Диссертация (1137184), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Выполнить обзор и анализ причин возникновения и существующихметодов защиты БРЭА космических аппаратов от процессов внутренней49электризации и сопровождающих её электростатических разрядов исформулировать целевую задачу. На основе анализа этих методовсформулироватьновоенаправлениедляустранениявнутреннейэлектризации БРЭА КА. Это направление предполагает использование вкачестведиэлектриковпечатныхузловбортовойаппаратурыКАдиэлектриков, обладающих нанопроводимостью.2.

Провести компьютерное моделирование работы типового цифровогоустройствамультивибраторадляобоснованиявозможностизаменытрадиционных диэлектриков печатного узла на диэлектрики, обладающиенанопроводимостьюиисключающиевозможностьвозникновенияэлектростатических разрядов при электронном облучении.3. Разработатьметодикуиизготовитьмодельныйдиэлектрик,обладающий требуемым значением объемной проводимости для исключениявозможности возникновения электростатических разрядов при электронномоблучении.4.

Разработать методику и выполнить тестовые эксперименты поопределению электризуемости модельного диэлектрика под действиемэлектронного облучения в вакууме, в условиях близких к натурным условиямэксплуатации. Запатентовать предложенное в диссертации техническоерешение.5. Разработать методику экспериментальных исследований типовогоцифрового устройства мультивибратора путем применения модельногодиэлектрика с нанопроводимостью, и провести сравнение с результатамикомпьютерного моделирования.6.

Разработать метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭАкосмических аппаратов к ЭСР, выполнить экспериментальную проверкуметода, провести оценку влияния повышенной проводимости диэлектрикапечатной платы на характеристики БРЭА.Таким образом, в данной работе будет обоснованодин из способовпреодоления негативного влияния внутренней электризации.50Глава 2 Схемотехническое моделирование воздействия материалас заданными свойствами на работу типового электронного устройства –мультивибратора.В предыдущей главе были рассмотрены основные направленияисследований, посвящённые преодолению негативных эффектов объёмнойэлектризации элементной базы БРЭА КА и был представлен один из путейрешения данных проблем, состоящий в совершенствовании диэлектрическойсоставляющей БРЭА КА.

Таким образом была поставлена целевая задачавсего исследования доказать возможность существенного снижения влияниянегативных эффектов внутренней электризации на аппаратуру КА путемсовершенствованиядиэлектрическихматериаловкорпусовэлементов,печатных плат. Но для того чтобы приступить к применению такихматериалов необходимо проделать значительный объём предварительныхработ, состоящих в использовании математического аппарата для расчетовпараметров исходных состояний и последующих изменений исследуемыхматериалов, а также провести компьютерное моделирование работытиповогоцифровогоустройствамультивибраторадляобоснованиявозможности замены традиционных диэлектриков печатного узла надиэлектрики, обладающие нанопроводимостью и исключающие возможностьвозникновения электростатических разрядов при электронном облучении.

Вданнойглавебудетрассмотреназадачарасчетно-теоретическогоисхемотехнического моделирования воздействия такого материала на работутипового электронного устройства – мультивибратора.Длявыполненияэтойзадачинеобходимотакжеобоснованиевозможности её решения в общем виде, то есть создания расчетноматематической модели исследуемыхкасаетсявыясненияоптимизациипроцессов.

В первую очередь этовеличиныудельнойобъёмнойэлектропроводности диэлектрика печатной платы изучаемого прибора -51типового цифрового устройства (мультивибратора) При изучении явлениязаряжения поверхностей диэлектриков в элементной базе БРЭА (в частности,печатных плат) необходимо провести расчет токов, стекающих напроводники и заделки с фиксированным потенциалом из облучаемойдиэлектрической поверхности определенной толщины с заданной удельнойобъемнойэлектропроводностьюγd(темновая).Ввидуособенностейкосмического полёта, радиационная электропроводность мала и её вкладом вобщее протекание процесса электризации можно пренебречь.В таком случае, сток заряда на электроды обеспечивается за счет γ d ,которая может рассматриваться как постоянная величина. Проблемасводится, таким образом, к решению соответствующей задачи по расчетураспределения полей и токов в квазистационарном приближении длянестандартной геометрии электродов.Увеличиваятемновуюэлектропроводностьдиэлектрическогоматериала, можно добиться полного устранения его заряжения иисключения,такимобразом,электростатическихразрядовврадиоэлектронном устройстве.

