, (2.28)

а частота коливань системи з рівномірно розподіленою масою

, (2.29)

де ЕІ - жорсткість балки на згин;

Е - модуль пружності Юнга І роду;

І - осьовий момент інерції перерізу балки;

ц - коефіцієнт, що враховує форму закріплення балки.

а) б)

Рис. 2.11. Моделі балок



а) б) в)

Рис. 2.12. Переріз балок

Типові перерізи балок показані на (рис. 2.12.). Осьовий момент інерції круглої балки (рис. 2.12, а), балки з прямокутним перерізом (рис. 2.12, б), осьовий момент інерції двотаврової балки (рис. 2.12, в) вибирається із спеціальної таблиці. Практика свідчить, що частота власних коливань балок лежить в межах f = 5 ? 30000 Гц.

2.8 Коливання пластин

Це особливо важливий випадок, бо стосується монтажних плат, шассі та інших плоских тіл.

Розглянемо прямокутну пластину постійної товщини з пружного однорідного ізотропного матеріалу.

Теорія дає загальну розрахункову формулу

, Гц, (2.30)

деа - довжина пластини в см,

h - товщина пластини в см,

с - густина матеріалу, з якого зроблені пластини,

D = - циліндрична жорсткість пластини,

- коефіцієнт Пуассона,

- коефіцієнт, що залежить від способу закріплення країв пластини.

Формулу (2.30) перетворюють до вигляду зручного в користуванні. Для цього вводять параметр

С = , (2.31)

Тоді (2.30) прийме вигляд

f = (2.32)

де а і h задаються в см.

Базовим приймають випадок, коли пластина виготовлена зі сталі (Ес = 2,1*1011).

Для врахування параметрів матеріалу пластини (Е, ) вводять коефіцієнт

КМ = . (2.33)

Для врахування впливу підвісних елементів на платі вводять коефіцієнт

КВ = , (2.34)

де М - маса елементів;

mпл - маса пластини;

Тоді (2.32) набуває вигляду:

. (2.35)

Порівняно з (2.32) змінився зміст коефіцієнта С, який вже вибирається із спеціальної таблиці в залежності від схеми закріплення країв пластини та співвідношення (рис. 2.13).

а) б)

Рис. 2.13. Схеми закріплення краю пластини

Кожний край пластини має три варіанти закріплення: край може бути защемлений (рис. 2.13, а), вільно підпертий знизу (рис. 2.13, б), або взагалі вільним. Три варіанти закріплення кожної сторони породжують 20 схем закріплення плат. Шляхом теоретичних розрахунків та експериментальних досліджень побудовані спеціальні таблиці значень коефіцієнта С в залежності від варіанта закріплення пластини та в залежності від відношення .

Частота власних коливань плати може відповідати резонансній зоні. Вихід з резонансної зони здійснюється за рахунок зміни товщини пластини h або значення коефіцієнта С. Оскільки змінювати відношення можна лише в деяких випадках, то практичне значення має зміна С за рахунок зміни закріплення країв пластини. Зміну товщини чи схеми кріплення плати можна здійснити практично завжди.

2.9 Віброзахист обчислювальної техніки

Всі види радіоелектронної апаратури зазнають зовнішніх або внутрішніх механічних дій. Механічні дії передаються кожному елементу і викликають їх вібрації. Викликані вібрації можуть мати резонансний характер. При резонансі виникають особливо великі деформації, які супроводжуються великими механічними напругами і можуть призвести навіть до руйнування елементу [9].

Постає задача забезпечення вібраційної стійкості та вібраційної міцності. Вібраційна стійкість - властивість об'єкта при заданій вібрації виконувати задані функції та зберігати значення своїх параметрів у межах норми. Вібраційна міцність - властивість об'єкта витримувати без руйнувань тривалі вібраційні навантаження.

Вібраційну стійкість та міцність можна підвищити за рахунок створення та застосування спеціальних матеріалів. Крихкі матеріали замінюють матеріалами з більшою пластичністю. Чавунне литво замінюють тонколистовим стальним прокатом, алюмінієве литво - прокатом алюмінієвих та титанових сплавів, ізоляційний фарфор - пластичними смолами, силікатне скло - органічним тощо. Сучасні матеріали можуть бути кращими від попередніх, але їх можливості завжди обмежені. Наступним значним кроком підвищення вібраційної стійкості та міцності є правильний вибір параметрів елементів конструкції. В першу чергу це стосується маси, пружності демпфування та способу кріплення елементів. Цю проблему ми розв'язували, коли розглядали коливання друкованих плат.

Найбільш привабливою є ідея ізолювання елементів від зовнішніх механічних дій. Тобто ставиться задача віброізоляції елемента і навіть всього обчислювального комплексу. Це зумовлено тим, що обчислювальна техніка зазнає, як правило, зовнішніх механічних дій. Зовнішнім збудником вібрації ОТ можуть бути вібрації навколишніх об'єктів або ударні (імпульсні) дії. Найбільш універсальним і ефективним способом боротьби з виникненням вібрацій в ОТ є ізоляція об'єкту від зовнішніх дій з допомогою амортизаторів. Амортизатори є пружними елементами, на яких встановлюється об'єкт. Такий спосіб віброзахисту насправді потребую індивідуального рішення, але він має загальні правила та рекомендації.

