Вопросы для самоконтроля 5 страница

Если на оба входа дифференциального усилителя поступают одинаковые по полярности и амплитуде помехи (синфазные), то они подавляются усилителем. Если на оба входа дифференциального усилителя (рис. 2. 53) поступают помехи одинаковые по амплитуде, но противоположные по полярности или одинаковые по полярности, но разные по амплитуде, или одинаковые по полярности, но разные по амплитуде (дифференциальные помехи), то они усиливаются. Дифференциальные помехи могут возникнуть из-за различной паразитной связи входов усилителя с источником помех ( и на рис. 2. 53).

Рис. 2. 52. Земляная печатная шина в виде замкнутого контура: Ф — магнитный поток от поля рассеивания силового трансформатора

Рис. 2. 53. Схема воздействия Рис. 2. 54. Схема включения

сигнала и синфазной по - режекторного фильтра (РФ) мехи усилитель с двумя на входе усилителя

входами

Для аналоговых узлов шире, чем для цифровых, используют методы, позволяющие осуществить взаимную компенсацию помех одинаковой амплитуды и противоположной полярности: скрученные пары, дифференциальные усилители, режекторные фильтры (рис. 2. 54). Использование режекторного фильтра основано на том, что он имеет малое сопротивление для тока дифференциального сигнала (имеющего разную полярность) на входе фильтра и большое сопротивление для тока синфазной помехи (в результате суммирования магнитных потоков обмоток). В качестве эффективных элементов гальванической развязки можно использовать оптроны.

§ 2. 10. Обеспечение электромагнитной совместимости аналоговых узлов экранированием

Если при разработке конструкции аналогового узла указанные меры по обеспечению электромагнитной совместимости окажутся недостаточными, то осуществляют экранирование, уменьшающее перекрестные помехи в требуемое число раз. Однако это увеличивает сложность аппаратуры, ее габариты, массу, стоимость. Экранирование заключается в локализации электромагнитной энергии в определенном пространстве. Поглощая и отражая поток электромагнитной энергии, создаваемой источниками поля, экран отводит его от защищаемой области. Эффективностью экранирования (Э) называют отношение напряжений, токов, напряжен-ностей электрического и магнитного полей в экранируемой области при отсутствии и при наличии экрана: . В технике проводной связи эту величину принято оценивать в неперах: В=lпЭ = 0, 115А. В радиотехнике эффективность экранирования (экранное затухание) оценивают в децибелах: .

В ближней зоне (на низких частотах); спользуется экранирование электрической ли магнитной составляющей поля, а в дльней зоне (на высоких частотах) — электромагнитного поля. При конструировании необходимо ясно представлять физику работы электростатического, магнитостатического и электромагнитного экранов.

Электростатическое экранирование основано на замыкании электрического экрана (паразитной емкости) на на шину с нулевым потенциалом (корпус, «землю»).

Рис. 2. 55. Действие электростатического экрана, соединенного с земляной шиной

Рис. 2. 56. Влияние металлической крышки блока (а) и индуктивности провода, соединяющего экран с корпусом (б), на паразитную связь между точками А и В

Например, помещение заземленного электростатического экрана между точками А и В (рис. 2. 55) приводит к замыканию емкостей С₁ и С₂ на землю, а емкость уменьшается до (за счет увеличения длины силовых линий поля между точками А я В). Эффективность экранирования .

Если установка крышки блока увеличивает емкость

между точками А и В (за счет емкостей

, рис. 2. 56, а), экран плохо соединен с землей или имеет значительную индуктивность соединительного проводника (рис. 2. 56, б), то эффективность экранирования резко снижается.

При выполнении электростатического экрана в виде сплошной замкнутой поверхности емкость и . В реальных конструкциях имеются отверстия для доступа внутрь экрана, и оценить емкость можно только экспериментально. Однако если отверстия и щели в электростатическом экране соизмеримы с длиной волны электромагнитных колебаний, то через них может проникать электромагнитное поле.

Эффективность экранирования электростатического поля не зависит от толщины и металла экрана, так как токи, протекающие по нему, малы. Часто электростатические экраны выполняют в виде тонкого слоя металлизации диэлектрика (нижней стороны металлокерамического корпуса ИС, пластмассового каркаса экрана катушек индуктивности).

