Газизов - ЭСиУРС. Т. Р. Газизов Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронной аппаратуры Рекомендовано умо по образованию в области сервиса и туризма в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведени
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
1.6. Заземление Сложность проектирования системы заземления заключается в том, что надо найти компромисс между множеством противоречащих друг другу требований. Так, система заземления должна сохранять минимальный потенциал, являющийся уровнем отсчёта в аппаратуре (в типичном случае ±100 мВ для аналоговых схем и ±200 мВ – для цифровых обеспечивать цепи возврата различных токов в аппаратуре минимизировать нежелательные паразитные связи образовывать опорные плоскости для антенн, препятствовать появлению вблизи антенн высокочастотных потенциалов защищать людей и оборудование от грозовых разрядов и неисправностей источников питания снимать статические заряды. Отт определяет заземление как обладающую низким импедансом цепь возврата тока. Отсюда следует, что протекание любого тока в системе заземления приведет к разности потенциалов. Для удовлетворительной работы оборудования необходимо, чтобы эта разность потенциалов была невелика по сравнению с амплитудой сигналов. Очевидно, что выполнение этого условия будет легче, если длина заземляющих проводников будет как можно короче. При этом важно помнить, что импеданс существенно зависит от частоты протекающих токов, и что эти токи могут быть вызваны самыми разными причинами. Поэтому при проектировании системы заземления следует – держать импеданс заземления на как можно более низком уровне – контролировать токи, протекающие между различными источниками и нагрузками, особенно через общие участки системы заземления – не создавать замкнутых контуров заземления, чувствительных к магнитному полю. 1.6.1. Связь через общий импеданс земли Схема переноса помех из цепи источника в цепь рецептора за счёт общего импеданса земли показана на рис. 1.32. Как видно, импеданс общ оказывается включенными в цепь источника, ив цепь рецептора. Поэтому падение напряжения на нм, создаваемое источником, прикладывается к цепи рецептора. Согласно схеме уровень помех на нагрузке рецептора НР Р НР НИ И общ Z Z Z Z Z Z И П e U + + ≈ ∼ e И Z И Z НИ ∼ e Р Z Р Z НР U Р Z общ Рис. 1.32. Схема переноса помех из цепи источника (Ив цепь рецептора (Р) за счёт общего импеданса земли А вот как рассматривает аналогичный пример Пауль. В традиционном понятии земля – это эквипотенциальная поверхность с нулевым импедансом, и часто она рассматривается сточки зрения её работы только по постоянному току. Ни один из этих аспектов неприменим к термину земля применительно к ЭМС. Все проводники имеют конкретное значение импеданса поэтому, любые токи, протекающие через эту землю, приведут к разности потенциалов между различными точками на е поверхности из-за падения напряжения на этом импедансе Например, рассмотрим рис. 1.33, который показывает две подсистемы, таких как печатные платы, которые присоединены к земле (металлической поверхности, проводу, либо дорожке печатной платы. Эти подсистемы могут быть аналоговыми, цифровыми и комбинированными. В цифровых подсистемах ток источника напряжения +5 В возвращается к источнику источник постоянного тока) через эту землю и этот ток постоянно меняется, когда логические устройства переключаются. В аналоговых подсистемах этот ток может состоять из узкополосных сигналов низкой или высокой частоты, а также из широкополосных сигналов, которые создают искрящиеся щетки электродвигателя постоянного тока. Аналоговые сигналы также возвращаются к своему источнику по цепи возврата. Они часто имеют свои, выделенные пути возврата или земли, которые отличаются от путей возврата цифровых сигналов, хотя это не всегда так. Все- таки, в целях иллюстрации, допустим, что земля или путь возврата подсистемы подсоединены к земле подсистемы 1, как показано, и обе подсистемы, следовательно, совместно используют один и тот же путь возврата. Обратный ток I 2 подсистемы 2 объединяется с обратным током подсистемы 1, и оба проходят через общий импеданс земли Z G1 , создавая падение напряжения на этой части пути возврата. Отметим, что в содержатся изменения сигнала подсистемы 2, и поэтому они отражены впадении напряжения Z G2 I 2 . Таким образом, напряжение точки заземления подсистемы 1 изменяется пропорционально сигналам в подсистеме 2. Поэтому сигналы в подсистеме 2 будут влиять на сигналы подсистемы 1 в силу этого ненулевого импеданса земли и совместного использования обоими сигналами общего пути возврата. Аналогично, напряжение точки заземления для подсистемы 2 равно Z G1 I 1 +(Z G1 +Z G2 ) I 2 . Таким образом, точка заземления для подсистемы 2 отражает сигналы подсистемы 1, которые накладываются на неё через Z G1 . Это часто называется связью через общий импеданс и иллюстрирует важность неидеального поведения импеданса земли. 