Об'єкт, що встановлюється на амортизаторах, в загальному випадку як тверде тіло має шість ступенів вільності. Корпус об'єкта може одночасно здійснювати шість простих коливань: три поступальні та три обертальні коливання. Як правило ці коливання зв'язані між собою, збудження одного з них приводить до виникнення інших. Таке явище розширює можливість виникнення резонансу. Існують певні прийоми зробити ці коливання незалежними. Якщо це вдається, то загальна задача віброзахисту зводиться до більш простих задач віброізоляції одномасової моделі. В першу чергу намагаються захиститись від найбільш небезпечного зовнішнього збудження.

Найбільш небезпечним є вертикальне коливання фундаменту. Найчастіше зовнішні вібрації мають високу частоту, тому намагаються забезпечити дорезонансний режим коливань. Для цього ставлять податливі амортизатори, а збільшувати масу об'єкта нераціонально. Доцільно збільшити тільки масу основи, на яку ставлять обчислювальну апаратуру, при умові, що сама основа встановлюється на амортизаторах. Об'єкт, що має низьку частоту власних коливань, практично не сприймає високочастотних зовнішніх вібрацій. Особливу небезпеку становлять ударні збудження. Ударний імпульс збуджує коливання широкого спектру, включаючи і низькі частоти. При ударних збудженнях застосовують амортизатори з високими демпфуючими властивостями.

Треба пам'ятати, що неправильний вибір амортизаторів та схеми їх розміщення може принести більше шкоди, ніж вібрація, що діє на незахищену техніку. Для розрахунку системи амортизаторів потрібні певні початкові дані:

- параметри механічних дій (характеристики вібрацій, ударних імпульсів тощо);

- умови експлуатації;

- конструктивні параметри апарату (маса, положення центру мас, моменти інерції відносно головних осей, габаритні розміри тощо);

- допустимі деформації та динамічні навантаження;

- статичні та динамічні характеристики амортизаторів.

На рис. 2.14. зображені дві схеми установки апарата на чотирьох амортизаторах. Центр мас апарата співпадає з геометричним центром корпуса. Всі амортизатори однакові, центр пружних сил, або центр жорстокості, лежить на вертикальній осі Z. Якщо центр жорстокості (ЦЖ) лежить нижче центру мас (ЦМ) то виникає небезпека збудження всіх шести простих коливань корпуса. Наприклад, горизонтальна механічна дія вздовж осі Х викличе збудження не тільки поступальних коливань вздовж осі Х, але й кругових коливань навколо осі Z і може привести до вертикальних поступальних коливань (рис. 2.14,а). Якщо амортизатори розмістити так, як це показано на рис. 2.14,б, то ЦМ і ЦЖ співпадуть. В силу повної симетрії відносно осей x, y, z всі прості коливання стануть незалежними.



а) б)

Рис. 2.14. Схеми розташування амортизаторів

Якщо центр мас (рис. 2.14, б) зміщений від осі z в горизонтальній площині, то вага об'єкта вже нерівномірно розподіляється між чотирма однаковими амортизаторами. Різними будуть й деформації амортизаторів навіть в статичній рівновазі. Корпус зміститься з центром мас і повернеться відносно осей. При збудженні коливань ці зміщення можуть збільшитись і шість коливань будуть сильно зв'язані між собою. Щоб обмежитись однаковими амортизаторами і при цьому зменшити залежність простих коливань, поступають наступним чином. Між більш навантаженими амортизаторами і фундаментом розміщують прокладки. Товщину прокладок підбирають так, щоб при різних деформаціях амортизаторів корпус під дією власної сили тяжіння залишався горизонтальним. Така початкова умова дозволяє досить часто звести майже нанівець залежність між собою шести простих коливань корпусу і тим самим спростити розв'язування задачі віброізоляції радіоелектронного засобу.

Амортизатори поділяють на низько-, середньо- та високочастотні, які забезпечують віброізоляцію в частотних діапазонах 5 - 600, 15 - 1200 і 32 - 2000 Гц відповідно. За способом дії виділяють чотири групи амортизаторів. У металогумових амортизаторів між металевими деталями кріплення до основи запресовано пружний елемент із спеціальної гуми. Ці амортизатори компактні, прості, мають досить велику демпферну здатність та низьку вартість. На жаль, вони мають малий діапазон механічної деформації, змінюють власну частоту із зміною навантаження, швидко старіють. Металопружні амортизатори містять пружину в поєднанні з іншими демпферними елементами й обмежувачами. Ці амортизатори більш універсальні і довговічні, допускають значні зміни робочої температури. Тросові амортизатори забезпечують широкий діапазон навантажень, велике демпфування, захист від механічних дій по всіх напрямках. Гумові амортизатори виконують з масло- та морозостійкої еластичної гуми або губчастої листової гуми у вигляді втулок, прокладок і шайб, а використовують їх для захисту окремих вузлів РЕЗ.

3. Електромагнітна сумісність радіоелектронних засобів

3.1 Проблеми електромагнітної сумісності

Радіоелектронні, електронні, аналогові та цифрові технічні засоби повинні мати властивості електромагнітної сумісності [10-14].

Електромагнітна сумісність - здатність виробів нормально функціонувати поруч з іншими виробами в умовах дії між ними та на них додаткових електромагнітних полів при виготовлені та експлуатації.