Рис. 2. 57. Действие экрана из ферромагнитного материала

В трансформаторах часто электростатический межобмоточный экран выполняют в виде незамкнутого кольца из медной фольги или обмотки, один конец которых соединен с «землей». Магнитостатические экраны применяют для защиты от постоянного и медленноменяющихся магнитных полей (частотой 0... 3000 Гц). Их изготовляют из ферромагнитных материалов (пермаллой, сталь, ферриты) с большой относительной магнитной проницаемостью. Толщина экрана из металла составляет 0, 5... 1, 5 мм. При наличии такого экрана силовые линии магнитного поля Н проходят в основном по его стенкам (рис. 2. 57), которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с сопротивлением воздушного пространства около экрана (эффект поглощения). Эффективность экранирования таких полей зависит от магнитной проницаемости экрана и его толщины, а также от наличия стыков и швов, расположенных перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Этот вид экранирования называется магнитным шунтированием и дает сравнительно небольшой и практически одинаковый экранирующий эффект во всем диапазоне НЧ.

С ростом частоты возрастает роль вихревых токов, происходит вытеснение магнитного поля из толщи экрана, что эквивалентно уменьшению магнитной проницаемости, и экран переходит в электромагнитный режим работы. Магнитный экран одинаково пригоден для защиты от воздействия внешнего магнитного поля и внешнего пространства от магнитного поля, созданного источником внутри экрана. Эффективность экранирования магнитостатическим экраном можно определить по формуле , где — относительная магнитная проницаемость материала экрана; d—толщина стенок экрана; D—диаметр эквивалентного сферического экрана, близкий длине стенки кубического экрана.

При экранировании постоянных магнитных полей следует выполнять следующие рекомендации: применять материалы с возможно более высокой магнитной проницаемостью; избегать в конструкции экрана стыков и швов с большим сопротивлением на пути магнитных силовых линий поля помех; не допускать крепления экранируемого элемента и оболочек экрана стальными деталями, которые могут образовывать пути с малыми магнитными сопротивлениями для магнитных силовых линий поля помех; повышать эффективность экрана, применяя материалы с большим значением или многослойные конструкции тонких экранов, а не увеличивая толщину. Так, если вместо стали взять пермаллой с , то при той же толщине экрана эффективность экранирования возрастает в 3... 5 раз. Конструктивно расстояние между экранирующими оболочками принимают равным расстоянию между первой оболочкой и ближайшим краем экранируемого объекта.

Рис. 2. 58. Вытеснение электромагнитного поля вихревыми токами в экране: а — внешнее поле; б — поле от вихревых токов; в — суммарное поле

Электромагнитное экранирование применяют на частотах выше 3000 Гц. Экраны изготовляют из немагнитных и ферромагнитных металлов (табл. 2. 17), что дает одновременное ослабление электрической и магнитной составляющих поля. Упрощенно суть экранирования сводится к тому, что под действием источника электромагнитной энергии на стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенках — токи, образующие во внешнем пространстве поля, по напряженности близкие полю источника, а по направлению — противоположные ему (рис. 2. 58). В результате внутри экрана происходит взаимная компенсация полей, а снаружи его — вытеснение внешнего поля полями вихревых токов (эффект отражения). Кроме того, происходит поглощение поля за счет потерь на джоулеву теплоту (при протекании вихревых токов по стенкам экрана) и на перемагничивание (если экран выполнен из ферромагнитного материала). Сталь и на высоких частотах дает больший экранирующий эффект, чем немагнитные материалы, однако надо учитывать, что стальной экран может вносить значительные потери из-за своего большого удельного сопротивления и явления гистерезиса.

