книги из ГПНТБ / Венгеровский, Л. В. Прецизионные полупроводниковые стабилизаторы

точках, или то, что общий провод отсутствует, а все кас­ кады используют землю как часть цепи.

На практике оказывается очень трудно подавить низкочастотные магнитные поля, в то время как средняя степень экранирования позволяет эффективно подавить электрические поля на всех частотах и высокочастотные магнитные поля. В связи с этим в системах с широким диапазоном частот для -низкочастотных токов исполь­ зуется одноточечное заземление, а для высокочастот­ ных — многоточечное. При одноточечном заземлении и

Рис. 16. Системы с двумя типами заземления: а — одноточечное; б — многоточечное

низких частотах падение напряжения вдоль общих про­ водов наводит электрические поля между этими прово­ дами и землей. Если общие провода заземлены в не­ скольких точках, через землю могут протекать токи, наводя магнитные поля. При одноточечном заземлении значительные токи через землю не протекают, и если провода в цепи перевиты, то никаких значительных, с трудом подавляемых низкочастотных магнитных полей не возникает.

На высоких частотах, так как провода и земля дейст­ вуют как длинная линия, для увеличения резонансной частоты, при которой наводятся большие поля, приме­ няется многоточечное заземление.

Одной из проблем одноточечного заземления является внутренняя связь каскадов без введения заземленных контуров.

40

Рассмотрим, например, рис. 16, учитывая, что источ­ ник И является преобразователем переменного напря­ жения в постоянное.

От общего источника И отходят две ветви: верхняя ветвь содержит каскады высокой чувствительности, а нижняя — каскады управляемой силовой цепи. Штри­ ховые линии обозначают сигнальные провода. Если штриховая линия, соединяющая каскады 1 и 2, является единственным проводом, то этот провод будет частью большого контура и в этом случае возможны помехи. Если сигнал управления посылается в общую линию постоянного тока, а возвратный сигйал идет по свитому с ним проводу, то возвратный провод является частью заземленного контура. Хотя заземленный контур обычно предпочтителен для применения одного провода, это не является оптимальным решением.

Так как через каскады нижней цепи проходят большие токи, то из-за наличия сопротивления провода потен­ циал общего провода изменяется в широком диапазоне. Одинарный провод, связывающий каскады, передает помеху, равную падению напряжения вдоль нижней ветви общего провода, и помеху, наведенную большим контуром в общих проводах. Если использован воз­ вратный сигнальный провод, он может передать помеху на верхнюю ветвь общего провода постоянного тока и образовать большой заземленный контур. В этом случае особенно важно, чтобы во взаимосвязанных каскадах был использован какой-либо из описанных методов ис­ ключения заземленных контуров. Во многих случаях каскад проектируется с таким расчетом, чтобы связать общий провод с землей. Тогда этот каскад и определяет положение одноточечного заземления. Если заземление не выбирается по этому способу, то оно обычно распо­ лагается в точке, в которой минимизируется средняя длина общих проводов от точки заземления.

Можно так подытожить правила по технике заземле­ ния:

1.Применять одноточечное заземление для низко­ частотных цепей.

2.Применять многоточечное заземление для высоко­ частотных цепей.

41

3.Применять разделенные провода для питания си­ ловых и сигнальных цепей.

4.Применять балансированные входные и1(или) выходные сигналы для связей между каскадами.

Экранирование. Задача экранирования — ограничить электрические и магнитные поля так, чтобы исключить их взаимодействие с другими цепями. Экран обычно охватывает весь ПСН£или почти всю цепь или провод. Однако размещение источника поля вблизи проводящей

о)

[Ft?

О"»

Одб (эталон)

’/7У^/УУ/У.у///////лу,/'/

Рис. 17. Сравнительная чувствительность цепей к низ­ кочастотным помехам

поверхности или проводника также в некоторых слу­ чаях позволяет ограничить это поле и является важной формой экранирования, которой не следует пренебре­ гать.

Э к р а н и р о в а н и е п р о в о д о в . На рис. 17 показана сравнительная эффективность различных ме­ тодов исполнения экранировки проводов. Некоторые

2. Преимущества переплетения проводов иллюстри­ руют рис. 17, г и и.

42

3. Схема на рис. 17, е является предпочтительной -■ схемой для высоких частот, а схема на рис. 17, з и д для низких частот и иллюстрирует трудности при стал­

ПСН — лишь одно из средств борьбы с помехами. При конструировании ПСН следует использовать специаль­ ную планировку монтажа, развязку каскадов, фильтра­ цию и (или) переплетение проводов, подходящих к ПСН.