Но возникает другая проблема, связанная стоками утечки с подводящих проводов на корпус космического аппаратаили между проводниками, находящимися под напряжением. По условиямэксплуатации оборудования это может оказаться недопустимым. Такимобразом, необходимо уметь рассчитывать токи, протекающие междуактивными элементами радиотехнических устройств по поверхностипечатнойплаты,диэлектриккоторойобладаетопределеннойэлектропроводностью, причем делать это нужно для произвольнойгеометрии электродов.

Для этой цели полезно использование аналогиитоковнапостоянномипеременномнапряжении(гармоническиизменяющимся во времени). Рассмотрим постановку задачи в общем виде.522.1 Расчетно-теоретическая модельИтак,имеемдваметаллическихтелапроизвольнойформы,погруженных в слабо проводящую среду с электропроводностью γ d инаходящихся под постоянным напряжением V 0 . Требуется найти величинутокаI0,протекающегомеждуними.Прямоеэкспериментальноеопределение тока по техническим причинам невозможно (ток мал, аувеличение напряжения для его усиления недопустимо).Рассмотрим теперь ситуацию при замене постоянного напряжения напеременное с угловой частотой ω и незначительной амплитудой V m , многоменьшей допустимого напряжения.

В анализируемой системе опятьустановитсяквазистационарноераспределениеполейитоковвпространстве, также гармонически изменяющихся во времени. При выборедостаточновысокойчастотывлияниемэлектропроводностиγdнараспределение полей и токов можно пренебречь (ее роль переходит квеличине γ ω =εε 0 ω, где εε 0 - абсолютная диэлектрическая проницаемостьдиэлектрика.Силовые линии тока в случае переменного напряжения ( j  D / t ,гдеD-векториндукцииэлектрическогополя)имеюттужепространственную структуру, что и силовые линии тока в случаепостоянного напряжения.

В частности, и те и другие ортогональныграницам (поверхностям) проводников. В случае переменного тока нас,естественно, интересуют соотношения амплитуд токов и напряжений, а нефазовые соотношения между ними (напряжение опережает ток на 90º).СуществуетформальнаяаналогияуравненийМаксвеллавэлектростатике при отсутствии объемных зарядов и внутри проводника длятоков проводимости.

Вектор электрической индукции D в электростатике(ρ=0) и вектор плотности тока стационарного процесса j подобны другдругу. Имеет место и подобие граничных условий.53Понятию емкости C (на постоянном токе) в электростатикесоответствуетпонятиеэлектрическогополяпроводимостивпроводнике.GвтеорииВозвращаясьстационарногокзадачедвухметаллических тел имеем в электростатике C  q /  , а при наличиислабой проводимости G  I /  , где  - разность потенциалов.

Величина,обратная G есть сопротивление среды между двумя проводниками.Аналогия является полной, поскольку потоки векторов D и j черезповерхность, охватывающую один из проводников, равны соответственнополному заряду q на нем и полному току I, втекающему в него.Отсюда сразу следует важное интегральное соотношение:G 1/ R dC 0(2.1)Таким образом, рассчитав емкость системы в электростатике илиизмерив ее электротехнически на частоте 1 кГц (они практическисовпадают в пределе 10-30 % для большинства диэлектриков, что вполнедостаточно для технических целей), можно оценить ток утечки черезизоляцию. Для емкости C = 0.01 мкФ и γ d = 10-9 Ом-1м-1 (  = 3.0) найдем,что G = 3.8х10-7 Ом-1 или сопротивление R = 2.6·106 Ом (2.6 МОм).На этом же принципе базируется моделирование электростатическихполей в электролитической ванне.

