ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ 4 страница

Зверніть увагу, що до ПЗ відносяться малопотужні ланцюги та елементи конструкції, наприклад: вхідні ланцюги приймальних і підсилюючих вузлів, контурні котушки і каскади перетворювачів тощо. Електромагнітні екрани для таких елементів значно знижують інтенсивність завад усередині екранованої області. В свою чергу, екранування ДЗ виконують з метою захисту зовнішнього простору, де можуть бути чутливі елементи і вузли ЕА. До імовірних ДЗ треба віднести джерела живлення, вихідні каскади підсилювальних пристроїв, потужні генератори та інше.

Слід пам’ятати, що екран є свого роду захисною стінкою, при проходженні якої паразитна електромагнітна хвиля істотно ослаблюється і частково відбивається. Фізичною основою відбивання електромагнітної хвилі від екрана є невідповідність хвильових опорів середовища, в якому розповсюджується хвиля, та матеріалу електромагнітного екрана. Причиною ослаблення потужності електромагнітної хвилі при проходженні товщі екрана є наявність джоулевих втрат, обумовлених кінцевим значенням електромагнітного опору матеріалу екрана. Питомі втрати дорівнюють добутку квадрата щільності струму, наведеного полем хвилі у товщі екрана, на величину питомого опору матеріалу екрана.

Ефективність екранування оцінюється величиною коефіцієнта екранування , модуль якого дорівнює відношенню напруженості поля у будь-якому місці екранованої області до напруженості поля у тому самому місці за умови відсутності екрана:

. (6. 1)

Нарівні з даним коефіцієнтом, ефективність екранування оцінюють величиною ослаблення поля завад за потужністю за наявності екрана порівняно з полем у відсутності екрана. Виражають це ослаблення в логарифмічних одиницях, децибелах:

. (6. 2)

За формулами (6. 1) і (6. 2) визначають фактичне ослаблення поля в екранованій області простору. Конструкція екрана має забезпечувати, щоб фактичне ослаблення паразитного поля в екранованій області було б не менше необхідного. Необхідне послаблення (затухання) поля екраном:

, (6. 3)

де – потужність сигналу завади на вході ПЗ, Вт;

– чутливість ПЗ, Вт;

– енергетичний коефіцієнт запасу, який показує, у скільки разів рівень завади має бути нижче чутливості ПЗ.

Як правило, величину приймають рівною:

- 2…4 – для приладів з візуальною індикацією сигналів;

- 10…50 – для приладів авторегулювання;

- 50…100 – для приладів з цифровою обробкою сигналів.

Готуючись до практичного заняття за даною темою, необхідно вивчити теоретичний матеріал попередніх лекцій і матеріал, викладений в основній [3,
с. 370–390; 4, с. 142–152; 6, с. 230–239] та додатковій [5, с. 315–319] літературі.

6. 2. 1 Конструкції електромагнітних екранів

Конструктивно електромагнітні екрани для елементів (трансформаторів, котушок індуктивності тощо) або вузлів (друкованих модулів та ін. ) виконують у вигляді поверхонь циліндричної або прямокутної форми. При його встановлені необхідно забезпечити гальванічний контакт відкритої частини поверхні екрана з шиною заземлення або металевим шасі (рис. 6. 1).

1 – основа екрана; 2 – верхня кришка екрана;

3 – екранований об’єкт; 4 – прохідні ізолятори;

5 – елементи кріплення; 6 – шасі корпуса блока

Рисунок 6. 1

Виводи екранованих вузлів, працюючих у високочастотному (f > 1 МГц) діапазоні, виконують у вигляді коаксіальних з’єднувачів або прохідних конденсаторів; для середньочастотного діапазону (400 < f < 1 МГц) – провідники виводять з екрана через прохідні керамічні або скляні ізолятори; для діапазону звукових частот – провідники виводять через вузькі щілини або малі отвори в екрані. Отвори в екрані, розміри яких не перевищують значення λ /8, істотно не впливають на ефективність екранування.