Применение развязки в транзисторных каскадах. Применение общего источника питания для смещения в нескольких транзисторных каскадах или для питания коллекторных цепей каскадов может привести к взаимо­ влиянию между каскадами.

Для уменьшения этих влияний используются обще­ известные методы развязки в транзисторных каскадах.

Рассмотрим в качестве примера методы подавления помех при переключении диодов, характерных для ПСН.

Обнаружено что при переключении кремниевых дио­ дов во многих переключающих схемах появляются по­ мехи. В момент реверса диода в цепи возникает кратко­ временный, большой амплитуды бросок тока. Подобные свойства диодов могут меняться в значительном диапа­ зоне. В связи с этим следует экспериментально подби­ рать диоды с лучшими характеристиками.

При применении селеновых и германиевых диодов уровень помех гораздо меньше, чем при кремниевых.

При использовании кремниевых диодов в выпрями­ телях также наблюдается появление помех. На рис. 18 показан ряд способов подавления помех с мостов на крем­ ниевых диодах.

Средства борьбы с такими помехами сводятся к сле­ дующему:

1. Применение дросселей, подключенных последо­ вательно в провода, идущие от выпрямителя (рис. 18, а

иб).

2.Подключение емкости на выходе или от каждого диода на землю (рис. 18, в и е).

3.Последовательное включение сопротивления в цепь каждого диода (рис. 18, д).

43

4.Применение П-образного фильтра (рис. 18, г).

5.Как правило, следует использовать электроста­ тическую экранировку трансформаторов.

6.Подбор диодов выпрямителей по пику обратного напряжения й тока.

Рис. 18. Цепи подавления помех с мостов на кремниевых диодах:

а и б — L от 100 до 300 мгн для f = 50 гц и L от 250 до 750 мгн

44

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

ВОЗДЕЙСТВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ И СПОСОБЫ ЕГО УМЕНЬШЕНИЯ

7. ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗДЕЙСТВИЙ

Среди воздействий, которые оказывает на ПСН окру­ жающая среда, можно назвать такие: температура, влаж­ ность, давление, механические нагрузки и др. Эти воз­ действия характеризуют обстановку, в которой работает ПСН. К этим же воздействиям можно было бы отнести и воздействия от магнитных и электрических полей, о которых уже было изложено выше. Однако, поскольку основными приемниками помех от магнитных и элек­ трических полей являются провода, воздействия от элек­ тромагнитных полей целесообразно отнести к группе воздействий, действующих по электрическим соедине­ ниям. Аналогичным образом, строго говоря, к воздейст­ виям окружающей, среды следовало бы отнести и такую форму временной нестабильности, как старение элемен­ тов ПСН, так как старение элементов функДионально зависит от изменения времени. С другой стороны, вре­ менную нестабильность элементов ПСН относят к группе собственных внутренних возмущений и рассматривают эти элементы как источники или генераторы самопроиз­ вольных изменений (вариаций) параметров элементов. Наибольшее влияние на работу ПСН оказывает темпе­ ратура окружающей среды, так как характеристики любого радиоэлемента в той или иной степени зависят от температуры. Для одних элементов (полупроводни­ ковые приборы) эта зависимость выражена сильнее, для других, например сопротивлений,— слабее. Поэтому при проектировании ПСН необходимо тщательно исследо­ вать возможные изменения температуры окружающей среды.

Оценим максимальную амплитуду изменения темпе­ ратуры, воздействующей на ПСН, установленный в слож­ ной радиоэлектронной аппаратуре, соответствующей сов­ ременным методам конструирования. При современной плотности компоновки радиоэлектронной аппаратуры, построенной на интегральных схемах, удельная мощ­ ность тепловыделения достигает 10— 12 вт/дм3, что при­

45

водит к существенному разогреву элементов аппаратуры и, следовательно, к повышению температуры внутри аппаратуры. Если в технических требованиях не ого­ ворено время выхода на режим аппаратуры, этот допол­ нительный разогрев приводит к некоторому смещению диапазона рабочих температур, так как дополнительный разогрев действует как на нижнем пределе температур­ ного диапазона, так и на верхнем. Если же время выхода на режим аппаратуры установлено в пределах, не пре­ вышающих 0,2—0,5 ч работы, то амплитуда возможных изменений температуры, т. е. диапазон температур, в ко­ тором аппаратура должна обеспечивать заданные точ­ ности, будет увеличиваться, несмотря на то, что ампли­ туда возможных изменений окружающей среды не из­ менилась. Действительно, пусть амплитуда возможных

она находится в крайней точке температурного диапа­ зона — 60° С, сколько-нибудь заметно прогреться не сможет и, следовательно, нижний предел фактически останется прежним — 60° С.