54 Z G1 (I 1 +I 2 ) – + Z G2 I 2 – +Подсистема 2 Подсистема 1 Z G1 I 1 +I 2 I 1 I 2 I 2 Z G2 Источник Рис. 1.33. Иллюстрация связи через общий импеданс 1.6.2. Влияние индуктивности проводника земли Часто ошибочно считают, что импеданс земли – это его сопротивление на постоянном токе или низкой частоте. Однако на частотах ограничений на излучаемые эмиссии 30 МГц ГГц сопротивление проводников, даже с учётом скин-эффекта, незначительно по сравнению с индуктивностью проводника Например, рассмотрим одножильный провод радиусом 0,16 мм, сопротивление которого постоянному току равно 2,1 ⋅10 –3 Ом/см, а сопротивление переменному току частотой 100 МГц равно 25,9 ⋅10 –3 Ом/см. Увеличение радиуса провода до 0,41 мм уменьшит сопротивление лишь ненамного (до 3,3 ⋅10 –4 Ом/см на постоянном токе и до 10,0 ⋅10 –3 Ом/см на 100 МГц. Поэтому толщина провода не уменьшает его сопротивление на высокой частоте значительно. Однако его индуктивность порядка 5,9 нГн/см даёт на частоте 100 МГц импеданс 3,7 Ом/см, что гораздо больше сопротивления по постоянному току. Теперь рассмотрим воздействие этой индуктивности цепи возврата на цифровые сигналы. Рассмотрим типовой двухтактный выход ТТЛ вентиля, показанный на рис. 1.34. Всё, что к нему подключено, в т.ч. все паразитные ёмкости межсоединений, представим сосредоточенной емкостью C LOAD . При высоком уровнена выходе транзистор Q 1 открыта закрыта при низком – наоборот. Вовремя перехода с низкого уровня к высокому заряжается, как показано на рис. 1.34. Когда вентиль выключается, Q 1 закрывается, а Q 2 открывается, так что C LOAD разряжается через Это объясняет, почему время нарастания двухтактных выходов ТТЛ схем обычно больше, чем время спада (рис. 1.34): постоянная времени заряда равна ( R+R LOAD ) C LOAD , а разряда – R LOAD C LOAD , где R LOAD – эквивалентное сопротивление, отражающее входное сопротивление нагрузки и сопротивление межсоединений. (Сюда входят сопротивления насыщения транзисторов, номы не учитываем их здесь, так как они обычно малы. Вовремя перехода от низкого уровня к высокому ток потребляется от источника через индуктивность линии питания +5 В и возвращается через индуктивность линии возврата к источнику. Вовремя перехода от высокого уровня к низкому ток разряда емкости проходит через индуктивность соединения с землей между вентилем и нагрузкой. Эти резкие изменения тока через индуктивности создают падения напряжения на них. При этом процессе возникает и другой, особенно опасный ток. При переходе из одного состояния в другое, в течение короткого времени оба транзистора и Q 2 открыты, в результате чего от источника через оба транзистора и обратно к источнику протекает так называемый сквозной ток. Он ограничен только импедансом через путь Q 1 – Q 2 , и может быть довольно большим (порядка 50 мА) сочень малыми временами нарастания и спада. Рассмотрим напряжение, создаваемое на индуктивности цепи возврата или провода заземления, L GND , между вентилем и его нагрузкой. Ток через индуктивность (он же течёт через C LOAD ), по существу, приблизительно равен I GND =C LOAD d V LOAD /d t, с показанной формой. Поскольку I GND пропорционален скорости изменения V LOAD , то получатся его всплески в момент каждого изменения состояния вентиля. Падение напряжения на индуктивности земляного проводника приблизительно равно V GND = L GND d I GND /d t=C LOAD L GND d 2 V LOAD /d t 2 . Поскольку V GND пропорционально скорости изменения I GND , то получатся его биполярные импульсы в момент каждого изменения состояния вентиля. Пусть ёмкость нагрузки 10 пФ и напряжение изменяется на 3 В за 5 нс. Это приведет к току через землю в 6 мА, который будет иметь нарастание/спад меньше, чем исходное напряжение, пусть 1 нс. Допустим, что полная длина земляного провода см, с типовой величиной 6 нГн/см, тогда его индуктивность около 75 нГн. Это даст падение напряжения на земляном проводнике 0,45 В. Последствия этого могут быть серьёзными. Так, удвоение