книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

линию формирователями. Для восстановле­ ния фронтов импульсов в качестве приемно­ го элемента используют триггер Шмитта. Восприимчивость к внешним помехам явля­ ется недостатком схемы, приведенной на рис. S.9, а. При формировании разнополярного сигнала на обоих проводах свитой пары (см. рис. 5.9, б) этот недостаток устраняется.

Влияние поверхностного эффекта. Высокочастотный переменный или импульс­ ный ток неравномерно распределяется по се­ чению проводника, имея наибольшую плот­

ность у его поверхности, что является результатом проявления поверхност­ ного эффекта. Поверхностный эффект увеличивает сопротивление провод­ ника переменному току. При высоких частотах и быстродействии влияние поверхностного эффекта сказывается на искажении фронта и формы импульса, так как разные частоты затухают в материале проводника неодинаково.

Для ослабления влияния поверхностного эффекта используют провод, свитый из большого числа изолированных друг от друга жил и скрученных так, чтобы каждая последовательно занимала все положения в сечении вдоль провода.

Ослабление перекрестных помех в длинных линиях. Для устране­ ния перекрестных помех линии передачи экранируют. Применение ЛП с экранирующей металлической оболочкой, соединенной с корпусом прибора является эффективным способом ее защиты от воздействий электрического и электромагнитного полей.

На рис. 5.10 представлена две рядом расположенные ЛП с экранами, между которыми имеет место емкостная связь, представляющая, если не учитывать емкости оплетки на землю, последовательно соединенные емко­ сти Сю, Сю и СооИз рисунка видно, что отсутствие заземления экранов ЛП

Рис. 5.10. Электрическое экранирование линий передач:

1 — центральный провод; 2 — оплетка (экран); Скъ См — емкость провод—экран первой и второй линий передан; Соо— емкость между оплетками (экранами)

152

5.2. Конструкции сигнальных ЛП

не устраняет емкостную связь между центральными проводами. Заземление экранов приводит к разрыву паразитной емкостной связи.

Таким образом, защита от воздействий электрического поля сводится к использованию ЛП с экранами. Экраны необходимо заземлять короткими проводами минимального индуктивного сопротивления либо путем непо­ средственного контакта с корпусом прибора. Если ток, протекающий по центральному проводу ЛП, равен обратному току через его оплетку, то в пространстве, окружающем линию, электромагнитное поле отсутствует.

5.2.Конструкции сигнальных ЛП

Монтажные провода. Материалом токопроводящих жил проводов являются медь и ее сплавы. С уменьшением габаритов аппаратуры, умень­ шением длин и диаметров монтажных проводов, а также ужесточением тре­ бований механических воздействий все большее применение стали находить медные сплавы, обладающие более высокой прочностью на разрыв, гибко­ стью при незначительных ухудшениях проводимости.

Монтажные провода бывают одно- и многожильными. Высокая гиб­ кость, долговечность и надежность провода в условиях воздействий ударов

ивибраций обеспечивается свиванием нескольких одиночных проводов в многожильный. Промышленность выпускает многожильный провод на 3, 7, 12, 17, 19, 27 и 37 круглых жил. Многожильный провод с суммарной пло­ щадью поперечного сечения токопроводящих жил, равной площади попе­ речного сечения одиночного провода, имеет несколько больший диаметр и стоимость, которые возрастают с увеличением числа жил. Повышение ме­ ханической прочности многожильных проводов достигается введением в

конструкцию провода центральной упрочняющей стальной жилки.

Защиту от электрического замыкания провода на корпус изделия (монтажную панель, несущую конструкцию) или на соседний провод осу­ ществляют нанесением на токопроводящую жилу изоляционного покрытия. Материал и конструкция изоляции при минимальной толщине должны обеспечивать высокие значения электрических параметров (диэлектриче­ скую прочность, сопротивление изоляции, диэлектрическую постоянную) в процессе и после приложения внешних воздействий, а также после длитель­ ного хранения. В настоящее время существует большое разнообразие раз­ личных типов изоляционных покрытий.