На сучасному етапі задача електромагнітної сумісності стає особливо актуальною, бо вимагає забезпечення стійкої роботи РЕЗ в умовах впливу різноманітних електромагнітних полів при постійному зростанні їх густини і потужності та одночасному підвищенні чутливості нової апаратури.

Задача сумісності реально виникає вже на стадії випробування та налагодження апаратури. Але розв'язування задачі на цій стадії проектування шляхом відповідних конструкторських рішень дещо запізніле, скоріше всього буде дорогим і залишиться незадовільним. Якщо ж питання сумісності вирішуються на самій ранній стадії конструювання, то вдається уникнути до 90% потенційно можливих труднощів, що виникають потім на стадії випробування.

Стійкість РЕЗ до електромагнітних дій можна підвищити за рахунок екранування, раціонального заземлення та інших конструкційних рішень. Цю задачу розв'язують також схемотехнічними або структурними методами. Підкреслимо, що ці методи достатньо загальні й їх розповсюджують на широкий клас електронних засобів, серед яких цифрові засоби обробки сигналів особливо чутливі до зовнішніх та внутрішніх електромагнітних дій.

3.2 Джерела, приймачі та зв'язки завад

Завада - це непередбачена електронною схемою передача напруги, струму чи потужності.

Розрізняють зовнішні та внутрішні завади. Завади, особливо внутрішні, суттєво залежать від конструкції РЕЗ. При аналізі та виборі методів захисту від електромагнітних завад майже завжди в будь-якій конструкції можна виділити джерела завад (ДЗ), приймачі завад (ПЗ) та відповідні механізми зв'язків між ними, або просто зв'язки завад (ЗЗ). ДЗ, ПЗ та ЗЗ структурно зображені на рис.3.1.

100

Рис.3.1. Джерело, приймач та зв'язок завад

Практично кожний елемент системи при певних конструкторських рішеннях може стати як джерелом завад, так і приймачем завад. Все залежить від відношення вихідної енергії одного елемента та чутливості до сприйняття цієї енергії іншим елементом. Тому вміння правильно визначити дію завад ще на стадії проектування вимагає від конструктора високого професійного рівня і є важливою підставою для досягнення ефективної функціональної роботи РЕЗ при мінімальних затратах коштів.

Найбільш ймовірними джерелами завад можуть бути: мережа змінного струму; потужні генератори ВЧ, особливо імпульсні та працюючі в нелінійному режимі; імпульсні модулятори з високою напругою і великим струмом; вихідні і передкінцеві каскади підсилювачів ВЧ, ПЧ, НЧ; генератори розгортки, особливо з високою напругою і малим часом зворотного ходу; реле та інші перемикаючі прилади; вихідні і силові трансформатори; колекторні електродвигуни тощо.

Найбільш ймовірними приймачами завад можуть бути: всі радіоприймачі, особливо чутливі; вхідні каскади підсилювачів всіх типів; спускові пристрої з високою чутливістю (тригери, вібратори) тощо.

Зв'язки завад можуть здійснюватись через електричне, магнітне чи електромагнітне поле та через з'єднувальні провідники або хвилеводи.

Характеристики поля завад визначаються оточуючим середовищем і відстанню приймача завад (ПЗ) від джерела завад (ДЗ). Поблизу ДЗ властивості поля визначаються, в основному, характеристиками джерела. Далеко від ДЗ властивості поля залежать, головним чином, від середовища, в якому розповсюджується поле завад. Тому простір навколо ДЗ умовно можна поділити на дві зони. Поруч з джерелом розташоване ближнє, або індуктивне поле. На відстані розташовується дальнє поле, або поле випромінювання (рис.3.2.), де - довжина хвилі.

100

Рис. 3.2. Характер поля в залежності від відстані до ДЗ

В загальному випадку ближнє поле є електромагнітним. Але при певних обставинах його умовно можна вважати або чисто електричним, або чисто магнітним. Це визначається відношенням напруженості електричного поля Е до напруженості магнітного поля Н, яке називається комплексним хвильовим опором.

(3.1.)

Якщо >>, то ближнє поле завад вважається електричним, якщо ж , то ближнє поле завад вважається магнітним.

Прикладом електричного поля є наведення, що випромінює прямий провід, а прикладом магнітного поля може служити наведення, що випромінює петля чи шлейф. Як правило, якщо в джерелі генерується малий струм і висока напруга, то ближнє поле в основному змінне електричне. Якщо в джерелі великий струм і мала напруга, то ближнє поле змінне магнітне.

В ближньому змінному електричному полі його електрична складова затухає пропорційно , в той же час доповнююча його магнітна складова затухає пропорційно . В ближньому змінному магнітному полі навпаки його магнітна складова затухає пропорційно , бо вона утворює доповнююче його електричне поле, що затухає пропорційно . Таким чином можна сказати, що в основному закони ослаблення електромагнітних полів Е і Н обернено пропорційні квадрату відстаней від джерела, а в випадку помітної переваги одного поля над другим переважаюче поле затухає швидше в зв'язку з втратами енергії на збудження доповнюючого його поля другого типу.

Із збільшенням відстані r від джерела значення комплексного хвильового опору в обох випадках зближуються і на відстані воно дорівнює . Ближнє поле стає дальнім полем завад. В дальньому полі як електрична так і магнітна складові затухають пропорційно .

