ся датчик с динамическим конденсатором («Field mill» - по англоязычнойтерминологии).

В измерителях с динамическим конденсатором происходитпреобразование электростатического поля в квазипеременное поле. Сведе­ния о конструкции и принципе действия такого измерителя содержатся в[18, 32, 38]. Схематически измеритель с динамическим конденсатором пока­зан на рис.1.14.Е14В2АА35+-ВRRРис. 1.14. Датчик с динамическим конденсатором. 1 — подвижная пластина; 2 — неподвиж­ные пластины; 3 — электродвигатель; 4 — усилитель; 5 — индикатор; R — измерительноесопротивление; Е - напряжённость электростатического поля; А и В — две группы непо­движных пластинДинамический конденсатор состоит из подвижного и неподвижного элек­трода. Подвижный электрод приводится во вращение от электродвигателя.В цепи неподвижного электрода при этом течёт переменный ток, мгновен­ное значение которое меняется от нуля, когда неподвижный электрод закрыт36подвижным до некоторого максимального значения, пропорционального на­пряжённости поля.

Этот переменный ток затем усиливается усилителем и егоамплитуда, пропорциональная напряжённости поля может быть выведена наиндикатор. По внешнему виду конструкция динамического конденсатора на­поминает мельницу, поэтому он и получил своё англоязычное название.В конструкции динамического конденсатора, показанной на рис.1.14, ис­пользуются две группы неподвижных пластин А и В, которые соединены по­парно. Такое конструктивное исполнение в сочетании с использованием диф­ференциального усилителя обеспечивает повышенную помехоустойчивостьсистемы.Принцип действия динамического конденсатора также основан на явле­нии электростатической индукции. На неподвижных пластинах при сектор­ной форме пластин и при равномерном вращении подвижного электрода счастотой наводится переменный во времени заряд, равный:1 = ε0 ()2(1.3)где ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; — напряжённость поля;() — переменная во времени площадь перекрытия пластин; — поправочный коэффициент на экранирование поля корпусом дина­мического конденсатора.

Всегда меньше или равен единице.Заряд изменяется во времени по треугольному закону, так как враще­ние пластин происходит равномерно. Ток в цепи измерительных сопротив­лений R будет равен производной заряда по времени и амплитуда этого токабудет равна:== 2ε0 0 где 0 — площадь неподвижных пластин37(1.4)Удобством датчика с динамическим конденсатором является то, что онградуируется в единицах напряжённости поля. Вариантом датчика с дина­мическим конденсатором является датчик с вибрирующим подвижным элек­тродом. В данной конструкции датчика электродвигатель отсутствует и по­движный электрод приводится в колебательное движение от вибратора. Втакой конструкции датчика происходят те же процессы, что и в конструкциис электродвигателем.