Провод выбирают исходя из требуемых условий эксплуатации, на­ грузки по току, допустимого падения напряжения, утечки тока, диэлектри­ ческой прочности. Одножильные провода рекомендуется использовать в стационарной аппаратуре, не подверженной воздействиям ударов и вибра­

153

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

ций. Увеличение числа жил провода повышает его стойкость к многократ­ ным перегибам в условиях воздействий вибраций. Многожильные провода применяют в бортовой аппаратуре.

Можно рекомендовать следующий размерный ряд сечений токопрово­ дящих жил монтажных проводов: 0,03; 0,05; 0,08; 0,12; 0,20; 0,35; 0,50; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм2. Выбор диаметра провода зависит от протекающего тока и допус­ тимого перегрева провода. Плотности тока для различных диаметров проводов при длительных допустимых токовых нагрузках, приводящих к перегреву про­

Из данных этой таблицы следует, что для проводов малых диаметров имеют место большие плотности токов за счет более активного теплообмена с окружающей средой.

Расчетные формулы для монтажных проводов:

•сопротивление Л = 1,27р//с/2;

•длина / = 0,785&а?2 /р;

•допустимый ток / = 0,785jd 1;

• падение напряжения U = / р —(1 + аД /), s

где р — удельное сопротивление материала провода (табл. 5.2), Ом • мм2/м; d — диаметр провода, мм; / — длина провода, м; s — сечение провода, мм2; j — плотность тока, А/мм2; / — ток, А; а — температурный коэффициент сопротивления материала провода (см. табл. 5.2); Д/ — перегрев провода, °С; U — напряжение, В.

Удельное сопротивление и температурные коэффициенты сопротивления металлов проводов

154

5.2.Конструкции сигнальных ЛП

Втабл. 5.3 приведены наиболее широко используемые в ЭВМ марки монтажных проводов с указанием областей применения.

стойкости

П ечатны е проводники. В низкочастотной аппаратуре узкие плоские сигнальные проводники ПП располагают на диэлектрическом основании совместно с проводниками электропитания и нулевого потенциала, которые для уменьшения падения напряжения на них выполняются широкими, на­ сколько это возможно. Одно- и двусторонние ПП не обеспечивают для всех проводников однородного и стабильного волнового сопротивления, по­ скольку сигнальные проводники располагаются на разных расстояниях от проводника нулевого потенциала. Между проводниками имеет место значи­ тельная емкостная и индуктивная связь.

В высокочастотной аппаратуре уменьшение паразитной связи между проводниками достигается введением в конструкцию платы экрана, зазем­ ление которого обеспечивает также и одинаковые значения волновых со­ противлений сигнальных проводников. Экран является общим для всех про­ водников платы и выполняется в виде одного или нескольких проводящих слоев многослойной ПП. Функцию экрана в многослойных платах часто выполняет сплошной слой электропитания.

155

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

Расчетные соотношения для основных электрических параметров пе­ чатных проводников приведены в табл. 5.4. В первой строке таблицы пока­ зан эскиз микрополосковой, во второй — полосковой ЛП. При расположе­ нии проводников на границе двух диэлектриков, например плата — воз­ душная среда или плата — лаковое покрытие, можно использовать расчетные соотношения первой строки таблицы, вычислив е по приближен­ ной формуле

е = (е, + е 2)/2,

где е,, е2 — относительная диэлектрическая проницаемость сред, на грани­ це которых располагается проводник.

Таблица 5.4. Электрические параметры печатных проводников

Поскольку диэлектрическая проницаемость воздушной среды и лако­ вого покрытия платы различны (у лакового покрытия выше), то волновое сопротивление микрополосковых линий, покрытых лаком, будет меньше, а емкость — выше.

Двухпроводная несимметричная ЛП с общим обратным проводом.

