Электрические соединения в радиоэлектронной аппаратуре

      В таблице приведены основные марки коаксиальных кабелей.

      Наличие оплетки коаксиального кабеля приводит к резкому возрастанию емкости прямого проводника на экран, что обязательно должно учитываться на этапе проектирования схем. Коаксиальные кабели имеют значительные габариты, сложны в монтаже и рекомендуются к использованию для внутри и межмодульной коммутации.

      Печатные  проводники. В низкочастотной аппаратуре узкие плоские сигнальные проводники печатных плат (ПП) располагают на диэлектрическом основании совместно с проводниками электропитания и нулевого потенциала, которые для уменьшения падения напряжения на них выполняются широкими, насколько это возможно. Одно- и двусторонние ПП не обеспечивают для всех проводников однородного и стабильного волнового сопротивления, поскольку сигнальные проводники располагаются на разных расстояниях от проводника нулевого потенциала. Между проводниками имеет место значительная емкостная и индуктивная связь.

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

      Расчетные соотношения для электрических  параметров печатных проводников приведены в таблице. В первой строке таблицы показан эскиз микрополосковой, во второй — полосковой ЛП. При расположении проводников на границе двух диэлектриков, например плата - воздушная среда или плата - лаковое покрытие, можно использовать расчетные соотношения первой строки таблицы, вычислив e по приближенной формуле: e = (e₁+e₂)/2, где e₁ и e₂ - относительная диэлектрическая проницаемость сред, на границе которых располагается проводник.

       Поскольку диэлектрическая проницаемость лакового покрытия платы выше, чем у воздуха, то волновое сопротивление микрополосковых линий, покрытых лаком, будет меньше, а емкость - выше.

      У двухпроводной ЛП, в которой обратный ток протекает по общему для всех схем проводу (земле), с возрастанием зазора между проводом и землей увеличивается индуктивность за счет увеличения токового контура ЛП. Помеха обусловливается действием магнитного поля контуров связи соседних проводов, а также активных компонентов, создающих магнитные поля. Уменьшение паразитной связи возможно сокращением площади контура путем укладки провода непосредственно по поверхности земли. Обратный провод двухпроводной ЛП в низкочастотных схемах должен заземляться в одной точке на входе или выходе линии связи во избежание появления контуров токов заземления и, как следствие, помехи из-за возможной разности потенциалов между точками заземления.

       Электрические параметры объемного  монтажа. Аналитические зависимости для оценки электрических параметров некоторых вариантов объемного монтажа представлены в таблице. В практике конструирования трудно получить волновое сопротивление ЛП ниже 30 и выше 600 Ом. В зависимости от конкретного типа провода и шага свивания волновое сопротивление свитой пары составляет 110-130 Ом. При конструировании, например, цифровой аппаратуры, стремятся разрабатывать и использовать ЛП с большим волновым сопротивлением и малой шунтирующей емкостью.

      Разводка  ЛП осуществляется последовательно и параллельно. Сравнение типов разводок проводится по суммарной длине соединений, быстродействию, надежности соединений, развязки.

      

Рис. 9.2.1.

      Последовательная разводка обеспечивает минимальные длины связей, легкость в проектировании и монтаже. Недостатком является наличие цепей, по которым текут суммарные токи приемников П, вызывающие значительные падения напряжения на проводниках и, как следствие, гальванические помехи. 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 монтажа увеличится. Наличие параллельных цепей связи ведет к перекрестным помехам. Но, с другой стороны, параллельная разводка позволяет увеличить быстродействие систем.

      Волоконно-оптические ЛП. Использование многожильных волоконно-оптических кабелей позволяет значительно уменьшить объем и массу электрических соединений и исключить влияние перекрестных помех. Основу волоконно-оптической ЛП составляет оптический кабель - световод, состоящий из проводящей среды (сердцевины) и оболочки, с разными показателями коэффициентов преломления. Передача светового сигнала происходит из-за преломления и многократного полного отражения энергии сигнала на границе серцевины и оболочки при переходе из среды с одним коэффициентом преломления в среду с другим коэффициентом преломления.

      В волоконно-оптической ЛП (рис. 9.2.2) оптическая энергия от светодиода 1 за счет полного внутреннего отражения передается по сердцевине 2, воспринимается  фотодиодом 4, ослабляясь на величину В = 20 lg(Р_вх/Р_вых)/l, где Р_вх и Р_вых - мощность оптического сигнала на входе и выходе световода, l - длина световода.

      

Рис. 9.2.2.

      Пропускная  способность ЛП характеризуется ослаблением сигнала, которое обычно не превышает 5 дБ/км. Ослабление увеличивается при наличии неоднородностей и искривлений световода и достигает максимума, если радиус изгиба становится равным 1/2 длины волны передаваемого сигнала. Однако для большинства материалов световодов ограничением на минимальный радиус изгиба (обычно около 50 мм) является не чрезмерное ослабление сигнала, а растрескивание материала световода. 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 частей и сращиванием под давлением, соединительными металлическими или пластмассовыми втулками, надеваемыми на концевые части сращиваемых отрезков.

