книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

в

Рис. 5.12. Схема распределения и траектория распространения опти­

ческого сигнала в световоде

ломления. На рис. 5.12, а электромагнитная волна 3Пад, падая на драницу

0пр. При этом соблюдается соотношение /?,sin0пал = « 2sin0np, где л,, л2 —

коэффициенты преломления соответственно сердцевины и оболочки.

С увеличением угла 0пад возрастает угол 0 и при 0пад = 0О стано­

вится равным 90°, а преломленный световой сигнал скользит вдоль границы раздела сред (см. рис. 5.12, б). При всех значениях 0пад > 0О преломленная

волна будет отсутствовать. Угол 0О = arcsin ^ / п2), при котором световая

энергия зигзагообразно распространяется по сердцевине световода (рис. 5.12, в), называют углом полного внутреннего отражения.

Угол полного внутреннего отражения определяет условие падения светового сигнала на торец световода. Если на торец световода из окру­ жающей среды с коэффициентом преломления п0 падает сигнал под углом

а с коэффициентом преломления п\ к оси сердцевины, то при определен-

162

выходного сигнала световода (рис. 5.13). Кроме того, сигнал на выходе оказывается задержанным на величину Г, за счет конечного времени про­ хождения по световоду.

Поэтому необходимо стремиться, чтобы угол входа луча в световод уклады­

в окружающее пространство и по световоду не передается. При частотах выше критических энергия поля концентрируется внутри сердцевины и эф­ фективно передается по световоду. Таким образом, в световоде могут лишь распространяться сигналы с длиной волны X<d, а световоды ведут себя как высокочастотные фильтры.

В волоконно-оптической ЛП (рис. 5.14) оптическая энергия от свето­ диода / за счет полного внутреннего отражения передается по сердцевине 2

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

передаваемого сигнала. Однако для большинства материалов световодов ограничением на минимальный радиус изгиба (обычно около 50 мм) являет­ ся не чрезмерное ослабление сигнала, а растрескивание материала светово­ да. Ослабление для кварцевых световодов составляет не более 2 дБ/км при диаметре световода 200 мкм и радиусах изгиба 50 мм.

В качестве материала световодов используют полимеры, стекло, кварц. Световоды поставляются отрезками длиной до 100 м. Отрезки можно сращивать после шлифования торцов склеиванием, нагревом концевых час­ тей и сращиванием под давлением, соединительными металлическими или пластмассовыми втулками, надеваемыми на концевые части сращиваемых отрезков.

Оптический кабель состоит из скрученных определенным образом световодов, заключенных в общую защитную оболочку (рис. 5.15, а). По конструктивному исполнению многожильные волоконно-оптические ка­ бели разнообразны и отличаются числом и формой укладки световодов, способом объединения в единую конструкцию, зашитой от внешних воз­

164

5.4.Конструирование линий электропитания

5.4.Конструирование линий электропитания

Электроэнергия от источника к потребителям подводится двумя про­ водами — потенциальным и нулевым. Как правило, сложная аппаратура требует нескольких источников вторичного электропитания (ИВЭП). По­ тенциальные провода всех ИВЭП называются линиями электропитания и выполняются в виде индивидуальных проводов, нулевые провода в боль­ шинстве случаев объединяют и выполняют в виде одного мощного провода или металлического листа.

Основные схемы распределения электропитания приведены на рис. 5.16. Сравнение и выбор схем проводится по падению напряжения, нагрузочной способности по току, легкости проведения электромонтажных работ и неко­ торым другим факторам.

Электропитание по схемам последовательной и петлевой разводки подводится гибкими одно- и многожильными проводами, подсоединяемыми к выводам питания потребителей электроэнергии (ПЭ). Преимуществом этих схем разводки является простота конструкции, легкость в проектиро­ вании и монтаже, необходимость в двух коммутационных выводах ПЭ для каждого питающего компонента (подводящего и отводящего). Основные недостатки первых двух способов разводки — наличие контура в петлевой схеме разводки и в связи с этим помехи от магнитного поля.

