Практическое применение конструкторско-технологических решений обеспечения ЭМС и эму в электронном приборостроении

УДК 681.3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС И ЭМУ В ЭЛЕКТРОННОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ

М.А. Ромащенко

В статье рассматриваются основные группы конструкторско-технологических мер применяемых с целью решения задач обеспечения ЭМС и ЭМУ при изготовлении электронных средств и приборов. Представлены типовые решения задач компоновки функциональных блоков в изделии и их коммутации. Приведены примеры рационального конструирования корпуса изделия

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, электромагнитная устойчивость, конструирование,

технология

Целью применения конструкторско-

технологических решений обеспечения ЭМС и ЭМУ состоит в снижении уровней создаваемых помех источниками, восприимчивости рецепторов помех и повышении затухания электромагнитных полей на путях распространения от источника к рецептору. В отличие от системо- и схемотехнических мер. они не затрагивают ни принцип действия устройств, ни их принципиальных схем, ни, соответственно, функциональных параметров. С позиций

использования радиочастотного ресурса

конструкторско-технологическими мерами

обеспечивается сокращение протяженности занимаемых областей с целью обеспечения соответствия параметров, отвечающих конкретным требованиям на ЭМС, нормативным требованиям, либо обеспечения значений, определенным на этапе проектирования.

Используемые в практике обеспечения ЭМС конструкторско-технологические меры представлены двумя группами. В первую из них входят различные приемы, относящиеся к изготовлению технических средств, в том числе к их конструкции и технологии производства. Состав этой группы весьма широк:

- электрические контакты;

- уплотнительные элементы;

- низкочастотные и радиочастотные соединители;

- корпуса электромагнитных экранов и устройств с экранирующими свойствами, в том числе способы соединения их элементов;

- устройства заземления;

- способы монтажа, выполнение монтажных соединений (и электрических соединений в пределах платы), используемых проводящих и изолирующих материалов, покрытий и т.д.

Реализация на практике приемов этой группы составляет предмет профессиональной деятельности инженеров-конструкторов и инженеров-технологов, осуществляющих конструирование и

технологическую подготовку к производству изделий с учетом требований ЭМС и ЭМУ [1]. '

Ко второй группе относятся специальные конструкторские приемы, обеспечивающие ЭМС и

Ромащенко Михаил Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-06, e-mail: muratovav@kipr.vorsu.ru

ЭМУ на соответствующем уровне. К числу этих приемов относятся:

- экранирование элементов и блоков ЭС и приборов;

- экранирование проводников:

- заземление;

- группирование проводников в межблочных соединениях;

- зонирование элементов и компоновка их на плате, в устройстве и т.д.

Использование указанных приемов также относится к области профессиональной деятельности инженеров-конструкторов.

В зависимости от конкретных условии работы электронного прибора, вида и уровня радиопомех применяются те или иные методы подавления и локализации. Для достижения максимального эффекта могут быть использованы также и комплексные методы подавления и локализации помех.

Под комплексным методом подавления помех принято понимать экранирование всего объема, в котором располагается изделие и другие источники помех, с целью уменьшения возможности их дальнейшего распространения. Такие экраны служат также и защитой от проникновения помех извне. В приборостроении с этой целью в качестве экрана используют цельнометаллические или металлизированные кожухи. При разработке ЭС, в отдельных случаях имеет смысл использовать целиком экранированные комнаты и большие помещения цехов, телестудии, измерительные камеры и т. д.

При экранировании всего помещения может отпасть надобность в экранировании отдельных блоков и узлов РЭС с точки зрения защиты от внешних помех. Как правило, имеющееся индивидуальное экранирование отдельных блоков и узлов РЭС сохраняют с целью исключения взаимного влияния помех между ними.

Конечной целью мероприятий связанных с разработкой конструкции является:

- обеспечение собственной помехоустойчивости прибора;

- в сочетании с другими техническими мероприятиями гарантировать защиту от электромагнитных полей и от разрядов статического электричества;

- ослабить излучение прибором, например под влиянием тактовых сигналов или коммутационных сетевых элементов, электромагнитных полей помех, в окружающее пространство или снизить его до допустимого уровня.