У двухпроводной ЛП, в которой обратный ток протекает по общему для всех схем проводу, называемому землей, с возрастанием зазора между про­ водом и землей увеличивается индуктивность. Помеха обусловливается действием магнитного поля контуров связи соседних проводов, а также ак­ тивных компонентов, создающих магнитные поля. На рис. 5.11, а наклон­ ными стрелками условно изображено магнитное поле, пересекающее контур связи ЛП, а стрелкой на проводе — направление паразитного тока, наведен­ ного этим магнитным полем. Индуцируемое напряжение помехи вычисляет­ ся по формуле

156

5.2. Конструкции сигнальных ЛП

Магнитное поле

Магнитное поле

Рис. 5.11. Способы выполнения электрических соединений несиммет­ ричной (а, б) и симметричной (в, г) линиями передач

и = - 1 0 ^ SdB ldt,

где В — магнитная индукция, Тл; S — площадь контура связи, см2. Уменьшение паразитной связи возможно сокращением площади контура

путем укладки провода непосредственно по поверхности земли (рис. 5.11, б), использованием симметричной двухпроводной ЛП (рис. 5.11, в). В послед­ нем случае уменьшается индуктивность связи. Обратный провод двухпро­ водной ЛП в низкочастотных схемах должен заземляться в одной точке на входе или выходе линии связи во избежание появления контуров токов за­ земления и, как следствие, помехи из-за возможной разности потенциалов между точками заземления.

Свитая пара. Свитую пару получают переплетением между собой с определенным шагом двух изолированных проводов. Благодаря свиванию проводов вместо одного контура связи получается как бы несколько одина­ ковых по площади малых контуров. В представленной на рис. 5.11, г схеме соединения элементов свитой парой стрелками показаны наводимые внеш­ ним магнитным полем токи помех, имеющие в свитой паре противополож­ ное направление и взаимно компенсирующиеся.

При свивании проводов снижаются электромагнитные связи между цепями и повышается их защищенность от взаимных и внешних помех. Для

157

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

ЛП с диаметром жил 0,9... 1,2 мм шаг свивания должен быть 100...300 мм, для диаметров 0,3...0,8 мм шаг выбирают в пределах 40...90 мм. Для раз­ личных шагов свивания коэффициенты ослабления помех составляют сле­ дующие значения:

Индуктивность свитой пары ниже, чем индуктивность несимметрич­ ной двухпроводной ЛП.

Волновое сопротивление свитой пары вычисляется по формуле

276

где е,, еи — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и изо­

ляции проводов; dH, d — диаметр провода с изоляцией и без изоляции.

К недостатку метода монтажа свитой парой следует отнести увеличе­ ние массы и суммарной длины проводов вдвое по сравнению с несиммет­ ричной ЛП.

Свитая пара обеспечивает хорошую защиту передаваемых сигналу от влияния электромагнитных помех до частоты 100 кГц и удовлетворитель­ ную до частоты 10 МГц, гарантируя при этом постоянство волнового сопро­ тивления.

Коаксиальный кабель. Улучшение помехозащищенности ЛП в высо­ кочастотной аппаратуре обеспечивается применением коаксиальных кабелей (см. рис. S.8, д). Коаксиальный кабель является двухпроводной ЛП, состоящей из внешнего трубчатого проводника (оплетки), внутри которого соосно разме­ щается провод, разделенный диэлектрической средой от внешнего проводника.

Промышленность выпускает коаксиальные кабели с волновым сопро­ тивлением от 50 до 3200 Ом и номинальным диаметром от 0,6 до 120 мм. Марка кабеля указывает на его тип, волновое сопротивление, диаметр, группу изоляции и нагревостойкости, порядковый номер разработки. На­ пример, марка кабеля РК-50-4-11 означает, что это — радиочастотный ка­ бель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром 4 мм, обычной нагрево­ стойкости 1 с порядковым номером разработки 1.

Коаксиальный кабель используют для передачи разнообразных сигна­ лов в широком частотном диапазоне. Постоянство электрических парамет­ ров (волнового и активного сопротивления, шунтирующей емкости и т. п.), высокая защищенность от электрических и электромагнитных полей обу­ словливает широкое использование коаксиальных кабелей в вычислитель­ ной технике.

158

5.2. Конструкции сигнальных ЛП

При межприборной коммутации низкочастотной аппаратуры оплетка коаксиального кабеля для предотвращения появления контуров заземления заземляется на одном конце через выводы электрического соединителя. Оп­ летка кабеля высокочастотной аппаратуры соединяется с линией нулевого потенциала в нескольких точках через интервал 0,25Х, где X — длина волны передаваемого сигнала на самой высокой частоте. При протекании значи­ тельных токов по линии нулевого потенциала многоточечное заземление кабеля теряет свою эффективность и не должно использоваться.