Плотность вихревых токов уменьшается в металлическом экране от поверхности в глубь него. Это уменьшение тем больше, чем выше частота поля и чем больше удельное сопротивление материала экрана. За глубину проникновения 8 принято расстояние, на котором плотность тока меньше, чем на поверхности, в е раз (1/2, 72), т. е. составляет 0, 37 плотности и напряженности на поверхности. Из табл. 2. 17 следует, что, начиная с частоты 10⁴ Гц экран из любого металла толщиной 0, 5... 1, 5 мм действует весьма эффективно, а на частотах выше 10 МГц медная и тем более серебряная фольга толщиной около 0, 1 мм дает значительный экранирующий эффект, что делает целесообразным использование фольгированного диэлектрика. При выборе материала экрана и его толщины необходимо учитывать не только электрические свойства материала, но и его механическую прочность, массу, коррозионную стойкость, удобство изготовления, обеспечение надежного контакта с шиной нулевого потенциала, теплоотвод и т. д. На низких частотах, когда толщина экрана d меньше

Таблица 2. 17 Электрические параметры экранирующих материалов

Параметр	Медь	Латунь	Алюминий	Сталь Э44	Сталь Э330
Удельное сопротивление, Ом-мм²/м Удельная проводимость, См-мм~^а IОтносительная магнитная проницаемость Эквивалентная глубина) проникновения, мм, при частоте, Гц:	0, 0175 6, 7 2, 1 0, 67 0, 21 0, 067 0, 021 0, 006	0, 06 12, 4 3, 9 1, 24 0, 39 0, 124 0, 039 0, 012	0, 03 8, 8 2, 75 0, 88 0, 275 0, 088 0, 0275 0, 0088	0, 0175 - - - - 0, 023 0, 07 0, 0023	0, 0175 1, 5 0, 49 0, 154 0, 049 - - -

глубины проникновения , поверхностный эффект можно не учитывать и эффективность экранирования определять по приближенной формуле

где — угловая частота, с^-1; D—ширина коробки прямоугольного экрана или диаметр цилиндрического и сферического экрана, см; d—толщина стенок экрана, см; т — коэффициент формы экрана (т = 1 для прямоугольного, т = 2 для цилиндрического и т = 3 для сферического экрана); —удельная проводимость материала экрана, см*мм^-1 *10³, Гн/см — магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума).

На высоких частотах при действуют оба фактора и эффективность экранирования можно определить по приближенной формуле

где D, 5, d берутся в миллиметрах или сантиметрах.

Для уменьшения потерь при экранировании ВЧ-катушек диаметр экрана обычно в два раза превышает диаметр катушек. Область частот, где используются стальные экраны, представлена на рис. 2. 59.

На частоте 10⁸ Гц длина волны становится соизмеримой с размерами экрана и он переходит в волновой режим работы, отличающийся колебательным характером изменения затухания электрической и магнитной волны с изменением частоты и наличием резонансов. Резонансные явления имеют место, как для плоской волны, так и для электрической и магнитной составляющих поля. Например, для волны Е резонанс наступает при отношениях поперечного размера экрана к длине волны, равных 1, 22; 2, 234; 3, 238 и т. д. При резонансе происходит суммирование всех полей отраженных стоячих волн. Это приводит к уменьшению экранного затухания ( ), обусловленного отражением ( ) и поглощением ( ) на величину, обусловленную резонансными потерями ( ). Кроме того, имеет место уменьшение экранного затухания на величину из-за отличия формы экрана от плоской ( = 0 для плоского экрана, =10 для цилиндрического, — 9, 6 для сферического). Тогда общее экранное затухание . Резонансные потери для экранов из алюминия, меди и стали в диапазоне частот 10⁸... 10¹² Гц иллюстрирует рис. 2. 60.

Рис. 2. 59. Зависимость граничной Рис. 2. 60. Частотные зависимости ко

частоты от толщины экрана эффициента _з для различных

d из стали и магнитной прони - материалов, имеющих поверхностную

цаемости проводимость, соответствующую

основной массе металла

Рис. 2. 61. Экранирование электрического поля

Эффективность экрана может снижаться при проникновении электромагнитной волны не только через материал экрана, но и по проводам, проходящим через экран к защищаемым элементам, и через отверстия и щели, предназначенные для облегчения доступа к элементам регулировки, если их размеры соизмеримы с длиной волны. Поэтому при разработке конструкции ВЧ- и СВЧ-узлов особое внимание должно быть уделено экранированию проводов и кабелей, а также обеспечению электрогерметичности волноводов и экранов.

