Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Глава 4.4.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ В БЛОКАХ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Конструкция сигнальных линий передач

Монтажные провода. Материалом токопроводящих жил проводов являются медь и ее сплавы. С уменьшением габаритов аппаратуры, длин и диаметров монтажных проводов, а также ужесточением требований механических воздействий все большее применение стали находить медные сплавы, обладающие более высокой прочностью на разрыв и гибкостью при небольшом ухудшении проводимости.

Монтажные провода бывают одно- и многожильными. Высокая гибкость, долговеч­ность и надежность провода в условиях воздействий ударов и вибраций 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 площадью поперечного сечения токопроводящих жил, равной площади поперечного сечения одиночного провода, имеет несколько большие диаметр и стоимость, которые возрастают с увеличением числа жил. Повышение меха­нической прочности многожильных проводов достигается введением в конструкцию провода центральной упрочняющей стальной жилки.

Защиту от электрического замыкания провода на корпус изделия или на сосед­ний провод осуществляют нанесением на токопроводящую жилу изоляционного по­крытия. Материал и конструкция изоляции должны обеспечивать высокие значения электрических параметров (диэлектрическую прочность, сопротивление изоляции, диэлектрическую постоянную) в процессе и после приложения внешних воздействий, а также после длительного хранения. В настоящее время существует большое разно­образие различных типов изоляционных покрытий.

Провод выбирают, исходя из требуемых условий эксплуатации, нагрузки по току, допустимого падения напряжения, утечки тока, диэлектрической прочности. Одно­жильные провода рекомендуется использовать в стационарной аппаратуре, не подвер­женной воздействиям ударов и вибраций. Увеличение числа жил провода повышает его стойкость к многократным перегибам в условиях воздействия вибраций. Много­жильные провода применяют в бортовой аппаратуре.

Можно рекомендовать следующий размерный ряд сечений токопроводящих 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 допустимого перегрева про­вода. Плотности тока для различных диаметров проводов при длительных допустимых токовых нагрузках, приводящих к перегреву провода на 20 °С относительно окружаю­щей среды, приведены в таблице 4.4.1.

 

Таблица 4.4.1

Допустимые токи нагрузки медных проводов

Электрический параметр

Диаметр, мм

0,25 0,35 0,5 0,7 0,9 1,1 1,4 1,6 1,8 2,5 Плотность тока, А/ мм² 14 13 12 10 10 10 9 9 8 8 Ток, А 0,7 1,3 2,5 4 7 10 14 17 20 30

     

Из данных этой таблицы следует, что для проводов малых диаметров имеют место большие плотности токов за счет более активного теплообмена с окружающей средой. Ниже в таблице 4.4.2 приведены марки широко используемых монтажных проводов.

 

Таблица 4.4.2

Марки монтажных проводов

Провод монтажный	Марка	Температура, °С	Область применения
С волокнистой и по- лихлорвиниловой изо­ляцией	МШВ, МГШВ, МГШВЭ	-60/+70	Фиксированный внутри- и межприборный монтаж устройств для полевых условий
С полихлорвиниловой изоляцией	МГВ, МГВЭ, МГВЛ, ПМВ, ПМОВ, ПМВГ	-60/+70	Фиксированный монтаж слабо­токовой аппаратуры
С лавсановой изоляци­ей, теплостойкий	МГТЛ, МГТЛЭ	-60/+150	Фиксированный и гибкий вну- триприборный монтаж
Малых сечений	МГТФ, МГСТФ, МГТФЭ	-60/+70	Монтаж слаботоковой аппара­туры
С полиэтиленовой изо­ляцией повышенной теплостойкости	ПМП, ПМПЭ, ПМПЛ	-60/+220	Внутри- и межприборный мон­таж

 

     

 

 

Витая пара. Витую пару получают переплетением между собой с определенным шагом двух изолированных проводов.