      Оптический  кабель состоит из скрученных световодов в общей защитной оболочке. По конструктивному исполнению многожильные волоконно-оптические кабели разнообразны и отличаются числом и формой укладки световодов, способом объединения в единую конструкцию, защитой от внешних воздействий. Каждый световод покрывается одно- или двухслойной защитной оболочкой. Внешняя защитная оболочка объединяет световоды в единую жесткую конструкцию, обеспечивая защиту от внешних воздействий. Центральная металлическая жила придает оптическому кабелю дополнительную жесткость.

9.3. линии электропитания [2]

      Виды  линий. Электроэнергия от источника к потребителям подводится двумя проводами - потенциальным и нулевым. Сложная аппаратура требует нескольких источников вторичного электропитания (ИВЭП). Потенциальные провода всех ИВЭП называются линиями электропитания и выполняются в виде индивидуальных проводов, нулевые провода в большинстве случаев объединяют и выполняют в виде одного мощного провода или металлического листа.

      Выделяют  параллельные, последовательные, а также точечные и параллельно-последовательные линии электропитания. Сравнение и выбор схем проводится по падению напряжения, нагрузочной способности по току, легкости проведения электромонтажных работ и некоторым другим факторам. В сложной РЭА из-за ограничений на конструкцию одновременно можно использовать несколько вариантов разводки электропитания, если подобный подход позволит улучшить электрические параметры, упростить монтаж, повысить ремонтопригодность.

      Электропитание  по схемам параллельной и последовательной разводки подводится гибкими одно- и многожильными проводами, подсоединяемыми к выводам питания потребителей электроэнергии (ПЭ). Преимуществом этих схем разводки является простота конструкции, легкость в проектировании и монтаже, необходимость в двух коммутационных выводах ПЭ для каждого питающего компонента (подводящего и отводящего).

      Точечную  разводку осуществляют жестким проводом и системой гибких проводов, с одного конца подпаиваемых к жесткому проводу, а с другого — к ПЭ. Параллельно-последовательную разводку рекомендуется применять при регулярном расположении ПЭ. Как и при точечной разводке, суммарные токи протекают по мощной линии электропитания с большой площадью поперечного сечения. Линии электропитания и нулевого потенциала выполняют в виде единой конструкции, состоящей из двух медных проводников или проводов круглого сечения, защищенных от короткого замыкания изолирующими пластинами или воздушным промежутком.

      

Рис. 9.3.1.

      Падение напряжения на линиях. Рассчитаем падение напряжения на линии электропитания. Для этого введем следующие допущения. Полагая токи ПЭ независящими от изменения напряжения электропитания, представим ПЭ приемником тока, что правомерно для аппаратуры, разрабатываемой на микросхемах, имеющими допуск по питающему напряжению в 5-10 %. Расчет проведем как для последовательной разводки. Для упрощения будем считать, что токи приемников электропитания I_пэ равны, а также равны и сопротивления DZ участков линии, между которыми подсоединяются ПЭ. Без учета падения напряжения на линии нулевого потенциала, падение напряжения на линии электропитания:

U_лэ = I_пэ DZ (1+2+…+n) = I_пэ DZ n(n+1)/2,

где n - число ПЭ.

      В приведенном выражении произведение nDZ есть сопротивление линии электропитания (ЛЭП). Полагая, что nDZ = Z_nl_лэ, получим

U_лэ = I_пэ Z_nl_лэ (n+1)/2,

где Z_n - сопротивление на единицу длины линии (погонное сопротивление), l_лэ - длина ЛЭП.

      Уменьшая  сопротивление и длину ЛЭП, а  также число подсоединяемых к линии ПЭ, можно снизить U_лэ в любое число раз. Сделать меньшей длину линии можно микроминиатюризацией и соответствующей компоновкой аппаратуры, снижением числа ПЭ - введением в конструкцию нескольких линий, подсоединяемых к одному ИВЭП. Другой путь уменьшения падения напряжения на линии электропитания - уменьшение сопротивлений DZ или Z_n.

      Падение напряжения на ЛЭП при последовательной разводке 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 энергией. Требуемая емкость развязывающего конденсатора вычисляется по формуле С_р ≥ k t_ф²/L, где k - кратность уменьшения падения напряжения на линиях электропитания и нулевого потенциала, t_ф - наименьшая длительность фронта импульсного сигнала, L - суммарная индуктивность линий электропитания и нулевого потенциала. При расчете конденсатора определяют падение напряжения на линии электропитания и для обеспечения работоспособности ПЭ принимают решение об уменьшении этого напряжения в k раз. Для улучшения режима работы аппаратуры развязывающие конденсаторы с выводами минимальной длины устанавливаются у каждого ПЭ.