длины земляного проводника даст падение напряжения близкое к запасу помехоустойчивости ТТЛ. Когда переключаются несколько вентилей, то индуктивность обратных проводников может создать ложное логическое переключение, так как опорные напряжения двух вентилей могут различаться на запас помехоустойчивости. К аналогичному результату может привести просто заземление одного из входов вентиля. Похожие эффекты возникают на проводе источника +5 В. Может быть опасно и излучение если экран кабеля присоединён к точке, кажущейся спокойным заземлением, то этот экран может излучать как очень эффективная антенна. Нагрузка Низкий на высокий – + 2 В V LOAD 0,8 В t I GND V GND – V GND + I GND Сквозной ток Высокий на низкий R LOAD R Q 2 Q 1 I LOAD C LOAD V LOAD +5 В 0 В t t Рис. 1.34. Иллюстрация влияния индуктивности проводника на напряжение на земле 57 1.6.3. Системы заземления Все цепи заземления можно разбить на несколько групп. Они показаны в табл. 1.3. Таблица Обозначения и названия цепей заземления Обозначение Название Цепи Сигнальная земля или схемная земля Цепи возврата сигнальных токов Силовая земля Цепи возврата постоянных токов Корпусная земля Цепи возврата переменных силовых токов и экранирующие корпуса Можно изолировать друг от друга цепи возврата сигнальных токов, цепи возврата постоянных токов питания и цепи возврата переменных токов питания и построить систему заземления из трёх независимых контуров, сходящихся водной точке. Такой подход позволяет оптимизировать каждую заземляющую цепь в отдельности. Например, цепи заземления схем распространения сигналов должны иметь низкий импеданс в диапазоне частот до нескольких мегагерц и выше (в зависимости от спектра сигналов, и по ним, как правило, течёт малый ток. Заземляющая цепь источников питания постоянного тока должна быть рассчитана на низкий импеданс, но значительно более высокий ток. А заземления источников питания посети переменного тока (корпусная земля) должны иметь низкий импеданс вблизи частоты 100 Гц и выдерживать ток в сотни ампер. В очень редких случаях независимые контуры заземления могут не соединяться. Такая схема с плавающим заземлением, применяемая для чрезвычайно чувствительных схем, показана на рис. 1.35. Она требует хорошей изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и низкой ёмкости), а иначе оказывается малоэффективной. В качестве источников питания схем используются солнечные элементы или батареи, а сигналы должны поступать и покидать схему через трансформаторы или оптроны. Иногда точки сигнального и корпусного заземления соединяют высокоомным резистором, по которому стекают статические заряды. Аналоговая схема с низким уровнем сигнала Аналоговая схема с низким уровнем сигнала Плавающая схемная земля Корпусная земля Рис. 1.35. Схема с плавающим заземлением На рис. 1.36 показана схема заземления водной (общей) точке. Каждая отдельная схема и каждый экран имеют свой отвод к общей точке. Каждое основание или каждая стойка соединяются с монтажной панелью с помощью одного проводника. При таком подходе исключается паразитная связь через общий импеданс (рис. 1.32) и уменьшается вероятность образования паразитных контуров. Однако одноточечная система заземления часто оказывается конструктивно очень громоздкой и дорогой, поскольку число проводников и их длины могут быть довольно большими. Заземление водной точке очень эффективно до частот 1 МГц, а если система заземления имеет малый размер (<0,05 λ), то – до 10 МГц. На более высоких частотах, особенно для чувствительных аналоговых схеме применение затруднено, поскольку индуктивности заземляющих проводников значительно увеличивают импеданс земли и увеличиваются индуктивные и ёмкостные связи между этими проводами. Тем не менее, в большинстве военных и космических устройств используются подобные заземления водной точке. Цифровая схема Двигатели и соленоиды Источники питания Аналоговая схема с низким уровнем сигнала Рис. 1.36. Одноточечная система заземления На рис. 1.37 показана модифицированная система заземления в общей точке. Схемы с близким уровнем помех соединены вместе, причём наиболее чувствительные схемы расположены как можно ближе к общей точке. Такой принцип заземления уменьшает общее число необходимых проводов заземления, незначительно повышая паразитную связь через общий импеданс. Когда печатная плата имеет отдельные заземляющие цепи для аналоговых и цифровых узлов, их следует соединить по встреч- но-параллельной