 

Рис. 4.4.6. Витая пара

 

Особенности витой пары. Система векторов электрического и магнитного полей не плоскопараллельна, проводники находятся под некоторым углом а к нормали плоско­сти сечения. В сечении проводов витой пары видим эллипс, а не окружность. Из этого следует, что силовые линии электрического поля, которые перпендикулярны поверх­ности проводника, не лежат строго в плоскости сечения.

Витая пара отличается минимальной восприимчивостью к внешним магнитным полям. Это объясняется следующим. При воздействии внешнего магнитного поля на витую пару в каждом витке индуцируется ток, значение которого пропорционально площади витка. Поскольку площади витков практически одинаковы, то и наведенный ток в витках одинаков по амплитуде и по направлению. За счет изменения направле­ния проводов от витка к витку при свивке наведенные токи в паре витков компенси­руют друг друга. Таким образом, при четном количестве витков суммарный наведен­ный ток будет равен нулю, а при нечетном — равен наведенному току в одном витке.

Для 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 различных шагов сви­вания коэффициенты ослабления помех составляют следующие значения:

• шаг свивания, мм……………………………100, 75, 50, 25.

• коэффициент ослабления, дБ……………….23, 37, 41, 43.

Индуктивность витой пары ниже, чем индуктивность несимметричной двухпрово­дной ЛП. Волновое сопротивление витой пары вычисляется по формуле:

,

где , — относительные диэлектрические проницаемости воздуха и изоляции про­водов;

и  — диаметры провода с изоляцией и без изоляции.

Витая пара обеспечивает хорошую защиту передаваемых сигналов от влияния элек­тромагнитных помех до частоты 100 кГц и удовлетворительную до частоты 10 МГц, гарантируя при этом постоянство волнового сопротивления.

Коаксиальный кабель. Улучшение помехозащищенности ЛП в высокочастотной аппаратуре обеспечивается применением коаксиальных кабелей. Коаксиальный ка­бель является двухпроводной ЛП, состоящей из внешнего трубчатого проводника (оплетки), внутри которого соосно размещается провод, разделенный диэлектрической средой от оплетки (рис. 4.4.7).

 

Рис. 4.4.7. Коаксиальный кабель

 

Промышленность выпускает коаксиальные кабели с волновым сопротивлением от 50 до 3 200 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. Например, марка кабеля РК-50-4-11 означает, что это радиочастотный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром 4 мм, обычной нагревостойкости 1, с порядковым номером разработки 1.

Коаксиальный кабель используют для передачи разнообразных сигналов в широ­ком частотном диапазоне. Постоянство электрических параметров, высокая защищен­ность от электрических и электромагнитных полей обусловливают широкое использо­вание коаксиальных кабелей.

При межприборной коммутации низкочастотной аппаратуры оплетка коаксиаль­ного кабеля для предотвращения появления контуров заземления заземляется на одном конце через выводы электрического соединителя. Оплетка кабеля высокоча­стотной аппаратуры соединяется с линией нулевого потенциала в нескольких точках через интервал 0,25λ, где λ — длина волны передаваемого сигнала на самой высокой частоте. При протекании значительных токов по линии нулевого потенциала много­точечное заземление кабеля теряет свою эффективность. В таблице 4.4.3 приведены основные марки коаксиальных кабелей.

 

Таблица 4.4.3

Виды разводок линий связи

Тип разводки	Функциональная схема	Эквивалентная схема	Время выдержки
Последовательная			Около
Параллельная			Около

 

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. Начнем с краткой исторической справки. Первые линии связи на основе оптических волокон появились в 1970 г. Затухание сигнала тех линий составляло порядка 20 дБ/км. В настоящее время затухание оптоволоконных линий со­ставляет порядка 1 дБ/км. В том же году появился вопрос о создании элементной базы для волоконно-оптических линий. Необходимо было заняться разработкой скоростных фотоприемников и излучателей. В 1980 г. появились первые кварцевые волокна. Диа­метр их был 5 мкм. В 1981 г. впервые была сделана сорокакилометровая линия со скоро­стью передачи 2 Гбит/с. Вероятность ошибки этой линии составляла 10^-9.

Какие же преимущества имеют волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) перед медными проводами?