Велике значення має також характер зміни напруженості поля в часі. В зв'язку з цим розрізняють імпульсні, синусоїдальні і коливально затухаючі поля завад. Всі ці випадки мають місце при роботі РЕЗ.

3.3 Застосування еквівалентних електричних схем

Традиційно аналіз роботи РЕЗ в умовах дії електромагнітних полів завад здійснюється методами теорії кіл. Всі види зв'язків завад (ЗЗ) ділять на ємнісні, індуктивні та кондуктивні.

Спрощена модель ємнісного зв'язку між двома провідниками, один з яких А є джерелом завад, а другий В є приймачем завад, зображена на рис.3.3.

а) б)

Рис.3.3. Ємнісний зв'язок між провідниками:

а - фізична модель; б - еквівалентна схема

Ємнісний зв'язок здійснюється через ближнє електричне поле напруженості Е. Якщо провідник має напругу , то провідник В з проводом А зв'язаний ємністю завад і має відносно корпусу опір завад та напругу наведення .

Спрощена модель індуктивного зв'язку між двома провідниками, з яких провідник А є джерелом завад, а провідник В є приймачем завад, зображена на рис.3.4.

Індуктивний зв'язок здійснюється через ближнє магнітне поле напруженості Н, яке виникає при проходженні в провіднику А змінного струму , де - повний опір кола А. Коло А індуктивно зв'язане з колом В взаємною індуктивністю . Струм збуджує в колі В електрорушійну силу , під дією якої в колі протікає струм , де - повний опір кола В.

а) б)

Рис.3.4. Індуктивний зв'язок між провідниками:

а - фізична модель; б - еквівалентна схема

На рис.3.5. зображена узагальнена схема зв'язку завад, з якої видно, що опір зв'язку завад та опір приймача завад утворюють дільник напруги.

Рис.3.5. Узагальнена схема зв'язку завад

Коефіцієнт зв'язку по напрузі

,(3.2)

де - опір кола.

Комплексний та повний загальний опір кола при послідовному з'єднанні елементів відповідно визначається формулою

,(3.3)

.(3.4)

При паралельному з'єднанні елементів комплексний та повний загальний опір кола відповідно визначаються формулою

,(3.5)

.(3.6)

Якщо , то і формула (3.2.) спрощується

.(3.7)

Зв'язок через загальний омічний опір виникає там, де струми двох різних схем проходять через спільний опір. При цьому спад напруги, що викликає кожна із схем, служить для іншої схеми завадою (рис. 3.6.). На схемі R - загальний опір шин, а r - опір джерела живлення.

Рис.3.6. Кондуктивний зв'язок завад

3.4 Приклад розрахунку еквівалентної схеми

Паразитна ємність монтажу між двома провідниками . Кожний провідник має ємність відносно корпусу . На провідник поступає сигнал змінної напруги з частотою . Виникає питання: яка напруга шумів наводиться на провідник В, якщо підключений до його кінця резистор R має:

а) нескінченний опір, б) R=1000 Oм, в) R=50 Ом.

Зобразимо фізичну модель та відповідну еквівалентну схему.

В випадку, коли , цей опір можна відкинути.

Тоді

.

В випадку, коли , комплексний опір паралельного з'єднання

,

а комплексний загальний опір

.

Повний опір

.

Враховуючи, що , при R=1000 Ом . Цього значення напруги наведення досить, щоб перевантажити деякі підсилювачі й тоді підсилення корисного сигналу стане неможливим.

При R=50 Ом в результаті одержимо . Цього значення напруги досить, щоб перевантажити деякі мікросхеми і тоді підсилення корисного сигналу стане неможливим.

3.5 Екранування

Екранування здійснює захист приймача від дії електричних, магнітних та електромагнітних полів джерела з допомогою металевих екранів. Розрізняють зовнішнє та внутрішнє екранування. При зовнішньому екрануванні електричні кола з відносно низькими енергетичними рівнями захищають від впливу зовнішніх відносно них полів завад. З допомогою екрану навколо приймача створюється частина простору, в якому ослаблена дія полів завад. При внутрішньому екрануванні обмежується простір навколо джерела завад і тим самим обмежується поширення енергії від власного внутрішнього поля об'єкту, наприклад поля вихідного каскаду підсилювача проміжної частоти.

Ефективне екранування потребує врахування багатьох і різноманітних обставин, моделі яких повинні бути представлені фізично переконливо та математично просто.

Не зважаючи на те, що практично дуже важко виділити суто електричне, магнітне чи електромагнітне поле, з методичної точки зору зробити це дуже важливо. Бо саме характер поля завад визначає якісно той чи інший спосіб екранування. Відповідно розрізняють електростатичне, магнітостатичне та електромагнітне екранування.

Дія екрана залежно від його взаємодії з полем завади може грунтуватися на одному з трьох принципів: відбиття від екрана, шунтування та поглинання екраном електромагнітних хвиль. Відповідні екрани називають відбивними (електромагнітними), шунтувальними (магнітостатичними) і поглинальними (електростатичними та електромагнітними).

Ефективність екранування S визначається відношенням напруг, струмів, напруженостей електричного та магнітного полів в області екранування при відсутності та наявності екрана:

.(3.8)

В техніці провідникового зв'язку ефективність екранування прийнято оцінювати в неперах:

(3.9)

В радіотехніці екранне затухання оцінюють в децибелах:

(3.10)

При цьому В=0,115А або А=8,7В.