схеме (диоды CR1 и CR2 на рис. 1.37) для защиты печатной платы от статического электричества, когда она не установлена в систему. На рис. 1.38 показана многоточечная система заземления. Отдельные схемы и участки корпуса соединены многочисленными короткими (<0,1 λ) перемычками, чтобы свести к минимуму стоячие волны. Подобный метод обычно применяют для высокочастотных схем (более 10 МГц) с близким уровнем помех. Такая заземляющая система требует тщательного контроля, создаёт многочисленные паразитные контуры иене рекомендуется использовать для чувствительных схем. Однако её широко используют, подключая функциональные узлы аппаратуры в точках, ближайших к опорной земле, в качестве которой применяется заземляющая поверхность с малым импедансом металлическое шасси, слой многослойной печатной платы, металлизация пластмассового корпуса и т.д. Аналоговая схема Цифровая схема Цифровая схема Маломощный передатчик Аналоговая схема Маломощный передатчик Маломощный передатчик Мощный передатчик Рис. 1.37. Модифицированная одноточечная система заземления Аналоговая схема с низким уровнем сигнала Цифровая схема Двигатели и соленоиды Источники питания Рис. 1.38. Многоточечная система заземления На рис. 1.39 показаны комбинированные заземляющие системы, представляющие собой сочетания одноточечной, многоточечной и плавающей заземляющих систем. На риса показана схема заземления с общей точкой в сочетании с многоточечным заземлением цифровых логических интегральных схем. На рис. 1.39 б катушка индуктивности ( ≈1 мГн) служит развязкой между высокочастотными схемами и корпусом и одновременно обеспечивает стекание статических зарядов. На рис. 1.39 в конденсаторы, отстоящие друг от друга на расстоянии 0,1 λ вдоль изолированного кабеля, предотвращают появление высокочастотных стоячих волн и низкочастотных паразитных контуров. При использовании двух последних вариантов заземления нужно быть очень внимательным, чтобы исключить резонансные явления в заземляющей системе из-за наличия в ней паразитных ёмкостей и индуктивностей. Передатчик Аналоговая схема с низким уровнем сигнала Цифровая схема Цифровая схема Цифровая схема Цифровая схема а Высокочастотная аналоговая схема Высокочастотная аналоговая схема Высокочастотная аналоговая схема Высокочастотная аналоговая схема б в Рис. 1.39. Комбинированные системы заземления Очень популярно, нов тоже время требует много хлопот заземление в виде гирлянды (рис. 1.40). В нем помехи можно ослабить, если цепи с высоким уровнем помех расположить водной гирлянде (в порядке цепи с незначительным уровнем помех, цепи с более высоким уровнем помех, цепи с максимальным уровнем помех, корпуса чувствительные цепи расположить в другой гирлянде (в порядке чувствительные схемы, более чувствительные схемы, самые чувствительные схемы, корпус. Схема без помех Схема с помехами Источник питания Чувствительная схема Нечувствительная схема Рис. 1.40. Система заземления в виде гирлянды 1.6.4. Паразитные контуры заземления В частном, но очень частом случае большой удалённости нагрузки от источника при заземлении цепи с обоих концов образуется контур заземления. В различных случаях он может приводить к влиянию помех различного рода. Например, когда через него протекают синфазные токи, потенциалы земли источника и земли нагрузки оказываются разными. Этот контур можно разорвать, применив развязывающий трансформатор риса. Трансформаторы обеспечивают удовлетворительную развязку до частот 5–10 МГц. Для более надёжной развязки следует использовать трансформатор с электростатическим экранированием, причём заземлять экрану нагрузки. Если между источником и нагрузкой требуется связь по постоянному току, то можно применить синфазный дроссель, представляющий высокий импеданс для синфазных токов и низкий – для токов полезного сигнала (рис. 1.41 б. Другой способ разрыва контура заземления осуществляется оптроном (рис. 1.41 в. Схемы такого типа почти полностью снимают проблемы из-за разности потенциалов земли, поскольку связь между источником и нагрузкой осуществляется лишь через световой поток. Оптроны особенно подходят и давно используются для цифровых сигналов. В последнее время очень широко используются волоконно-оптические линии связи, и одной из причин этого является и развязка по контуру заземления. L, R L,R L а б в Рис. 1.41. Способы разрыва паразитных контуров в системах заземления трансформатором (а синфазным дросселем (б оптроном (в) |