Точечную разводку осуществляют жестким проводом и системой гиб­ ких проводов, с одного конца подпаиваемых к жесткому проводу, а с друго-

б

Рис. 5.16. Последовательная (о), петлевая (б), точечная (в) и параллель­ но-последовательная^) схемы распределения электропитания:

/ — гибкий объемный провод; 2 — жесткая шина

165

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

Рис. 5.17. Эквивалентная схема для расчета падения напряжения на линии электропитания

го — к ПЭ. Параллельно-последовательную разводку рекомендуется приме­ нять при регулярном расположении ПЭ. Как и при точечной разводку, сум­ марные токи протекают по мощной линии электропитания с большой пло­ щадью поперечного сечения.

Вточечной и параллельно-последовательной схемах разводки линии электропитания и нулевого потенциала выполняют в виде единой конструк­ ции, состоящей из двух медных проводников или проводов круглого сече­ ния, защищенных от короткого замыкания изолирующими пластинами или воздушным промежутком (рис. 5.17). Фиксацию проводников осуществляют установкой на клей, круглых проводов — нанесением на концевые части цилиндрической поверхности припоя паяльником.

К недостаткам точечного и параллельно-последовательного способов разводки следует отнести появление перекрестных помех из-за индуктивной связи между гибкими проводами, ненадежность при перепайке.

Всложной ЭА из-за ограничений на конструкцию одновременно можно использовать несколько вариантов разводки электропитания, если подобный подход позволит улучшить электрические параметры, упростить монтаж, повысить ремонтопригодность.

Падение напряжения на линиях электропитания. Рассчитаем паде­ ние напряжения на линии электропитания (рис. 5.18). Для этого введем сле­ дующие допущения. Полагая токи ПЭ независящими от изменения напряже­ ния электропитания, представим ПЭ приемником тока, что правомерно для электронно-вычислительной аппаратуры, разрабатываемой на микросхемах, имеющими допуск по питающему напряжению в 5... 10 %. Расчет проведем как

166

5А. Конструирование линий электропитания

U„ = / e AZ(l + 2 + ... + «) = IaiAZn(n +1)/ 2,

где п — число ПЭ.

Эквивалентная схема петлевой разводки представляет собой последо­ вательную схему, в которой между начальной и конечными точками линии введено сопротивление AZ. Петлевая разводка по сравнению с последова­ тельной разводкой приводит к уменьшению падения напряжения в худшем случае несколько меньше, чем вдвое.

В приведенном выше выражении произведение AZn есть сопротивле­ ние линии электропитания (ЛЭП). Полагая, что AZn = ZBlm, получим

U„=IB,ZJ„(n + 1) / 2,

где Z„, 1Ю— сопротивление на единицу длины линии (погонное сопротивле­ ние) и длина ЛЭП.

Уменьшая сопротивление и длину ЛЭП, а также число подсоединяемых к линии ПЭ, можно снизить и пз в любое число раз. Сделать меньшей длину

167

5.Электрические соединения в электронной аппаратуре

Втабл. 5.8 приведены три широко используемые схемы выполнения ли­ ний электропитания и нулевого потенциала, а также представлены зависимости для расчета их электрических параметров. Хотя полное сопротивление ЛЭП складывается из активной и реактивной составляющих, однако, уже на частоте 100 кГц активным сопротивлением можно пренебречь и рассматривать только индуктивную составляющую. Уменьшение индуктивности ЛЭП можно дос­ тигнуть увеличением размеров ее поперечного сечения. Однако подобный под­ ход не всегда результативен. Например, медный провод длиной 200 мм и диа­ метром 0,1 и 0,2 мм обладает соответственно индуктивностью 330 и 210 нГн. Таким образом, во втором случае расходы меди увеличились в 400 раз, а ин­ дуктивность уменьшилась несколько более, чем в 1,5 раза.

Таблица 5.8. С п о с о б ы в ы п о л н е н и я л и н и й э л е к т р о п и т а н и я

Примечание. 1 — линия электропитания; 2 — линия нулевого потенциала.

Меньшей индуктивностью при одинаковых геометрических размерах обладает провод, расположенный над землей, большей — провода круглого и прямоугольного сечений. Наибольшее волновое сопротивление имеет провод круглого, наименьшее — прямоугольного сечения. Для согласования с внутренним сопротивлением ИВЭП волновое сопротивление ЛЭП должно быть минимально возможным.

168

5.5. Конструирование заземления

Падение напряжения на ЛЭП при последовательной и петлевой раз­ водках быстро увеличивается с возрастанием числа ПЭ. Поэтому эти типы разводок, если токи ПЭ велики, а сопротивления линий сравнимы с сопротивлением нагрузки, применять не рекомендуется.