При таком подходе проводникитребуемой формы помещают в электролит и, создав нужные потенциалы,измеряют плотность тока в различных участках объема. Использованиеформулы (1) позволяет существенно упростить проведение подобныхиспытаний. Теперь достаточно измерить емкость в системе двухпроводников на воздухе и по заданной проводимости диэлектрика сразурассчитать величину сопротивления R, а по нему и ток I, используя законОма ( I  V0 / R ).При аналитическом решении задач, типичных для технологиипечатных плат, часто применяется двумерное приближение (токи утечки54через тонкую диэлектрическую пленку), которое в свою очередь позволяетвоспользоваться мощным аналитическим аппаратом метода конформныхотображение из теории функций комплексных переменных. Одна изрешенных нами задач может быть сформулирована следующим образом.Для двух проводящих цилиндров с параллельными осями имеемследующее выражение для проводимости на единицу длины цилиндровD 2  R12  R22 G  2 d arccos h2 R1 R21(2.2)Здесь R1 и R2 - радиусы цилиндров, а D - расстояние между их осями.Проводимость цилиндра и плоскости, разделенных расстоянием, равнаl G  2 d  arccos h R1(2.3)Если же речь идет о плоской проводящей пленке с удельной поверхностнойпроводимостью  , то для нахождения G нужно использовать формулу(2.2) с заменойdна  .Для двух проводящих сфер в слабо проводящей среде полученоG  d (111 1)4 R1 4 R2 2 D(2.4)В качестве последнего примера рассмотрим решение еще однойтиповой задачи, которая допускает применение метода конформныхотображений (рис.

2.1). Здесь верхний и нижний электроды - это плоскиепроводящие поверхности, нормальные к оси y ( y = 0 и 2 L ) и находящиесяпод потенциалом земли. Проводящая полуплоскость ( y =0, x   a ) такжезаземлена, а другая проводящая полуплоскость ( y =0, x  a ) находится подпотенциаломV0 .Межэлектродноепространствозаполненослабопроводящей средой. Рассчитывается ток утечки на единицу длины по оси Zмежду двумя внутренними электродами.55y2L-a0ax-2LРисунок 2.1 Схема расположения электродов при рассмотрении задачи расчета токаутечки на единицу длины по оси Z.В работе [72] был получен точный результат для пространственногораспределения поля и плотности тока. На основании этих результатов,применим значение величины полного тока утечки I между внутреннимиэлектродами.

Полученное решение имеет видI  (2 /  ) dV0 ln 1  2 B 1  (1  2 B 1 ) 2  1 (2.5)и B=exp(2πa/L)−1. При a/L≥3 формула (2.5) упрощаетсяI  (4 /  ) dV0 exp( a / L)(2.6)Поле в зазоре (y=0,  a ≤ x ≤ a) чисто тангенциальное и растет добесконечности при приближении к его краям, но его интеграл по xсходится и равен, естественно, V 0 . При L   ток также неограниченновозрастает, отражая тот факт, что объем области пространства с отличнымот нуля полем растет.При использовании рассмотренной выше аналогии (уравнение 2.1)следует иметь в виду, что условие полного заполнения пространства, вкотором электрическое поле не равно нулю, слабо проводящей средойобязательно.

При измерении взаимной емкости двух проводниковых телдля индукции поля D доступно все пространство (у воздуха  1.0), а вреальной геометрии слабо проводящая среда зачастую заполняет лишьнабольшую его часть. Следует уточнить, что оценивая ток утечки междудвумя проводящими полосками, на диэлектрической подложке печатной56платы, необходимо отдавать отчет в том, что ток проводимости проходиттолько через подложку, а воздух тока не проводит.

Характеристики

Список файлов диссертации