Гальваническое влияние через цепи питания и сигнальные контуры

В качестве примера на рис. 3.2 а показана схема питания постоянным напряжением логических модулей В₁ - В_п, в кото­рой изменение тока одного модуля (di/dt) генерирует напря­жение помехи u_st из-за падения напряжения на R и L, наклады­вающегося на напряжение питания и, а на рис. 3.2 б - аналого­вая схема, в которой при подключении нагрузки R_L возникает напряжение помехи на полном сопротивлении общего для двух сигнальных контуров участка системы опорного потенци­ала. Это напряжение накладывается непосредственно на вход­ное напряжение операционного усилителя OV1 и тем самым ис­кажает входной сигнал второго усилителя OV2.

Упрощенно в обоих случаях напряжение помехи

. (3.1.)

Реальные значения u_st составляют милливольты или вольты. Например,

Рис. 3.2. Примеры гальванических связей в цепях электропитания (а) и в сиг­нальных контурах (б)

для схемы на рис. 3.2, б напряжение между точками 1 и 2 при длине провода 10 см, погонной индуктивности 5мкГн/м, сопротивлении 1 мОм, токе Δ i = 1 А и времени Δ t = 1100 нс напряжение помехи составит:

мВ (3.2.)

Это напряжение, как видно из (3.1), при заданных значениях Δ i и Δ i /Δ t тем ниже, чем меньше параметры полных сопротивлений общих цепей. Согласно известному соотношению активное сопротивление проводника

, (3.3.)

где - площадь поперечного сечения проводника; l - его длина; γ - электрическая удельная проводимость материала.

Поэтому проводник необходимо выбирать предельно корот­ким, а его сечение должно быть, возможно большим. При этом следует иметь в виду, что при больших скоростях Δ i /Δ t изме­нения тока с увеличением поперечного сечения проводника все заметнее проявляется поверхностный эффект (рис. 3.3). Если для проводника с постоянной площадью поперечного се­чения прямоугольной формы изменять отношение ши­рины а к толщине b, то в области высоких частот (при глубине проникновения электромагнитного поля ) будет иметь место зависимость, приведенная на рис. 3.4. Она показывает, что изменение а/b от 1 до 100 приводит к относи­тельно малому изменению сопротивления (повышению менее чем в 1, 5 раза). Важным является не столько увеличение со­противления, сколько существенное (примерно десятикратное) снижение составляющей напряжения помехи, обусловленной уменьшением индуктивности (рис. 3.5, г).

Несмотря на то, что активное сопротивление из-за влияния поверхностного эффекта в области частот, представляющих ин­терес, может возрасти по сравнению с сопротивлением при по­стоянном токе в 10-1000 раз (см. рис. 3.3), активная составляю­щая напряжения помехи при достаточно обоснован­ном выборе сечения проводника обычно остается сравнительно малой (милливольты) по отношению к индуктивной составляю­щей:

. (3.4.)

Это видно, например, из уравнения (3.2). При указанном ранее индуктивность линии с проводниками цилиндрической формы (рис. 3.5, а) приближенно рассчитывается так:

, (3.5.)

а линии с плоскими расположенными близко друг к другу проводниками прямоугольного сечения (рис. 3.5, 6) (полагая d< < b и d < < а, что часто приемлемо на практике) - по выражению

. (3.6.)

Из приведенных формул следует, что для уменьшения L и самым имеются следующие возможности: сокращение длины проводов, для круглых проводов заданной площади сечения или диаметра - сокращение до минимального расстояния между проводами, а для проводников прямоугольного сечения - увеличение отношения . Если отношение в (3.5) в лучшем случае теоретически может быть снижено до единицы, то отношение в (3.6) достигает десяти и более. Поэтому линия с плоскими проводами, показанная на рис. 3.5, б, обладает гораздо меньшей индуктивностью, что видно из сравнения характеристик на рис. 3.5, в и 3.5, г.

Для снижения гальванического влияния в соединительных проводах цепей питания и сигнальных контурах рекомендуют следующие мероприятия:

- выполнение соединений между двумя или более контурами с возможно низким полным сопротивлением, особенно низкой индуктивностью. Для этого согласно (3.3)-(3.6) требуется по возможности меньшая длина общих линий (см. рис. 3.2), большое сечение проводников (особенно для проводников системы опорного потенциала, общей для многих контуров), малые расстояния d между проводами цепей питания (расположение прямого и обратного проводов рядом друг с другом), выполнение системы опорного потенциала в печатных платах, жгутах, разъемах, соединений с корпусом, землей, а при возможности и проводов питания в виде плоских шин (рис. 3.6). В этих случаях (рис. 3.6, б) возможно обеспечение больших емкостей, выполняющих роль защитных конденсаторов. Эффективным является выполнение соединений шин системы опорного потенциала в виде многих параллельных кабелей (рис. 3.7.), благодаря чему одновременно компенсируются как емкостные, так и индуктивные влияния;

-гальваническая развязка, т.е. устранение совместных проводящих соединений между различными контурами, или же гальваническое разделение контуров таким образом, чтобы ток наиболее мощного контура или ток фильтра не протекал по слаботочному контуру. Это осуществляется отказом от общих обратных проводников в цепях передачи сигналов (рис. 3.8, а), от использования проводов заземления, корпусов приборов, машин и технологических устройств в качестве проводов сигнальных цепей. Систему опорного потенциала, если это требуется, необходимо присоединять лишь к точкам заземления или к корпусу прибора. Системы опорных потенциа­лов аналоговых модулей (В1-В4 на рис. 3.8, б) и системы пита­ния компонентов К1-КЗ устройств автоматизации (рис. 3.8, е) следует соединять звездой. Целесообразно раздельно питать мощные электрические и аналоговые, дискретные функцио­нальные элементы в целях устранения влияния внутреннего сопротивления питающей сети (рис. 3.8, г);

-разделение потенциалов, т.е. устранение любых гальвани­ческих контактов между контурами при функционально связаных сигнальных и силовых цепях (рис. 3.8, д) в системах, в которых не предусматривается обмен информацией;

-выбор скорости изменения тока не большей, чем требуется

Рис. 3.3. Влияние проникновения тока на сопротивление проводов круглого (а) и прямоугольного (б) сечений.

Рис. 3.4. Зависимость относительного сопротивления проводника прямоугольного сечения от отношения его сторон при постоянстве сечения

Рис. 3.5. Зависимости погонных индуктивностей (в, г) от соотношений размеров линий с проводами круглого (а) и прямоугольного (6) сечений

Рис. 3.6. Многослойные платы с плоскими шинами системы опорного потенциала GND (а) и шинами электропитания GND и U_CC (б):

L - поверхности печатных плат

Рис. 3.7. Плоский кабель с распределенными по ширине проводами системы опорного потенциала GND

Рис. 3.8. Примеры неудачной (слева) и удовлетворительной (справа) реализации по снижению помех в гальванически связанных сигнальных контурах и цепях питания

по условиям функционирования. Однако это не всегда удается осуществить, например, если нормальное функционирование электротехнического устройства сопровождается определенным значением . Напротив, в логических системах скорость изменения тока зависит от рабочей скорости коммутации в контурах. Поэтому она принципиально не должна быть выше, чем требуемая для осуществления функциональной задачи или для обеспечения операционной скорости.