3.6 Екранування електростатичного поля

Електростатичне екранування грунтується на замиканні електричного екрана (паразитної ємності ) на шину з нульовим потенціалом (корпусом, “землею”).

Розглянемо типовий випадок електростатичного наведення (рис. 3.7), тобто ємнісний зв'язок між джерелом А та приймачем В, та встановимо спосіб його зменшення.

а) б)

Рис. 3.7. Електростатичне наведення:

а) - фізична модель; б) - еквівалентна схема

Джерело завади А має постійну напругу чи напругу , що повільно змінюється. У приймачі В в наслідок електромагнітної індукції наводяться заряди, і він набуває потенціалу . Згідно розглянутому вище прикладу

(3.11)

або

.(3.12)

Згідно формули (3.12) для зменшення наведеної напруги треба збільшити відношення ємностей . Для цього треба або збільшити ємність , або зменшити ємність . Збільшення означає збільшення вхідної ємності та ємності монтажу, а ці можливості дуже обмежені. Зменшення можна здійснити шляхом збільшення відстані між джерелом А і приймачем В. Тому саме цей спосіб реалізують на практиці. Графік залежності від при сталих інших параметрах зображений на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Залежність напруги наведення від ємності завад

Але збільшення відстані між джерелом і приймачем може привести до збільшення габаритів всього пристрою. Задачу зменшення напруги наведення можна здійснити з допомогою екрану.

Спочатку розглянемо незаземлений екран в вигляді плоскої пластини та відповідну еквівалентну схему (рис. 3.9).



а) б)

Рис. 3.9. Дія плоского екрана:

а - фізична модель; б - еквівалентна схема.

Елементи , , та утворюють подвійний ємнісний дільник напруги. В першому наближенні приймаємо, що . Для подвійного дільника, що утворює плоский незаземлений екран

. (3.13)

Дослідимо рівняння (3.13), враховуючи, що та . Розглянемо два часткові випадки та порівняємо згідно формули (3.11).

Спочатку нехай екран достатньо віддалений від землі і знаходиться між джерелом А та приймачем В. Спробуємо екран наблизити до джерела А. Це призведе до того, що стане на порядок більше (). Так як , то

,(3.14)

бо це рівносильно умові

,

а .

З умови (3.13) згідно (3.11) та (3.14) випливає, що

,

бо . Отже при наближенні екрана до джерела завад навіть одержали, що , тобто при наближенні екрана до джерела А наведена на приймачі В напруга більша наведеної напруги без екрана. Аналогічний висновок одержимо при зміщенні екрана до приймача В. В силу симетрії ємностей та зразу можна стверджувати, що знову одержимо . Отже найменша наведена напруга буде при розташуванні плоского екрана рівно по середині між джерелом А та приймачем В.

Тепер нехай екран знаходиться по середині між джерелом А і приймачем В. При цьому екран будемо наближати до землі. Це означає, що >>. Тоді

При граничному переході , що відповідає заземленню екрана, одержимо, що . Але в цьому випадку треба враховувати . Хоча значення досить мале, але воно не дорівнює нулеві. Тоді при заземленому екрані

,

оскільки .

Таким чином, найбільшого ефекту екранування можна досягти при заземленому екрані, коли ємності та закорочуються на землю, а ємність зменшується до величини (за рахунок збільшення довжини силових ліній електростатичного поля між точками А і В). Ефективність екранування .

Екран, що погано з'єднаний з землею або має значну індуктивність з'єднуючого провідника (рис.3.10, б), різко знижує ефективність екранування.

Металева кришка (рис. 3.10, а) поліпшує ефективність екранування, хоча й не знаходиться між джерелом А і приймачем В, але при умові, якщо кришка щільно прилягає до корпусу. Тоді ємності та не зв'язують тіла А і В, а залишиться лише паразитна ємність яка набагато менша паразитної ємності . Якщо ж між кришкою і корпусом буде проміжок, то з'являється вплив , і як наслідок, вплив ємностей та , які значно більші паразитної ємності. Така кришка погіршить ефективність екранування.

а)

б)

Рис. 3.10. Вплив характеру заземлення:

а - щільність прилягання металевої кришки,

б - індуктивність провідника з'єднання

При замкнутому електростатичному екрані паразитна ємність і ефективність екранування . В реальних конструкціях є отвори для доступу в середину екрана, і оцінити паразитну ємність можна лише експериментально. Якщо отвори і щілини екрана співрозмірні з довжиною електромагнітних хвиль, то через них може проникати електромагнітне поле. Тому отвори і щілини роблять достатньо малими.

Ефективність екранування електростатичного поля не залежить від товщини екрана та марки металу, з якого виготовлено екран. Тому часто електростатичні екрани виготовляють в вигляді тонкого шару металізованого діелектрика (нижньої сторони металокерамічного корпуса ІС, пластмасового каркаса екрана котушок індуктивності), що з'єднується з землею.

3.7 Магнітостатичне екранування

Магнітостатичне екранування застосовують для захисту від постійних та слабозмінних магнітних полів з частотою від 0 до 3000 Гц. Екран виготовляють із феромагнітних матеріалів (пермалой, сталь, ферит) з великою відносною магнітною проникністю . Товщина екрана з металу складає 0,5...1,5 мм. При наявності такого екрана силові лінії магнітного поля Н проходять в основному по його стінках (рис. 3.11), які мають малий магнітний опір в порівняно з опором простору навколо екрана (ефект поглинання). Ефективність екранування таких полів залежить від магнітної проникності екрана і його товщини, а також від наявності стиків і швів, розміщених перпендикулярно до силових ліній магнітного поля. Цей вид екранування називається магнітним шунтуванням.