Форма екрана суттєво впливає на ефективність екранування. Прямокутні екрани більш ефективні, ніж екрани циліндричної форми. Останні частіше застосовують для екранування котушок індуктивності, тороїдальних трансформаторів та ін. При збільшені розмірів екрана зростає ефективність екранування, однак ускладнюється конструкція екранованого вузла. Зменшення габаритів екрана веде до зростання паразитної ємності між поверхнями екранованого елемента та стінками екрана, а також до збільшення джоулевих втрат у матеріалі екрана. Тобто, вибір розмірів екрана є задачею оптимізації. Під час її вирішення виникають труднощі, обумовлені відсутністю аналітичних залежностей, що зв’язують параметри реакції екрана з його геометричними розмірами у випадку екранування вузлів, які містять значну кількість електрорадіоелементів.

Розміри екрана мають бути мінімально можливими, щоб охопити екранований вузол. Однак відстань від стінок екрана до найближчого елемента екранованого вузла необхідно видержувати не менше 3…5 мм, щоб запобігти торкання елементами стінок екрана за наявності динамічних навантажень на ЕА. У свою чергу, вплив екрана на вузол має бути мінімальним. Тому, наприклад, діаметр екрана беруть удвічі більше за діаметр екранованої котушки. Для забезпечення механічної міцності конструкції товщина стінок екрана вибирається приблизно 0, 3…0, 8 мм, і тільки для магнітостатичного екранування товщина стінки може бути більшою – до 3…4 мм.

Значення відносної магнітної проникності деяких марок конструкційних матеріалів для екранів сягають від декількох тисяч до сотень тисяч. При невисоких вимогах до якості екранування використовують одношарові екрани.

Треба мати на увазі, що для екранування високочастотних приладів застосовують матеріали з немагнітних металів: мідь, алюміній, свинець та їх сплави. Для низькочастотних полів (f < 400 Гц) використовують матеріали зі значною магнітною проникністю: сталь, пермалой. Останній особливо ефективний для магнітостатичного екранування (f = 0). Однак пермалой крихкий і не має достатньої механічної міцності. На середніх частотах застосовують екрани з двох-трьох сплавів, які виготовлено з магнітних і немагнітних металів, що забезпечує необхідну ефективність послаблення завади (табл. 6. 1).

6. 2. 2 Оцінка ефективності екранування

Загальне послаблення електромагнітного поля, що досягається застосуванням електромагнітних екранів, кількісно оцінюється співвідношенням:

, (6. 4)

де – ослаблення поля, обумовлене ефектом стягування магнітних силових ліній у матеріал екрана, який має більшу магнітну проникність;

– ослаблення поля (затухання), обумовлене зменшенням енергії хвилі при проходженні товщини екрана через джоулеві втрати;

– ослаблення поля всередині екранованої області внаслідок часткового відбивання хвилі від зовнішніх і внутрішніх стінок екрана.

Таблиця 6. 1 – Електрична провідність і магнітна проникність

деяких матеріалів електромагнітних екранів

Найменування матеріалу	Електрична провідність , 1/Ом× м	Магнітна проникність, μ
Сталь 10кп	10⁷
Електротехнічна сталь Э330	10⁷
Мідь	5, 73× 10⁷
Латунь	1, 67× 10⁷
Алюміній	3, 3× 10⁷
Свинець	1, 5× 10⁷
Пермалой 79 НМ	1, 54× 10⁶	1, 2× 10⁴

Запам’ятайте, що ефект локалізації враховується тільки при магнітостатичному екрануванні та під час роботи в області дуже низьких частот (одиниці Гц). Екранне затухання за рахунок локалізації магнітного поля в магнітному екрані:

, [дБ] (6. 5)

де – найбільша з відстаней між внутрішніми стінками екрана, м;

– відносна магнітна проникність матеріалу екрана;

– товщина стінки екрана, м.