Верхняя же граница рабочего температурного диа­ пазона повысится, так как за время работы устройства, которое может доходить до десятков и сотен часов, про­ исходит существенный разогрев и температура вблизи ПСН может достигать 80-ь 100° С.

Таким образом, несмотря на то, что амплитуда до­ пустимых изменений температуры окружающей среды не превышает ± 60° С, проектирование и расчет ПСН следует вести с учетом действительных изменений тем­ пературы от — 60 до 80-ь 100° С.

Процессы, с которыми связано изменение темпера­ туры, как правило, медленно меняющиеся. Это опреде­ ляется тепловыми физическими явлениями, считающи­ мися достаточно инерционными по сравнению с электро­ магнитными. Обычно скорость изменения температуры не превышает 0,5—1 град/сек. В то же время медленные изменения температуры могут иметь скорость 0,01 град/ч и менее.

Фактически температурные воздействия приложены во всех точках основного контура ПСН, т. е. действуют повсеместно на все элементы ПСН и его конструкцию.

46

Воздействие как бы распределено вдоль всей поверхно­ сти элементов и деталей ПСН. Этим в первую очередь и объясняется сложность борьбы с температурным воз­ действием. Несмотря на это, при анализе влияния тем­ пературных воздействий на работу ПСН с большой уве­ ренностью можно считать, что температурные воздейст­ вия приложены к каждому из элементов схемы ПСН. Исходя из этого предположения можно достаточно точно оценить влияние температурных воздействий на ПСН.

8. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЗВЕНЬЯ ПСН

В § 5 проведено исследование влияния возмущений, оказывающих воздействие на элементы структурной схемы основного контура ПСН, такие, как ИПУ, ИЭС, ПУЭС, СУ, ЗУ, УПУ и РЭ. Там же получены выраже­ ния (18) — (23), которые показывают в общем виде влия­ ние возмущений на выходное напряжение ПСН. Они остаются справедливыми и при воздействии на эти эле­ менты температурных возмущений, если считать, что возмущающие воздействия Z, Z x, Z2, Z3, Z4, Z6 суть из­ менения температуры, а коэффициенты передачи звеньев по возмущающим воздействиям K z , K z i. Kz2, Кгз, Kza, Кгь— температурные коэффициенты напряжения (ТКН) элементов структурной схемы у. ТКН показывают зависимость напряжения на выходе элементов структурной схемы от изменения воздействующей на них темпера­ туры.

Тогда выражения (18) — (23) можно записать для этого случая в виде:

47

а полный температурный коэффициент напряжения ПСН

^ п с н = ^ м п у "f" Г н э с "Ь Г5У + Г ПУЭС + Г у ЛУ + Г РЭ. (31)

Для примера остановимся подробнее на определении необходимого температурного коэффициента задающего устройства. Допустим, что в качестве задающего устрой­ ства в схеме ПСН используется переменный резистор.

Задающее устройство должно обладать высокой раз­ решающей способностью. Изменение выходного напря­ жения ПСН в процентах при изменении угла поворота оси ср переменного резистора будем называть разрешаю­ щей способностью ф такого ЗУ:

где К\р — коэффициент передачи ЗУ по задающему воз­ действию. Если ( Wmax — l^min) = ДР3. в — диапазон регулировки задающего воздействия

(34)

где ДР„ — диапазон регулировки выходного напря- £вых

жения ПСН. Переменный резистор ЗУ можно охаракте­ ризовать угловой разрешающей способностью а, под которой будем понимать угол поворота оси резистора, приходящийся на единицу изменяемого параметра W (сопротивления):

48

Для линейного потенциометра это выражение можно записать в виде

где ср — полный разрешенный угол поворота оси потен­ циометра.

Выражение (32) с учетом уравнений (33) и (34) можно

Выражение (39) показывает, что при выбранном пе­ ременном резисторе и заданном £/вых стабилизатора тре­ буемый диапазон регулировки однозначно определяет разрешающую способность такого ЗУ. И наоборот, при требуемой разрешающей способности ЗУ можно обеспе­ чить только вполне определенный диапазон регулировки выходного напряжения.

При воздействии температурного возмущения на ЗУ на выходе ПСН изменится напряжение. При этом из­ менение выходного напряжения будет пропорционально абсолютному температурному коэффициенту y w пере­ менного резистора ЗУ, что можно записать так:

лить на £/ВЬ1Х/100 и подставить значение коэффициента передачи K'w, полученное из выражения (37), то

где бг — относительная температурнаяпогрешность ПСН от температурной нестабильности З У .

49