У випадку ефективність екранування для циліндричного екрана (рис. 3.11, а):

, (3.15)

а для екрана у формі паралелепіпеда (рис. 3.11, б):

.(3.16)



а) б)

Рис.3.11. Схема дії низькочастотного екрану:

а - циліндрична форма; б - форма паралелепіпеда

У цілому ефективність магнітостатичних екранів невелика і практично однакова у всьому діапазоні частот. Так екран, виготовлений зі спеціального сплаву “Армко”, у якого , при радіусі 0,4 м і товщині екрана 0,01 м забезпечує ефективність 31,5 дБ. Щоб забезпечити дуже високу ефективність екранування, використовують кратне екранування, розташовуючи один екран в середині іншого.

3.8 Електромагнітне екранування

Електромагнітне екранування застосовують на частотах більших 3000 Гц. Екрани виготовляють із немагнітних і феромагнітних матеріалів. Спрощено суть екранування зводиться до того, що під дією джерела електромагнітного поля на стороні екрана, що обернена до джерела, виникають заряди, а в його стінках-струми, які утворюють в зовнішньому просторі поля, що по напруженості близькі полю джерела, а по напрямку - протилежні йому (рис. 3.12). У результаті в середині екрана відбувається взаємна компенсація полів, а зовні його - витіснення зовнішнього поля полями вихрових струмів (ефект відбиття). Відбувається поглинання полів за рахунок втрат на виділення тепла при протіканні вихрових струмів по стінках екрану та на перемагнічування, якщо екран виконаний з феромагнітного матеріалу. Хоча сталь на високих частотах дає більший екрануючий ефект, ніж немагнітні матеріали, треба враховувати, що стальний екран може викликати значні втрати через свій питомий опір та гістерезис, що призводить до підвищення температури.

а) б) в)

Рис.3.12. Схема дії високочастотного екрана:

а - зовнішнє поле; б - поле вихрових струмів; в - сумарне поле

Щільність вихрових струмів у металевому екрані зменшується від поверхні в його глибину. Це зменшення тим більше, чим вища частота поля і чим більший питомий опір матеріалу екрана. На низьких частотах, коли товщина екрана менша глибини проникнення, поверхневий ефект можна не враховувати.

При виборі матеріалу і товщини екрана треба враховувати не тільки електричні властивості матеріалу, а й його механічну міцність, корозійну стійкість, зручність виготовлення, забезпечення надійного контакту з шиною нульового потенціалу, тепловідвід тощо.

У конструкціях екранів небажані щілини і отвори, інакше енергія, яка проникає в середину, викличе збудження струмів витоку на внутрішній стороні екрана.

3.9 Електромагнітна сумісність цифрових вузлів

Методи електромагнітної сумісності РЕЗ розповсюджуються на ЕОМ та цифрові технічні засоби обробки сигналів, які є не тільки джерелами завад, а й самі чутливі до сприйняття завад. Забезпечення внутрішньої електромагнітної сумісності стає все більш актуальним в зв'язку з неперервним зменшенням енергії сигналів та ростом взаємного впливу сигналів через збільшення щільності компонування та складності цифрових систем. На цифрові вузли можуть впливати і зовнішні завади, наприклад ті, що проникають по лініям живлення.

Необхідність забезпечення електромагнітної сумісності цифрових систем визначається такими основними факторами: складний характер дискретних імпульсних цифрових сигналів; дією непередбачених схемою паразитних еквівалентних електричних параметрів (розподілених індуктивностей, взаємних індуктивностей, ємностей, омічних опорів провідників друкованого монтажу і елементів несучих конструкцій); схемотехнічних особливостей цифрових інтегральних мікросхем; синхронного та асинхронного характеру процесів тощо.

Здатність цифрових систем протистояти внутрішнім та зовнішнім завадам залежить від основного принципу їх будови, наприклад від вибраної структури сигналів, що передаються. Особливість електромагнітної сумісності цифрових схем зумовлена в основному двома причинами: складним характером імпульсних сигналів та випадковим характером паразитних зв'язків. Рівень внутрішніх завад по напрузі чи струму суттєво збільшується із зменшенням тривалості дії імпульсів завад.

Для систематизації методів забезпечення внутрішньої електромагнітної сумісності цифрових вузлів всі електричні з'єднання умовно поділяють на електрично довгі та електрично короткі. Електрично довгою називається лінія зв'язку, геометрична довжина якої співрозмірна з довжиною хвилі найбільш високочастотної складової спектра дискретного сигналу.

Часто електричну довжину лінії визначають відношенням затримки сигналу в лінії до тривалості фронту імпульсу . Якщо >0,1, то лінія вважається електрично довгою, якщо <0,1 - електрично короткою. Час розповсюдження сигналів такий, що навіть при =1 вже при геометричній довжині 14..25 мм лінія електрично довга.

