|
| |
|
Слаботочка Книги 1. Минимизировать рабочую полосу частот схемы; 2. Изолировать чувствительные элементы системы. Минимизация полосы частот В данной конструкции требуемая полоса частот составляет всего 2 кГц. Это существенно облегчает задачу уменьшения эффекта влияния радиочастотных помех. Точки входа кабеля должны быть снабжены низкочастотными фильтрами, чтобы подавить вьюокочастотные шумы, воздействующие на систему. Выход шунта подключен ко входу AD7755 через НЧ фильтр. Это предотвращает эффект наложения спектра (aliasing), о чем говорилось выше. При выборе соответствующих компонентов и при добавлении некоторых дополнительных компонентов (таких как ферритовые бусины) эти антиалайзинговые фильтры также выполняют функцию высокоэффективных радиочастотных фильтров. На рис. 7 показана несколько идеализированная амплитудно-частотная характеристика антиалайзингового фильтра, подключенного к аналоговому входу. Если мы имеем дело с высокой частотой (больше 1 МГц), то необходимо учитывать паразитные реактивные составляющие каждого компонента схемы. На рис. 20 показаны схемы антиалайзинговых фильтров вместе с паразитными элементами. Эти малые величины паразитных емкостей и индуктивностей становятся существенными на вьюоких частотах и, следовательно, должны приниматься во внимание. резонансных явлений необходимо принять ряд мер общего характера. Резонансы, которые возникают в результате взаимодействия импеданса источника и фильтров могут привести к увеличению усиления на определенных частотах и таким образом увеличить подверженность устройства помехам на этих частотах. Компоненты с потерями (т.е. имеющие значимую резистивную составляющую), такие как конденсаторы с диэлектриком, обладающим потерями (напр. типа X7R) и индуктивности с ферритовыми сердечниками - это идеальные компоненты, способствующие уменьшению добротности входных цепей. Радиочастотная энергия рассеивается в виде тепла, прежде чем подействует на другие элементы схемы. Ферритовые бусины Z3 и Z4 играют при этом важную роль. На рис. 21 показано, как импеданс ферритовых бусин зависит от частоты. £50 §100 li1806b151r Зависимость z, r, xl от частоты  10 100 ЧАСТОТА, МГц 1000  Рис. 20. Антиалайзинговые фильтры с паразитными элементами Добиться минимизации величин паразитных элементов можно при использовании компонентов малого размера с минимальной длиной выводов (поверхностного монтажа). Так как точное значение импеданса не известно (оно зависит от импеданса источника электрического напряжения), то для минимизации возможных Рис. 21. Частотная характеристика ферритовых бусин (Z3 и Z4) в антиалайзинговом фильтре Из графиков на рис. 21 видно, что ферритовые бусины-дроссели становятся резистивными на вьюоких частотах. Также обратите внимание, что импеданс ферритовых бусин возрастает с частотой, поэтому они подавляют только вьюокочастотные составляющие. Изоляция Соединение с шунтом - единственное место, где микросхема AD7755 соединяется напрямую (через антиалайзинговые фильтры) со внешним миром . Устройство также соединяется с линиями фазы и нейтрали для того, чтобы обеспечить питание схемы и получить сигнал напряжения для канала V2. Ферритовая бусина Z1 и фильтрующий конденсатор С16 должны значительно ослаблять любые радиочастотные воздействия на схему источника питания. Другой возможный путь для радиочастотных помех - сигнальное заземление устройства. Для того, чтобы обеспечить изоляцию сигнального заземления ИС AD7755 от внешней точки заземления системы (К4), используется метод крепостного рва . На рис. 22 показан принцип этого метода, называемого разделением или крепостным рвом . КРЕПОСТНОЙ РОВ СОЕДИНИТЕЛЬ СО ВХОДАМ И/ВЫХ1  СОЕДИНЕНИЕ ВЫПОЛНЕНО ПРИ ПОМОЩИ ФЕРРИТОВОЙ БУСИНЫ С ВЫВОДАМИ Рис. 22. Высокочастотная изоляция входов/выходов при помощи метода крепостного рва Чувствительные к радиочастотам части схемы защищены от радиочастотных помех, поступающих в устройство через входы/выходы. На участке, к которому подсоединены входы/выходы устройства, нет шин питания и земли. Это уменьшает число путей, по которым попадают в устройство радиочастотные помехи; этот метод называется крепостным рвом . Разумеется, цепи питания, заземления и сигналов должны пересекать этот крепостной ров , и на рис. 22 показано, как это сделать безопасным образом с помощью ферритовой бусины. Не забывайте, что ферритовая бусина обладает большим импедансом на высокой частоте (см. рис. 21). ИСПЫТАНИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИМПУЛЬСАМ Этот тест позволяет оценить устойчивость устройства к импульсным воздействиям. Тестирование производится в соответствии со стандартом IЕС 1000-4-4 при строго определенных условиях. От подобных электрических импульсов, возможно, труднее всего предусмотреть защиту, так как он воздействует на устройство через соединение с внешними цепями, т.е. с сетью. Рис. 23 иллюстрирует физические свойства электрического импульса, который используется в стандарте IEC1000-4-4. Возможно, наиболее неприятный для устройства параметр этого импульса - это не амплитуда (которая составляет 4 кВ), а вьюокочастотная составляющая, возникающая за счет предполагаемой вьюокой скорости нарастания импульса. Большая скорость нарастания означает вьюокочастотные помехи, которые воздействуют на компоненты устройства через паразитные емкости и т.п. На дорожках печатной платы и в цепи сигнального заземления, обладающих индуктивностью, могут возникнуть дифференциальные сигналы значительной амплитуды. Эти высокоамплитудные дифференциальные сигналы могут повлиять на работу чувствительных электронных компонентов схемы. Цифровые системы подвергаются риску повреждения данных. Длительность воздействия на аналоговые электронные устройства обычно ограничивается только длительностью импульса помехи.  