Рис. 2. 62. Эффективность схем подавления индуктивных помех на частоте 50 кГц

Использование в качестве электромонтажных связей экранированных проводников требует соблюдения ряда условий при заземлении экранирующей оболочки. Применение провода с экранирующей металлической оболочкой, не соединенной с корпусом, никакого экранирующего эффекта не дает, так как в оболочке не могут возникнуть дополнительные токи, магнитное поле которых могло бы уменьшить поле, создаваемое основным током в проводе, и отсутствуют условия для стекания электрических зарядов. При соединении оболочки с корпусом в любой точке (рис. 2. 61) емкость оболочка — корпус замыкается накоротко, все электрическое поле концентрируется в емкости провод — оболочка и внешне электрическое поле отсутствует. Экранированный провод заземляется в одной точке, если его длина , где — длина волны самой высокочастотной составляющей спектра сигнала. Такое заземление резко увеличивает емкостный ток, который протекает, минуя нагрузку. При заземлении экранирующей оболочки необходимо принимать меры для уменьшения площади контура заземления, а также исключения последовательного включения с контуром генератора шумов. На низких частотах это достигается подведением сигнала скрученной парой, заключенной в экран.

Для подавления индуктивных помех на низкой частоте экран на приемном конце линии соединяется с корпусом, а на обоих концах линии — с земляным (обратным) проводом скрученной пары (рис. 2. 62). Если устройство помещено в двойной экран, то оболочка экранированного провода соединяется с внутренним экраном.

Рис. 2. 63. Полное экранирование электрического и магнитного полей

Для уменьшения шумов используют специальные схемы заземления операционных усилителей. Соединение оболочки с корпусом не исключает наличия магнитного поля в окружающем пространстве. Если обратный ток пропустить по экрану, то экранируется как электрическое, так и магнитное поле (рис. 2. 62, 2. 63). Для этого необходимо, чтобы оболочка была единственным проводником обратного тока, т. е. ее не шунтировали другие проводники и корпус.

Из-за поверхностного эффекта на частотах выше 10 МГц обратный ток протекает в основном по внутренней поверхности оболочки. Чем выше частота, тем меньше глубина проникновения тока внутрь оболочки, тем меньшая часть тока протекает по ее наружной поверхности и тем меньше проявляется эффект нарушения экранирования при наружном коротком замыкании оболочки. На низких частотах дополнительное соединение корпусов или частичное замыкание оболочки может нарушить экранирование, так как при этом часть обратного тока протекает, минуя оболочку (рис. 2. 64). Наличие экранирующей оболочки резко увеличивает емкость провода на корпус, что обычно нежелательно, за исключением случаев экранирования проводов питания, когда эта емкость оказывается включенной парраллельно емкости выходного конденсатора источника питания.

Экранированные провода громоздки, неудобны при монтаже, и требуется предохранять их от случайных соединений с другими деталями. Длина экранированного участка должна быть меньше четверти длины самой короткой волны спектра частот передаваемого сигнала. Если это условие не выполняется, то провод следует рассматривать как линию с распределенными napaj метрами. Особое внимание необходимо уделять тщательной заделке концов кабеля в ВЧ-соединители. При плохом контакте может уменьшиться амплитуда сигналов и появятся отражения.

Особую важность вопросы экранирования и заземления приобретают при конструировании микроэлектронных РЭС, имеющих разборно-стыковочные соединения. Представленные на рис. 2. 65 конструкции обеспечивают высоконадежные и стабильные электрогерметичные контакты. Наиболее эффективным решением задачи хорошей электрогерметизации является применение в стыковочных устройствах высокочастотных блоков промежуточных контактных элементов двух типов: несъемных (на каждой стыкуемой части корпуса) и съемного (рис. 2. 65).