Развязывающий конденсатор, подсоединяемый к выходу источника непосредственно у ПЭ, является для ПЭ как бы индивидуальным источником питания и осуществляет его электропитание накопленной энер­ гией. Требуемая емкость развязывающего конденсатора вычисляется по формуле Ср > ktф / L, где к — кратность уменьшения падения напряжения

на линиях электропитания и нулевого потенциала; — наименьшая длительность фронта импульсного сигнала; L — суммарная индуктивность линий электропитания и нулевого потенциала. При расчете конденсатора определяют падение напряжения на линии электропитания и для обеспече­ ния работоспособности ПЭ принимают решение об уменьшении этого на­ пряжения в к раз. Для улучшения режима работы аппаратуры развязываю­ щие конденсаторы с выводами минимальной длины устанавливаются у каж­ дого ПЭ.

5.5.Конструирование заземления

Всоответствии с правилами проектирования в схеме выделяют базу с нулевым потенциалом, относительно которой проводят отсчет всех элек­ трических потенциалов схемы. Эту точку обычно называют землей. Конст­ руктивно эта база выполняется проводом, проводником (шиной), метал­ лической полосой или листом. Поскольку, как правило, аппаратуру зазем­ ляют, т. е. предварительно обеспечивают электрическое соединение метал­ лического корпуса с реальной землей (почвой, грунтом), то для отличия ре­ альной земли точку отсчета потенциалов схемы будем называть схемной землей.

Термин «земля» был установлен применительно к оборудованию, для которого в качестве обратного провода использовали почву. В настоящее время в качестве обратного провода используют не почву или металличе­ ский корпус ЭА, а провод (общий провод), который из соображений техни­ ки безопасности подсоединяют к земле.

По общему проводу протекают обратные (возвратные) токи электрон­ ных схем, вызывая на нем падение напряжения, и, следовательно, разницу в электрических потенциалах на общих выводах (земле) компонентов схемы. Поскольку по общему проводу функционирующей схемы протекают в каж­ дый момент времени различные токи, то это приводит к появлению гальва­ нических помех.

169

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

Сложная аппаратура с одним общим проводом функционировать не будет из-за появления на нем значительной гальванической помехи. При проектировании выделяют общие провода первичной и вторичной системы электропитания, высокочувствительных низкоуровневых схем, относитель­ но нечувствительных мощных высокоуровневых схем, импульсных схем. Для уменьшения помех по земляным соединениям для различных подсхем системы используются несколько ИВЭП одинакового номинала каждый со своим общим проводом.

В небольших электронных системах, например, в микрокалькуляторе или радиоприемнике, получить низкоомный общий проводник относитель­ но несложно. В сложных системах (большая ЭВМ, радар) сформировать низкоомную землю крайне трудно. Поскольку размеры сложных систем увеличиваются, то влияние взаимных индуктивностей и распределенных емкостей между общими проводами становятся заметными уже на низкой частоте. Поэтому в больших системах некоторая разница потенциалов на общих проводниках имеет место между различными частями системы и этот факт нужно принимать во внимание при проектировании защищенной от воздействия помех аппаратуры.

Общие провода электронных приборов объединяются по схемам одно- и многоточечного заземления (рис. 5.21, а). В первом случае общие провода мо­ дулей системы подсоединяются к общей нулевой точке, являющейся базой, относительно которой отсчитываются все потенциалы системы (см. рис. 5.21, а). Хотя в одноточечной земле связь модулей через общее сопротивление нуле­ вого потенциала отсутствует (линия выродилась в точку), будет иметь место

170

ности общие проводники должны быть ориентированы взаимно перпенди­ кулярно, что для большого числа элементов сделать практически невозможно.

Земля высокочастотной аппаратуры чаще всего представляет собой проводящую плоскость (тонкий медный лист монтажной панели, фольга многослойной печатной платы), к которой модули по месту установки под­ соединяются отводами минимальной длины (многоточечное заземление). Пользуясь графиком, приведенном на рис. S.22, можно выбрать схему за­ земления, исходя из максимальной рабочей частоты системы л размеров общего провода / . В незаштрихованной области графика хорошие резуль­ таты даст использование как одно-, так и многоточечной схемы заземления.

Для предотвращения излучения проводником в окружающее про­

Рис. 5.22. Выбор схемы заземления: lillllll - одноточечное; £ = I - многоточечное

171