Конструирование линий электропитания

Электроэнергия от источника к потребителям подводится двумя про­водами — потенциальным и нулевым. Как правило, 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.

Основные схемы распределения электропитания приведены на рис. 5.16. Сравнение и выбор схем проводится по падению напряжения, нагрузочной способности по току, легкости проведения электромонтажных работ и неко­торым другим факторам.

Электропитание по схемам последовательной и петлевой 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). Основные недостатки первых двух способов разводки — наличие контура в петлевой схеме разводки и в связи с этим помехи от магнитного поля.

Точечную разводку осуществляют жестким проводом и системой гиб­ких проводов, с одного конца подпаиваемых к жесткому проводу, а с другого — к ПЭ.

Рис. 5.16.Последовательная (а), петлевая (б), точечная (в) и параллельно-последовательная (г) схемы распределения электропитания:

/ — гибкий объемный провод; 2 — жесткая шина

Рис. 5.17.Эквивалентная схема для расчета падения напряжения на линии электропитания

Параллельно-последовательную разводку рекомендуется приме­нять при регулярном расположении ПЭ. Как и при точечной разводке, сум­марные токи протекают по мощной линии электропитания с большой пло­щадью поперечного сечения.

В точечной и параллельно-последовательной схемах разводки 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 (рис. 5.17). Фиксацию проводников осуществляют установкой на клей, круглых проводов — нанесением на концевые части цилиндрической поверхности припоя паяльником.

К недостаткам точечного и параллельно-последовательного способов разводки следует отнести появление перекрестных помех из-за индуктивной связи между гибкими проводами, ненадежность при перепайке.

В сложной ЭА из-за ограничений на конструкцию одновременно можно использовать несколько вариантов разводки электропитания, если подобный подход позволит улучшить электрические параметры, упростить монтаж, повысить ремонтопригодность.

Падение напряжения на линиях электропитания.Рассчитаем паде­ние напряжения на линии электропитания (рис. 5.18). Для этого введем сле­дующие допущения. Полагая токи ПЭ независящими от изменения напряже­ния электропитания, представим ПЭ приемником тока, что правомерно для электронно-вычислительной аппаратуры, разрабатываемой на микросхемах, имеющими допуск по питающему напряжению в 5... 10 %. Расчет проведем как

Рис. 5.18. Узлы подвода электропитания:

1 — корпус узла; 2 — проводящая пластина с контактными лепестками; 3 — монтажная панель; 4 — кронштейн; 5 — провод

для последовательной (сплош­ная линия), так и петлевой раз­водки (добавляется штриховая линия). Для упрощения будем считать, что токи приемников электропитания I_ПЭ равны, а так­же равны и сопротивления AZ участков линии, между которы­ми подсоединяются ПЭ. Без уче­та падения напряжения на линии нулевого потенциала, падения напряжения на линии электропи­тания:

где п — число ПЭ.

Эквивалентная схема петлевой разводки представляет собой последо­вательную схему, в которой между начальной и конечными точками линии введено сопротивление ∆Z. Петлевая разводка по сравнению с последова­тельной разводкой приводит к уменьшению падения напряжения в худшем случае несколько меньше, чем вдвое.

В приведенном выше выражении произведение ∆Z_n есть сопротивле­ние линии электропитания (ЛЭП). Полагая, что ∆Z_n = Z_Пl_Л3, получим

где Z_П, l_ЛЭ — сопротивление на единицу длины линии (погонное сопротивле­ние) и длина ЛЭП.

Уменьшая сопротивление и длину ЛЭП, а также число подсоединяемых к линии ПЭ, можно снизить U_ЛЭ 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 (рис. 5.19). Другой путь уменьшения падения напряжения на линии электро­питания — уменьшение сопро­тивлений ∆Z или Z_П.

В табл. 5.8 приведены три широко используемые схемы выполнения ли­ний электропитания и нулевого потенциала, а также представлены зависимости для расчета их электрических параметров. Хотя полное сопротивление ЛЭП складывается из активной и реактивной составляющих, однако, уже на частоте 100 кГц активным сопротивлением можно пренебречь и рассматривать только индуктивную составляющую. Уменьшение 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. Таким образом, во втором случае расходы меди увеличились в 400 раз, а ин­дуктивность уменьшилась несколько более, чем в 1,5 раза.

Таблица 5.8. Способы выполнения линий электропитания

Эскиз	Волновое сопротивление, Ом	Индуктивность, мкГн/м

Примечание. 1 — линия электропитания; 2 — линия нулевого потенциала.

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

Падение напряжения на ЛЭП при последовательной и петлевой раз­водках 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 конденсатор, 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 к — кратность уменьшения падения напряжения

на линиях электропитания и нулевого потенциала; t_Ф — 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.