К основным конструкторско-технологическим требованиям обеспечения ЭМС систем электропитания приборов следует отнести следующие:

- нельзя прокладывать входные и выходные провода рядом друг с другом. Необходимо использовать для подводки двухпроводные экранированные кабели, оплетки с одной стороны присоединять к защитным заземлениям;

- необходимо соблюдать как можно большее расстояние между проводами питания и сигнальными проводами, а если параллельная прокладка из конструктивных соображений неизбежна, экранировать провода питания, как указано ранее;

- необходимо использовать по возможности короткие и низкоомные провода питания электронных устройств с малым волновым сопротивлением. Это достигается путем выполнения проводов в виде плоских лент, близко расположенных друг от друга, с изоляционной прокладкой между ними, обладающей высокой диэлектрической проницаемостью;

- рекомендуется применять быстродействующие средства стабилизации напряжения для каждой печатной платы, группы плат или для отдельной схемы, такие, как микропроцессорные регуляторы напряжения, фильтрующие конденсаторы (10-100 мкФ), малоиндуктивные керамические защитные конденсаторы (0,01-1 мкФ), устанавливаемые в каждом контуре, керамические многослойные помехоподавляющие конденсаторы (0,01-0,1 мкФ), встроенные в коммутационные цепи, и диоды, защищающие от перенапряжений в каждой плате;

- раздельное питание аналоговых и цифровых функциональных единиц, в крайнем случае -использование гальванически разделенных вторичных обмоток питающего трансформатора.

Система опорного потенциала, соединение с корпусом, заземление. Каждая система опорного потенциала, связывающая в аналоговых и цифровых устройствах сигнальные и питающие цепи, таит в себе опасность гальванических влияний. Для ее устранения необходимо, соблюдать следующие условия:

- проводники системы опорного потенциала выполнять предельно низкоомными и малоиндуктивными;

- использовать раздельные системы опорного потенциала для аналоговой, цифровой и силовой частей электронного устройства;

- каждую систему опорного потенциала следует изолировать одну от другой и от проводящего контура и его элементов;

- физическую структуру системы выбирать в соответствии с рабочими частотами. Например, при частотах менее 10 кГц (аналоговая часть, система питания) ее следует выполнять в виде звезды, а при

частотах более 100 кГц (цифровая часть) в виде закольцованной структуры.

Корпус устройства ЭС по условиям безопасности должен быть соединен с нулевым проводом или заземлен. С точки зрения защиты от помех представляет интерес вопрос, где и как присоединить вывод системы опорного потенциала внутри устройства к корпусу, а также как осуществить заземление корпуса.

Неблагоприятным может быть соединение с корпусом и заземление системы опорного потенциала, если периферийные элементы связаны с центральными функциональными устройствами длинными проводниками и эти провода образуют гальванически или через емкость замкнутые заземленные контуры. При этом могут возникать противофазные напряжения помех,

накладывающиеся на напряжения полезных сигналов. Заземление системы опорного потенциала на приемной стороне приводит к появлению токов помех и поэтому неблагоприятно. Для избежания этого необходимо воспользоваться рядом мер по уменьшению токов помех при заземлении системы опорного потенциала.

Проводящее соединение системы опорного потенциала с корпусом предпочтительно при больших значениях емкостей С1, и С2 между электронными деталями схемы и корпусом, в котором они находятся (рис. 1), так как при этом создаются очень малые напряжения помех при обработке сигналов.

Рис. 1. Токи помех Ist при изолированном проводе системы опорного потенциала В. С1, С2 -паразитные емкости; N - блок питания; R - входное сопротивление элемента, чувствительного к помехам; V - малоиндуктивное сопротивление провода системы опорного потенциала с проводящим корпусом.

Это имеет место, если внутри корпуса плотно располагается электронное оборудование, такое, как вычислительные микросистемы. В этом случае могут влиять удаленные источники помех из-за емкостных связей через источник питания, а также источники помех внутри корпуса через емкостные связи относительно стенок (рис. 2), создавая токи помех Ist. Эти токи можно отвести от опасных участков схемы

путем малоиндуктивного соединения V провода системы опорного потенциала с корпусом или заземлением, образуя параллельный контур для тока Ist.

Рис. 2. Токи помех Ist при изолированном проводе системы опорного потенциала В.

Как правило, имеющиеся в приборе системы опорных потенциалов различных функциональных групп объединяются в центральной точке, которая и соединяется с корпусом или системой защитного заземления (рис. 3).

G

Рис. 3. Выравнивание потенциалов внутри прибора. А - аналоговая часть, Б - цифровая часть, в - корпус прибора, Ь - силовая часть, РЕ - защитное заземление, Ъ - центральная точка соединений системы опорного потенциала.