ВРЕМЯ Рис. 23. Характеристики одиночного электрического импульса Еще одна возможная проблема, связанная с электрическим импульсом, заключается в том, что его действие, подобно действию электростатического разряда, обычно является кумулятивным для электронных компонентов. Энергия электрического импульса может доходить до 0,004 Дж и вызывать ток в 40 А на нагрузке сопротивлением 50 Ом (см. рис. 26). Таким образом, воздействие многократных электрических импульсов, которое может быть результатом переключения индуктивной нагрузки и т.п., может негативно сказаться на долговременной надежности компонентов устройства. Лучший подход в данном случае заключается в том, чтобы защитить компоненты устройства, чувствительные к импульсу. Методика защиты, описанная в последнем разделе ( Электромагнитные вьюокочастотные поля ), также с равным успехом применима для электрических импульсов. Электронная схема должна быть изолирована насколько возможно от источника помех посредством специальной разводки (напр., метода крепостного рва ) и фильтрации сигнальных цепей и цепей питания. Кроме того, конденсатор емкостью 0,01 мкФ (С16) помещен между сетевыми линиями в качестве низкоимпедансного шунта для дифференциальных электрических импульсов. Паразитная индуктивность, возникающая за счет выводов и дорожек печатной платы, приводит к тому, что варистор (MOV) не будет достаточно эффективен в отношении подавления дифференциального электрического импульса. Варистор очень эффективен при подавлении мощных, относительно продолжительных импульсов, например, вызванных разрядами молнии и т.п. Работа варистора рассматривается в следующем разделе. Варистор типа S20K275 В данной конструкции использовался варистор типа S20K275 фирмы Siemens. Варистор - это, в сущности, нелинейный резистор, сопротивление которого уменьшается при увеличении напряжения. Варистор обычно включается параллельно устройству или схеме, которую необходимо защитить. В течение вьюоковольтного импульса варистор действует как низкоимпедансный шунт и таким образом предохраняет от вьюокого напряжения защищаемую схему. Импульс высокого напряжения в сущности полностью падает на внутреннем сопротивлении источника этого импульса, т.е. внутреннем сопротивлении источника сетевого питания. Рис. 24 иллюстрирует данный принцип. ИСТОЧНИК высоковольтного ИМПУЛЬСА ВАРИСТОР Ojf MOV д. ЭЛЕКТРОННАЯ СХЕМА, ПОДЛЕЖАЩАЯ ЗАЩИТЕ НАГРУЗОЧНАЯ КРИВАЯ-ИСТОЧНИКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИМПУЛЬСА ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВАРИСТОРА Vb,Vm  в ИМПУЛЬСЕ *Данные взяты из каталога SIEMENS MATSUSHITA COMPONENTS SlOV METAL OXIDE VARISTOR CATALOG Puc. 24. Принцип работы схемы защиты на варисторе На графике на рис. 24 показано, каким образом можно оценить значения тока и напряжения на варисторе при заданном напряжении импульса и внутреннем сопротивлении источника импульса. Нагрузочная линия (прямая, соединяющая на графике точку, соответствующую напряжению холостого хода с точкой короткого замыкания) проведена на том же графике, что и вольт-амперная характеристика варистора. Точке, где эти две характеристики пересекаются, соответствуют напряжение и ток через варистор в момент срабатывания защиты. Необходимо со всей тщательностью отнестись к оценке тока короткого замыкания. При расчете импеданса источника (т.е. сети) необходимо принимать во внимание частотный спектр импульса, импеданс может быть разным на различных частотах. При тестировании прибора на устойчивость к высоковольтному импульсу значение импеданса сети принимается равным 50 Ом. В следующем разделе рассматриваются стандарты IEC1000-4-4 и IEC1000-4-5, регламентирующие методы тестирования прибора на устойчивость к импульсам высокого напряжения. Стандарт IEC1000-4-4 и варистор типа S20K275 Несмотря на то, что рассмотренный выше графический метод вполне эффективен, все же наилучшим подходом является моделирование, т.к. оно способствует лучшему пониманию принципов работы варистора. Фирма EPCOS Components предоставляет SPICE-модели для всех поставляемых варисторов и эти модели весьма полезны при расчете режимов работы прибора при различных тестах на устойчивость, предусмотренных стандартом. Для более подробного ознакомления со SPICE-моделями фирмы EPCOS и их применением воспользуйтесь следующим адресом: http: www.epcos.cle/inf/70/e0000000.htm Стандарт IEC1000-4-4 регламентирует методику оценки действия повторяющихся маломощных, вьюоковольтных, с большой скоростью нарастания импульсов на электронное устройство. Этот тест предполагает имитацию импульсных помех, подобных тем, которые возникают при переключениях (напр., при переключении индуктивной нагрузки, дребезге контактов реле и т.д.). На рис. 25 показана схема, предназначенная для воспроизведения электрических импульсов в соответствии со стандартом IEC1000-4-4. Эта схема основана на схеме, приведенной на рис. 1 в стандарте IEC1000-4-4 (01-1995). Характеристики, обеспечиваемые данной схемой, следующие: - Максимальная энергия - 0,004 Дж/импульс при напряжении 2 кВ на нагрузке 50 Ом; - Импеданс источника 50 Ом±20%; - Емкость конденсатора, блокирующего постоянный ток - 0,01 мкФ; - Время нарастания импульса - 5 нс±30%; -Длительность импульса по уровню 50% от максимального - 50 нс±30%; - Форма импульса показана на рис. 23; 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [21] 22 23 24 25 26 27 28 |