Екранне затухання поглинання розраховується за формулою:

, [дБ] (6. 6)

де ; ; ; ,

де – частота, для якої визначається ослаблення поля екраном, Гц;

– магнітна проникність вакууму, яка дорівнює Гн/м;

– електрична провідність матеріалу екрана, 1/Ом× м.

Ослаблення поля внаслідок відбивання від стінок екрана (екранне затухання відбивання) визначається за формулою:

, [дБ] (6. 7)

де ; (6. 8)

. (6. 9)

Коефіцієнт , який входить до формул (6. 8) і (6. 9), визначає невідповідність хвильових опорів середовища розповсюдження електромагнітної хвилі та матеріалу екрана:

де – модуль хвильового опору матеріалу екрана, Ом:

;

– модуль хвильового опору середовища для хвиль Н-типу, що дорівнює:

- для екранів прямокутної форми – ;

- для екранів циліндричної форми – ,

де – найменша відстань між внутрішніми стінками прямокутного екрана, м;

– радіус циліндричного екрана, м;

Якщо скористатися асимптотичним наближенням гіперболічних функцій для малих і великих значень аргументів, то розрахункові формули (6. 6), (6. 7) спрощуються для високочастотної та низькочастотної областей.

У високочастотному діапазоні, де аргумент ,

екранне затухання поглинання та відбивання визначаються як:

; [дБ] (6. 10)

, [дБ]. (6. 11)

У низькочастотному діапазоні, де аргумент ,

екранне затухання поглинання буде:

; (6. 12)

екранне затухання відбивання залежить від матеріалу екрана та розраховується за такими формулами:

- для магнітних екранів: ; [дБ] (6. 13)

- для немагнітних екранів: , [дБ]. (6. 14)

У середньочастотному діапазоні, тобто для значень аргументу в межах , для розрахунку екранного затухання поглинання та відбивання використовуються формули (6. 6), (6. 7).

Таким чином, співвідношення (6. 5) – (6. 14) дають можливість вирішувати пряму задачу оцінки ефективності екранування при відомих матеріалі та конструкції екрана. Можливе розв’язання і зворотної задачі (задачі синтезу), наприклад, визначення необхідної товщини екрана при заданій ефективності .

З урахуванням того, що залежність екранного ослаблення від товщини екрана виражена нелінійними функціями, слід для вибору оптимального значення діяти згідно з загальною методикою розв’язання задач подібного типу. Необхідно задатися декількома значеннями товщини екрана , , ... та для кожного з них розв’язати пряму задачу і знайти відповідні значення екранного затухання , , ... . Далі побудувати графік отриманих залежностей та за заданим значенням визначити необхідну товщину екрана (рис 6. 2).

За таким алгоритмом можливе розв’язання задачі оптимального вибору матеріалу екрана або характерного розміру екрана (наприклад, діаметра).

Рисунок 6. 2

6. 2. 3 Порядок виконання роботи

1. Проаналізувати конструкцію, яка проектується, виявити у блоці ЕА ймовірні джерела електромагнітних завад і приймачі завад та визначити доцільність їх екранування.

За наявності у блоці ЕА тільки ймовірного приймача зовнішніх завад або внутрішнього джерела завад як електромагнітний екран можливо використати, наприклад, металевий кожух блока.

2. За аналізом роботи схеми електричної принципової підготувати початкові дані та оцінити необхідну величину ослаблення завади за формулою (6. 3).

3. Вибрати матеріал екрана та розробити його конструкцію (визначити геометричні параметри і спосіб установлення), керуючись рекомендаціями п. 6. 2. 1.

4. Розрахувати ефективність екранування, визначивши ослаблення завади за наявності екрана для середньої робочої частоти. Дати рекомендації щодо вибору товщини екрана.

5. Порівняти значення необхідного і фактичного ослаблення при екрануванні.

6. Зробити висновки щодо ефективності екранування та виконати ескізне креслення екранованого вузла (елемента).