Рассмотрим мероприятия, касающиеся выполнения корпуса, его стенок и отверстий в них, применяемых материалов, внутренней компоновки приборов и шкафов, т. е. пространственного расположения отдельных блоков (входных и выходных ступеней, устройств обработки и запоминания, сетевых элементов), соединений проводами отдельных блоков, а также подводов входных и выходных сигналов, электропитания. В частности, рекомендуется выполнять следующие указания:

- принципиально следует стремиться создать внутри корпуса по крайней мере две зоны (рис. 4); одну с невозмущенным пространством С, хорошо заэкранированную поглощающим высокочастотные

колебания металлическим экраном, в которой размещаются быстродействующая логика, память и другие особенно чувствительные к помехам блоки, и вторую, полуспокойную зону В, в которой располагаются устройства коммутации, сетевые и другие вспомогательные элементы. В зоне с невозмущенным пространством не должны находиться сигнальные провода и провода управления, связанные с оборудованием внешней зоны А. Необходимые связи должны обеспечиваться при помощи световодов.

Рис. 4. Различные зоны электромагнитной обстановки. А - внешнее пространство, В -полуспокойная зона, С - спокойная зона

На рис. 5 приведен пример связи сигнальных цепей и обрабатывающих сигналы электронных устройств (использование разделения потенциалов, фильтров, конденсаторных вводов, экранов) при жестких требованиях помехоустойчивости, с одной стороны, и тяжелой электромагнитной обстановке, с другой, что имеет место, например, в распределительных устройствах высокого напряжения [2];

- конструктивно схема устройства должна выполняться так, чтобы объем обмениваемых между блоками сигналов был как можно меньшим;

- должно быть логически последовательное пространственное разделение электронных информационных, электромеханических и силовых средств, а также аналоговых и цифровых функциональных элементов (раздельные корпусы, вставные блоки или предназначенные для разделения ферромагнитные экранирующие пластины);

- необходимо четкое пространственное разделение проводов со слабыми сигналами и проводов питания с мощными сигналами, в которых по условиям эксплуатации могут быть большие du/dt или di/dt. Если же это по каким-то причинам невозможно, то упомянутые провода следует прокладывать внутри ферромагнитных труб, шлангов или металлических кабельных каналов, соединенных с корпусом или нулевым проводом;

- не располагать параллельно входные и выходные провода сетевых блоков, фильтров и разделительных элементов;

- системы опорных потенциалов сигнальных контуров различных блоков, находящихся внутри прибора, необходимо изолировать друг от друга и соединять звездой с корпусом и защитной системой в одной центральной точке (см. рис. 3).

N

4. /3

W

14

Рис. 7. Пример рационального выполнения

устройства, обрабатывающего информацию, от помех приходящих по сигнальным линиям в тяжелых электромагнитных условиях. 1 - электронное

устройство, 2 - приходные конденсаторы, 3 -устройство разделения потенциалов, 4 - внутренний экран, 5 - экранированные сигнальные линии

Достаточную защиту как от проникновения сторонних полей, так и от излучения приборами высокочастотных помех, обеспечивают

металлические и пластмассовые корпусы, выполненные с учетом требований по электромагнитной совместимости. На рис. 6 приведен пример

нерационального, а на рис. 7 рационального

изготовления элементов корпуса. [3]

Рис. 6. Пример нерационального выполнения фрагментов корпуса

Воронежский государственный технический университет

фрагментов корпуса

На этих рисунках цифрами обозначены следующие элементы: 1 - неплотные соединения стенок, 2 - большие отверстия, 3 - щели,

действующие как антенны, 4 - плохие контакты дверок, 5 - кабели с внешними экранами введенные внутрь корпуса, 6 - неэкранированные линии

подведенные внутри к фильтрам, 7 - достаточное перекрытие в местах соединений стенок, 8 - большие отверстия закрытые металлическими сетками, 9 -уплотнение крышек дверок проводящими эластомерами или пружинными контактами, 10 -малоиндуктивное соединение внешних экранов кабелей с корпусом, 11 - фильтры смонтированные непосредственно на стенке корпуса

Литература

1. Шваб И Адольф Электромагнитная совместимость. М.: Энергоатомиздат, 1998. 468 с.

2. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике: Пер. с нем. / И.П. Кужекин; Под ред. Б. К. Максимова. М.: Энергоатомиздат, 1995. 304 с.

3. Кравченко В.И., Болотов Е.А., Летунова Н.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М.: Радио и связь, 1987. 256 с.

THE PRACTICAL APPLICATION OF DESIGNING AND TECHNOLOGICAL DECISIONS OF MAINTENANCE EMC

AND EMS IN ELECTRONIC INSTRUMENT MAKING

M.A. Romashchenko

In article the basic groups of designing and technological measures of problems of maintenance applied for the purpose of the decisions EMC and EMS are considered at manufacturing of electronic means and devices. Typical decisions of problems of configuration of functional blocks in a product and their switching are presented. Examples of rational designing of the case of a product are resulted

Key words: electromagnetic compatibility, electromagnetic stability, designing, technological