Характеристичним параметром електрично довгої лінії є хвильовий опір , де - індуктивність лінії, Гн; - ємність лінії, Ф. При проходженні сигналу по електрично довгій лінії, яка має неоднорідності хвильового опору окремих ділянок, відбувається відбиття падаючого сигналу напруги або струму . Відбитий сигнал накладається на падаючий і спотворює його.

Неоднорідність лінії може викликати внутрішній опір генератора сигналів, що підключений до початку лінії, або опір навантаження в кінці лінії, що не дорівнює хвильовому опору лінії зв'язку. Неоднорідність може бути породжена різного виду конструктивно-технологічним виконанням (одиничний об'ємний провідник, друкований провідник, коаксіальний кабель, екранований провідник, контакт з'єднання тощо), технологічними неоднорідностями (коливання товщини чи діелектричної проникності ізоляції коаксіального кабелю) або розгалуженнями лінії.

Відбита енергія характеризується коефіцієнтом відбиття по напрузі () або по струму ():

, , .

Амплітуда відбитого імпульсу може бути визначена із відношень , .

Якщо лінія на своєму кінці навантажена на опір (лінія узгоджена в кінці), то перепад напруги, діставшись через час кінця лінії, не спотворюється, оскільки коефіцієнт відбиття по напрузі =0 і тому =0. Якщо лінія не узгоджена з одного або з двох кінців, то спотворення носять аперіодичний чи коливальний характер. При аперіодичному характері перехідного процесу швидкодія цифрових вузлів зменшується, оскільки зростає час зростання амплітуди сигналу до номінального значення і потрібно зменшити тактову частоту подачі імпульсів. При коливальному характері перехідного процесу може виникнути помилкове спрацювання логічних елементів через значну амплітуду коливання сигналу біля порогового значення. Крім того, викиди напруги можуть привести до пробою p-n-переходів напівпровідникових приладів чи до насичення транзисторів логічних елементів, що також знизить швидкодію.

Відбиття імпульсів в електрично коротких лініях не шкідливе через їх малу тривалість порівняно з тривалістю фронту. Завади в електрично коротких лініях зв'язку виникають між різними електричними з'єднаннями та різними компонентами в межах одного з'єднання. Хоча в цифрових вузлах застосовується схеми з малим коефіцієнтом підсилення по напрузі, наявність великого числа паралельних зв'язків, а також висока щільність компонування вимагає спеціальних заходів для забезпечення електромагнітної сумісності в коротких лініях. Паразитні зв'язки визначаються конструкцією вузлів та параметрами матеріалів (особливо діелектричною проникністю). Всі види внутрішніх паразитних зв'язків ділять на ємнісні, індуктивні і кондуктивні. Якщо сигнал (його спектральна складова), що наводить заваду, має гармонічний характер, то незалежно від характеру зв'язку амплітуда завади може бути визначеною за формулою

.

Щоб оцінити очікуване спотворення сигналів і завад треба скласти еквівалентну електричну схему і розрахувати електричні параметри лінії зв'язку (,, , , , ), враховуючи конструктивні дані (геометричні розміри, фізичні параметри матеріалів, конструктивне виконання, кількість та взаємне розташування ліній зв'язку).

Взаємну ємність між двома провідниками, що розташовані з однієї або з двох сторін друкованої плати (ДП), можна визначити за формулою

,

де - питома ємність лінії, пФ/см;

L1 - довжина взаємного перекриття провідників, см (рис.3.13 а);

- приведена (ефективна) діелектрична проникність середовища, .



еo?еплеo<<епл

а) б) в)

Рис. 3.13. Взаємна індукція провідників ДП: а - схема взаємного розташування; б - приведена діелектрична провідність еер при еер?епл; в - еер при еo<<епл.

Наявність ізоляційної основи з великим значенням діелектричної проникності епл є причиною виникнення великих паразитних ємнісних зв'язків і власної ємності між двома провідниками.

Значення питомої ємності лінії суттєво залежить від параметрів конструкції, конструкційного виконання, кількості та взаємного розташування ліній зв'язку, геометричних розмірів, фізичних параметрів тощо. В довідниках наведені формули визначення та для характерних випадків. Питому ємність провідників друкованих плат зручно визначати, користуючись графічними залежностями для чотирьох типових випадків:

1 - провідники односторонньої ДП при ;

2 - провідники односторонньої ДП при /3;

3 - провідники двосторонньої ДП при ;

4 - провідники двосторонньої ДП при . (рис.3.14).

Рис.3.14. Питома взаємна ємність провідників ДП у вакуумі

В довідниках наведені аналогічні графіки для визначення хвильового опору зовнішніх і внутрішніх провідників ДП різного конструктивного виконання та хвильового опору друкованих ліній.

Графіком зручно користуватись для визначення величини , а для більш змістовного аналізу способів зменшення зручніше користуватись відповідною аналітичною формулою. Для типового випадку 1 маємо формулу:

.

Звідси можна вказати такі способи зменшення :

· збільшення відстані d між провідниками;

· зменшення ширини проводів та , якщо це можливо;

· зменшення довжини одного з проводів, тобто зменшення L1.

Взагалі до схемотехнічного зменшення завад в електричних з'єднаннях відносяться:

- використання елементної бази з максимальною завадостійкістю;

- застосування LC-фільтрів в колах живлення;

- компенсація завад (наприклад, скручених пар провідників) тощо.