В табл. 5.5 приведены основные марки коаксиальных кабелей, приме­ няемых в ЭВМ, с указанием основных областей их применения.

Таблица 5.5. Основные марки коаксиальных кабелей

Наличие оплетки коаксиального кабеля приводит к резкому возраста­ нию емкости прямого проводника на экран, что обязательно должно учиты­ ваться на этапе проектирования схем. Коаксиальные кабели имеют значи­ тельные габариты, сложны в монтаже и рекомендуются к использованию для внутри и межмодульной коммутации. Коаксиальные кабели должны быть согласованы с входными или выходными сопротивлениями коммути­ руемых элементов.

Электрические параметры объемного монтажа. Аналитические за­ висимости для оценки электрических параметров некоторых выриантов объемного монтажа представлены в табл. 5.6. В практике конструирования трудно получить волновое сопротивление ЛП ниже 30 и выше 600 Ом. В зависимости от конкретного типа провода и шага свивания волновое сопро­ тивление свитой пары составляет около 110... 130 Ом. При конструирова­ нии, например цифровой аппаратуры, стремятся разрабатывать и использо­ вать ЛП с большим волновым сопротивлением и малой шунтирующей ем­ костью.

159

J. Электрические соединения в электронной аппаратуре

Таблица 5.6. Электрические параметры вариантов объемного монтажа

Примечание. 1 — провод; 2 — земля; 3 — оплетка коаксиального кабеля; е — относительная диэлектрическая проницаемость внутренней изоляции кабеля; D — диаметр коаксиального кабеля без учета удвоенной толщины оплетки с изоляцией; d — диаметр провода.

Разводка ЛИ. Разводка ЛП осуществляется последовательно и парал­ лельно (табл. 5.7). Сравнение типов разводок проводится по суммарной длине соединений, быстродействию, надежности соединений, развязки.

Последовательная разводка обеспечивает минимальные длины связей, легкость в проектировании и монтаже. Недостатком является наличие це­ пей, по которым текут суммарные токи приемников П, вызывающие значи­ тельные падения напряжения на проводниках и, как следствие, гальваниче­ скую помеху. Отказ одного контакта или проводника приводит в худшем случае к отказу всех схем, нагруженных на источник сигнала И.

При параллельной разводке имеет место наилучшая развязка цепей. Отказ одного проводника или контакта скажется на работоспособности только одного приемника П. Однако суммарная длина проводников монта­ жа увеличится. Наличие параллельных цепей связи ведет к перекрестным помехам.

160

5.3. Волоконно-оптические ЛП

Таблица 5.7. Виды разводки линий связи

В табл. 5.7 представлено сравнение последовательного и параллельно­ го способов разводки по быстродействию. Приведенные схемы и допущения упрощают выводы и дают качественную картину процессов. Предполагается, что источник сигнала И удален от приемника сигнала П на расстояние 1и при­ емники расположены друг от друга на расстоянии /2. Если /2 « 1\, то индук­ тивностью ЛП между приемниками П можно пренебречь, емкостью линий передач также пренебрегаем. Источник сигнала в эквивалентной схеме представлен источником напряжения (/, приемник — активным сопротив­ лением R„. Последовательная разводка увеличивает задержку сигнала в 3 раза по сравнению с параллельной разводкой (на данном примере).

5.3. Волоконно-оптические ЛП

Использование принципиально нового конструктивного решения тех­ ники соединений — многожильных волоконно-оптических кабелей — по­ зволяет значительно уменьшить объем и массу электрических соединений, повысить их радиационную стойкость, исключить влияние перекрестных помех. Основу волоконно-оптической ЛП составляет оптический кабель — световод, представляющий (рис. 5.12) двухслойную конструкцию, состоя­ щую из проводящей среды (сердцевины) и оболочки, с разными показате­ лями коэффициентов преломления.

Передача светового сигнала происходит из-за преломления и много­ кратного полного отражения энергии сигнала при переходе из среды с од­ ним коэффициентом преломления в среду с другим коэффициентом пре-