• 1 кг функционального стекла заменяет 2 т меди при построении аналогичной ли­нии связи;

• скорость передачи данных в оптическом диапазоне сейчас достигает 100 Гбит/с;

• в ВОЛС отсутствует электромагнитное излучение, нет утечек — стало быть растет информационная безопасность;

• между ретрансляторами ВОЛС может быть очень большое расстояние — умень­шается число ретрансляторов;

• стоимость кабеля сравнительно низкая (единицы долларов за метр);

• срок службы элементов волоконной связи превышает 100 000 часов.

Классификация волоконно-оптических линий связи:

• магистральные ВОЛС — протяженностью сотни и тысячи километров;

• внутригородские ВОЛС — десятки километров — между АТС, серверами, кабели телевидения;

• внутриобъектовые ВОЛС — сотни метров — это распределительные сети, линии связи внутри зданий, самолетов, пароходов и т. д.

Назначение и состав ВОЛС

Оптоволоконный кабель содержит от одного и до сотен световодов. Световод — это направляющая система, состоящая из оптического волокна и покрытия. Оптово­локно — стеклянное волокно диаметром от 3 до 150 мкм. Поскольку диаметр волокна больше длины волны, в световоде распространяются поперечные электромагнитные колебания.

Основные физические свойства оптических волокон:

• высокая чувствительность к механическим воздействиям.

• малый коэффициент температурного расширения а  град^-1.

• высокий модуль упругости (модуль Юнга) Е = 60...80 ГПа.

• малый предел упругого растяжения % .

Линии электропитания

Виды линий. Электроэнергия от источника к потребителям подводится двумя про­водами — потенциальным й 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 [9].

Рис. 4.4.9. Конструкция световодов

 

    Выделяют параллельные, последовательные, а также точечные и параллельно­последовательные линии электропитания. Сравнение и выбор схем проводится по па­дению напряжения, нагрузочной способности по току, легкости проведения электро­монтажных работ и некоторым другим факторам. В сложном ЭС 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. Параллельно­последовательную 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.

Падение напряжения на линиях. Рассчитаем падение напряжения на линии элек­тропитания (рис. 4.4.10) [9].

Рис. 4.4.10. Подключение энергопотребителей к источнику вторичного

электропитания

 

Полагая токи ПЭ независящими от изменения напряжения электропитания, пред­ставим ПЭ приемником тока, что правомерно для аппаратуры, разрабатываемой на микросхемах, имеющих допуск по питающему напряжению в 5-10 %. Расчет прове­дем как для последовательной разводки. Для упрощения будем считать, что токи при­емников электропитания /пэ равны, а также равны и сопротивления А2 участков ли­нии, между которыми подсоединяются ПЭ. Без учета падения напряжения на линии нулевого потенциала падение напряжения на линии электропитания

,

где n — число ПЭ.

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

,

где  — сопротивление на единицу длины линии (погонное сопротивление);

— длина ЛЭП.

Уменьшая сопротивление и длину ЛЭП, а также число подсоединяемых к линии ПЭ, можно снизить  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  или .

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 конденсатору 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

,

где  — 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 обеспечения работоспособности ПЭ принимают решение об уменьшении этого напряжения в к раз. Для улучшения режима работы аппаратуры развязываю­щие конденсаторы с выводами минимальной длины устанавливаются у каждого ПЭ.

Полное сопротивление ЛЭП складывается из активной и реактивной составляю­щих, однако уже на частоте 100 кГц активным сопротивлением можно пренебречь и рассматривать только индуктивную составляющую. Уменьшения индуктивности ЛЭП можно достигнуть увеличением размеров ее поперечного сечения. Однако подобный подход не всегда результативен. Например, медный провод длиной 200 мм и диаме­тром 0,1 и 0,2 мм обладает соответственно индуктивностью 330 и 210 нГн, и при уве­личении расхода меди в 4 раза индуктивность уменьшилась только в 1,5 раза.

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

 

Глава 4.4.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ В БЛОКАХ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