6. 3 Контрольні запитання і завдання

1. У чому фізичний принцип ослаблення поля при відбиванні?

2. У чому фізичний принцип екранування електромагнітного поля?

3. Як впливають розміри екрана на ефективність екранування?

4. У чому виражається реакція екрана у високочастотному діапазоні?

5. Як конструктивно реалізується вивід провідників з екрана?

6. Чи можна виконувати отвір в екрані для регулювання екранованого вузла?

7. Які екрани називають магнітостатичними? З якого матеріалу їх виготовляють?

8. Яка з компонент електромагнітного поля є найбільш небезпечною з точки зору внутрішнього проникнення в електромагнітний екран?

9. У чому фізична суть ефекту локалізації магнітного поля в екрані у низькочастотному діапазоні?

10. В яких випадках застосовують багатошарові екрани?

6. 4 Приклади аудиторних і домашніх задач

Завдання. Визначить потрібне затухання завади, яка створюється малопотужним генератором, для підсилювача, що знаходиться з ним в одному корпусі. Вихідна потужність генератора Р_Г = 10^-3Вт; чутливість вхідного каскаду підсилювача Р_min = 3× 10^-11Вт; мінімально потрібне співвідношення сигнал/завада на вході підсилювача q = 3, коефіцієнт завадозахищеності Y = 0, 01.

Розв’язання.

Потрібне затухання завади [10]:

де Р_{зав. вх} – потужність завади на вході чутливого каскаду підсилювача;

Р_{зав. min} – мінімально допустиме значення завади на вході.

Величина Р_{зав. min} знаходиться як

Р_{зав. min}= ,

де Р_с_min – мінімальна потужність сигналу.

Потужність завади на вході будь-якого елемента визначається як

Р_{зав. вх}= Р_зав× y,

де Р_зав – потужність сигналу, що створюється джерелом завад.

Підставимо отримані співвідношення у початкову формулу. Маємо:

(дБ).

Відповідь: потрібне згасання завади, яка створюється генератором для підсилювача, дорівнює 60 дБ.

7 РОЗРАХУНОК ЧАСТОТИ ВЛАСНИХ МЕХАНІЧНИХ КОЛИВАНЬ ПЛОСКОГО МОДУЛЯ

7. 1 Мета заняття

Вивчення методики розрахунку частоти власних механічних коливань плоских модулів конструкції.

7. 2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

Розрахунок частоти власних коливань ЕА та її елементів є одним з етапів оцінки міцності та жорсткості конструкції при визначенні впливу вібраційних навантажень, обумовлених вимогами ТЗ, на її працездатність. Необхідно враховувати, що спектр частот власних коливань конструкції, як правило, є багатомодовим. Це практичне заняття присвячене вивченню методики розрахунку основного тону коливань плоских модулів ЕА (друкованих модулів, несівних панелей та ін. ) при відомих їх масогабаритних параметрах та способі кріплення.

Частота власних коливань модуля ЕА залежить від його геометричних розмірів, маси, яка, як правило, вважається рівномірно розподіленою за площею пластини, та пружних властивостей матеріалу пластини, що характеризується модулем першого роду і коефіцієнтом Пуассона. Розв’язання цієї задачі можливо звести до моделі плоскої пластини. За загальною теорією власні частоти коливань такої пластини у системі координат визначаються розв’язанням диференціального рівняння 4-го порядку:

, (7. 1)

де – циліндрична жорсткість пластини;

– щільність матеріалу пластини, кг/м;

– товщина пластини, м;

– прискорення сили тяжіння, м/с²;

– частота власних коливань, Гц.

Під час розгляду моделі вільних коливань пластини вважається, що – серединна площина пластини, а ось проведено перпендикулярно площині (рис. 7. 1).