До конструктивних методів відносяться:

- зменшення числа конструкторсько-технологічних типів ліній зв'язку в одному колі;

- ослаблення паразитного зв'язку шляхом рознесення джерел і приймачів завад або шляхом ортогонального розташування провідників в сусідніх парах ДП, зменшення довжини взаємодіючих ділянок, використання матеріалів з малою діелектричною проникністю;

- збільшення числа точок заземлення і шин живлення;

- часткове екранування ДП та введення міжобмоточних екранів в трансформаторах;

- зменшення розмірів контактних з'єднань, наприклад, шляхом заміни роз'ємних з'єднань нероз'ємними.

До технологічних методів відносяться:

- покращення однорідності ліній певного технологічного виконання (друкований провідник, коаксіальний кабель тощо);

- зменшення розкиду параметрів елементів схеми за рахунок виготовлення їх в одному технологічному циклі (наприклад, пар транзисторів);

- освоєння виробництва виробів з покращеними властивостями (кабельні вироби з екраном, еластомірні контакти).

Висновки

Конструювання обчислювальної техніки описано як складова більш широкого процесу, пов'язаного із розробкою технічного проекту, виробництвом і експлуатацією виробу. Оскільки процес конструювання не можна звести до окремих конструкторських рішень, прикладів та рекомендацій, тому велику увагу приділено створенню у студентів правильного й змістовного уявлення про загальні закономірності конструювання, його проблеми та перспективи.

Сучасне проектування ОТ вимагає системного підходу, при якому всі фізичні процеси розглядаються у взаємодії. Найбільше впливають на функціональні показники обчислювальної техніки електричні, електромагнітні, теплові та механічні процеси. Врахування взаємозв'язку між процесами можливе завдяки побудові фізичних і математичних моделей пристроїв, що потребує широкого використання комп'ютерної техніки.

При розгляді теплових процесів описано три види теплообміну: теплопровідність, конвекцію, випромінювання. Розглянуто передачу теплової енергії через плоскі й циліндричні стінки, способи збільшення теплопровідності. Описано теплові режими РЕЗ при нагріванні тіла внутрішнім і зовнішнім середовищем, методику розрахунку температур в різних зонах приладу. Розглянуто системи охолодження РЕЗ, зокрема вільне і примусове повітряне охолодження, вільне і примусове рідинне охолодження.

Механічні процеси суттєво впливають на надійність роботи РЕЗ, особливо небезпечними є механічні коливання на базі пружних елементів. Рівень коливань визначається за допомогою відповідної динамічної моделі, яка враховує інерційні, пружні, дисипативні та силові параметрів. Динамічну модель досить часто вдається спростити за рахунок приведення мас, сил, пружних параметрів і параметрів дисипації. Розглянуто вільні та вимушені коливання одномасової системи, віброзахист обчислювальної техніки, явище резонансу, види амортизаторів та схеми їх розташування.

Врахування електромагнітної сумісності є необхідним для забезпечення нормального функціонування виробів поруч з іншими виробами в умовах дії між ними та на них додаткових електромагнітних полів при виготовлені та експлуатації. Розглянуто джерела і приймачі завад, способи екранування електростатичного, магнітного та електромагнітного полів.

Перелік умовних позначень

ВЧ - високі частоти

ДЗ - джерела завад

ДП - друкована плата

ЗЗ - зв'язки завад

ІС - інтегральна схема

НЧ - низькі частоти

ОТ - обчислювальна техніка

ПЗ - приймачі завад

ПЧ - проміжні частоти

РЕЗ - радіоелектронний засіб

СЗТР - системами забезпечення теплового режиму

СО - системи охолодження

СТ - системи термостабілізації

ЦЖ - центр жорстокості

ЦМ - центр мас

Список літератури

1. Домнич В.И., Зинковский Ю.Ф. Конструирование РЭС. Оценка и обеспечение тепловых режимов. - К.: УМК ВО, 1990. - 240 с.

2. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высшая школа, 1984. - 247 с.

3. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. - М.: Высшая школа, 1990. - 432 с.

4. Справочник конструктора РЭА. Общие принципы конструирования / Под ред. Р.Г.Варламова. - М.: Сов. радио, 1980. - 480 с.

5. Фролов А.Д. Теоретические основы конструирования и надежности РЭА. - М.: Высшая школа, 1970. - 485 с.

6. Зелик А.Є. Програма, методичні вказівки і контрольне завдання з курсу „Основи конструювання і технології РЕЗ”. - Чернівці: Рута, 1994. - 47 с.

7. Зелик А.Є. Основи конструювання і технології радіоелектронних засобів. Навч. посібник до лаб. практикуму. - Чернівці: Рута, 1994. - 82 с.

8. Мюллер Скотт. Модернизация и ремонт ПК. - 12-е изд. - М.: Вильямс, 2001. - 1162 с.

9. Суровцев Ю.А. Амортизация радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Сов. радио, 1974. - 160 с.

10. Барнс Д. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами. - М.: Мир, 1990. - 237 с.

11. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. - 4-е изд. - СПб.: Питер, 2003. - 698 с.

12. Бабич М.П., Жуков І.А. Комп'ютерна схемотехніка: Навчальний посібник. - К.: МК-Прес, 2004. - 412 с.

13. Бройдо В. Л., Ильина О. П. Архитектура ЭВМ и систем: Учебник для вузов. - М.: Питер, 2005. - 720 с.

14. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. - М.: Питер, 2005. - 672 с.