Рис. 2. 64. Нарушение экранировки при замыкании корпусов приборов (а) или экранирующей оболочки провода (б)

Рис. 2. 65. Экранирующие узлы разъемных соединений деталей корпусов из алюминиевых сплавов, выполненных с применением проката (а), литья (б), штампованных деталей (в), сетки (г): 1—контакты из плакированного алюминия; 2—упруго деформируемая лента (бериллиевая бронза); 3—герметизирующая прокладка из резины

Рис. 2. 66. Конструктивные схемы узлов в экранах СВЧ и корпусах для механической передачи: а—на основе электрического дросселя ; б—на основе дросселя с хорошим контактом

Несъемные контактные элементы изготовляют из тонкой листовой меди или латуни с соответствующими покрытиями, а также из листового биметалла Ai-Cu. Промежуточный контактный элемент во всех случаях выполняют из тонкой листовой термически обработанной бериллиевой бронзы. Контактный элемент имеет по всему периметру упругодеформируемые зубцы, разведенные в разные стороны. При стыковке блока зубцы деформируются и в местах их вдавливания в несъемные промежуточные контактные элементы создается прерывистый электрический контакт по всему периметру стыка. Для обеспечения электрогерметичности на длительное время промежуточный контактный элемент покрывают кадмием, никелем или подвергают горячему лужению. Для защиты элементов внутри корпуса от перепадов давления и влаги используют уплотняющие элементы из кремнийорганической резины, устанавливаемые в каждой части стыкуемого корпуса.

Для экранирования элементов механической передачи настройки и регулировки устройств СВЧ применяют дроссельные устройства, позволяющие разместить электрический контакт в узле стоячей волны тока; при этом требования к качеству контакта значительно снижаются. Плечи дроссельного устройства (рис. 2. 66, а) выбирают такими, чтобы они были равны примерно четверти средней длины волны. Поэтому дроссельные устройства являются очень узкополосными и применяют их для защиты устройств СВЧ только от внутреннего излучения. Обеспечение электрогерметичности устройств СВЧ требует высокой точности изготовления волноводов и их взаимной ориентации.

§2. 11. Конструкторский анализ электрической схемы РЭС

Прежде чем приступить к конструкторской разработке электромонтажа, необходимо провести анализ электрической схемы — принципа работы, специфики элементной базы, требований к источникам питания и тепловой совместимости. Оцениваются следующие характеристики элементной базы: быстродействие, помехоустойчивость, габариты, требования к установке и формовке выводов, методы крепления, необходимость теплоотвода и т. д. Оцениваются токи и напряжения в схеме путем поверочного расчета или по картам напряжений, составленных схемотехниками. Анализируется чувствительность элементов к тем или иным помехам: тепловым шумам во входных цепях, помехам по цепям питания и заземления, перекрестным помехам. Выявляются элементы и связи, способные создавать помехи, а также элементы, наиболее чувствительные к помехам. Особое внимание следует обращать на однородность элементов по быстродействию (выявляются элементы с необоснованно завышенным быстродействием) и по температурному диапазону работы (уточняются элементы с заниженным температурным диапазоном). Определяются тепловыделяющие элементы и намечаются меры их теплоизоляции, а также определяется тип производства элементов (серийное, массовое), их стоимость и дефицитность. В результате анализа вырабатываются требования к компоновке отдельных узлов и РЭС в целом, намечаются те или иные конструктивные решения по реализации электрических связей (межконтактная коммутация и контактирование). В том случае, если принятые меры не обеспечивают электромагнитной совместимости или других характеристик РЭС (габаритов, массы, стоимости, надежности и т. д. ), разрабатываются другие варианты конструкции.

При разработке конструкции электрических соединений аналогового узла особое внимание уделяется технологичности конструкции: использованию несущей конструкции из латуни или другого металла с покрытием (лужение и др. ) для облегчения контактирования с земляной шиной в ближайшей к элементу точке; использованию конструкций электрических соединений, поддающихся автоматизации и механизации (печатные платы и шлейфы, контакты для группового контактирования, стежковый монтаж, контактирование накруткой, наличие контактных площадок для автоматизированных контрольных устройств); обеспечению надежных соединений экранов с земляной шиной (в том числе ВЧ-соединителей с оплеткой коаксиальных кабелей); удобству подготовки компонентов к сборке и монтажу (зачистка изоляции, формовка выводов, лужение контактных площадок и т. д. ). При изготовлении экранов следует использовать высокопроизводи тельные методы формообразования и сборки (штамповка, прессование, термическое распыление и т. д. ), минимальное количество драгоценных металлов, дефицитных и токсичных материалов.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8 9 10 111213 Следующая ⇒