Рівняння (7. 1) розв’язують методом розподілу змінних і для кожної конкретної схеми закріплення сторін пластини, тобто граничних умов, знаходять певні значення частот власних коливань. Але такий розрахунок математично ускладнений. На практиці використовуються більш прості методики розрахунку. Наприклад, нижче наведені інженерні методики розрахунку частоти власних коливань плоских модулів; визначення тону коливань пластини, закріпленої у чотирьох кутах; та розрахунку коефіцієнта динамічності.

Готуючись до практичного заняття за даною темою, необхідно вивчити теоретичний матеріал попередніх лекцій і матеріал, викладений в основній [3,
c. 438–444; 4, c. 248–252] та додатковій [5, c. 237–239] літературі.

1 – пластина; 2 – серединна площина; 3 – жорстке кріплення сторін пластини

Рисунок 7. 1

7. 2. 1 Методика розрахунку частоти власних коливань плоского модуля

1. Частота основного тону коливань плоских модулів може бути розрахована за наближеною формулою:

, [Гц] (7. 2)

де Δ – товщина пластини, м;

а – довжина пластини, м;

– коефіцієнт, який залежить від засобу закріплення сторін пластини та від відношення більшого розміру сторони пластини а до меншого – b. Значення коефіцієнту для різних варіантів закріплення наведено у табл. 7. 1;

– коефіцієнт, який враховує складові маси модуля;

– коефіцієнт, який залежить від матеріалу пластини.

Таблиця 7. 1 – Залежність значення коефіцієнта від типу кріплення пластини

	Співвідношення сторін пластини а/b	1, 5	2, 0	2, 5	3, 0	4, 0
Тип кріплення (рис. 7. 2)	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8

Закріплення модулів у конструкції виконується типовими способами. Можливі варіанти закріплення сторін плоскої пластини наведено на рис. 7. 2. Жорстке кріплення будь-якої сторони пластини відповідає, наприклад, її жорсткому затисканню або з’єднанню з несівною за допомогою гвинтового кріплення по всій довжині. Вільно обперта сторона відповідає установці пластини в направляючих або відсутності кріплення за всією довжиною.

Рисунок 7. 2

Коефіцієнт у формулі (7. 2) враховує відношення сумарної маси елементів , розміщених на пластині, до маси пластини та визначається як

Коефіцієнт у формулі (7. 2) враховує жорсткість матеріалу пластини порівняно зі сталевою та, в свою чергу, визначається за формулою:

де , – значення модуля пружності 1-го роду матеріалу пластини модуля та сталевої пластини, відповідно;

, – питомі щільності матеріалу пластини модуля та сталевої пластини таких самих розмірів відповідно.

Характеристики і деяких конструкційних матеріалів пластин наведено у табл. 7. 2.

Таблиця 7. 2 – Механічні характеристики конструкційних матеріалів

Матеріал	Е, Н/м²	, Н/м²	, Н/м²	ρ, кг/м³
Сталь конструкційна	2, 1× 10¹¹	4, 0× 10⁸	2, 5× 10⁸	7, 8× 10³	0, 25
Алюміній	7, 0× 10¹⁰	3, 0× 10⁸	1, 8× 10⁸	2, 7× 10³	0, 35
Мідь	1, 1× 10¹¹	3, 5× 10⁸	2, 1× 10⁸	8, 8× 10³	0, 32
Склотекстоліт	2, 1× 10¹⁰	3, 1× 10⁸	2, 0× 10⁸	1, 6× 10³	0, 25
Гетинакс	1, 7× 10¹⁰	4, 0× 10⁸	1, 7× 10⁸	1, 4× 10³	0, 25

2. Для розрахунку частот власних коливань пластин, закріплених по чотирьох кутах, застосовують іншу наближену формулу:

, (7. 3)

де а, b – довжина та ширина пластини, м;

– циліндрична жорсткість пластини;

Δ – товщина пластини, м;

– питома щільності матеріалу пластини, кг/м³;

, – цілі числа, які визначають тон коливань (якщо = 1, = 1 – основний тон коливань, якщо > 1 та > 1 – вищі види).

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 Следующая ⇒