Конструирование заземления

В соответствии с правилами проектирования в схеме выделяют базу с нулевым потенциалом, относительно которой проводят отсчет всех элек­трических потенциалов схемы. Эту точку обычно называют землей. Конст­руктивно эта база выполняется проводом, проводником (шиной), метал­лической полосой или листом. Поскольку, как правило, аппаратуру зазем­ляют, т. е. предварительно обеспечивают электрическое соединение метал­лического корпуса с реальной землей (почвой, грунтом), то для отличия ре­альной земли точку отсчета потенциалов схемы будем называть схемной землей.

Термин «земля» был установлен применительно к оборудованию, для которого в качестве обратного провода использовали почву. В настоящее время в качестве обратного провода используют не почву или металличе­ский корпус ЭА, а провод (общий провод), который из соображений техни­ки безопасности подсоединяют к земле.

По общему проводу протекают обратные (возвратные) токи электрон­ных схем, вызывая на нем падение напряжения, и, следовательно, разницу в электрических потенциалах на общих выводах (земле) компонентов схемы. Поскольку по общему проводу функционирующей схемы протекают в каж­дый момент времени различные токи, то это приводит к появлению гальва­нических помех.

На рис. 5.20 приведен при­мер распределения потенциалов на сплошной заземленной по­верхности ГШ с заземлением в одной точке. Отметим, что элек­трический потенциал схемной земли в данном случае изменя­ется в пределах 2... 100 мВ. Если компоненты схемы размещают­ся на поверхности платы с по­тенциалами менее 2 мВ и более 100 мВ (при проектировании схемы изначально предполага­лось, что земляной слой платы имеет нулевой потенциал), то, например, для схемы усилителя, сигнал может заметно исказиться. Сложная аппаратура с одним общим проводом функционировать не будет из-за появления на нем значительной гальванической помехи. При проектировании выделяют общие провода первичной и вторичной системы электропитания, высокочувствительных низкоуровневых схем, относитель­но нечувствительных мощных высокоуровневых схем, импульсных схем. Для уменьшения помех по земляным соединениям для различных подсхем системы используются несколько ИВЭП одинакового номинала каждый со своим общим проводом.

В небольших электронных системах, например, в микрокалькуляторе или радиоприемнике, получить низкоомный общий проводник относитель­но несложно. В сложных системах (большая ЭВМ, радар) сформировать низкоомную землю крайне трудно. Поскольку размеры сложных систем увеличиваются, то влияние взаимных индуктивностей и распределенных емкостей между общими проводами становятся заметными уже на низкой частоте. Поэтому в больших системах некоторая разница потенциалов на общих проводниках имеет место между различными частями системы и этот факт нужно принимать во внимание при проектировании защищенной от воздействия помех аппаратуры.

Общие провода электронных приборов объединяются по схемам одно- и многоточечного заземления (рис. 5.21, а). В первом случае общие провода мо­дулей системы подсоединяются к общей нулевой точке, являющейся базой, относительно которой отсчитываются все потенциалы системы (см. рис. 5.21, а). Хотя в одноточечной земле связь модулей через общее сопротивление нуле­вого потенциала отсутствует (линия выродилась в точку), будет иметь место

влияние индуктивности L, а также связь через взаимные индуктивности М и емкости С, подсоединяемых к нулевой точке земляных проводов мо­дулей. На высокой частоте паразитная емкость образует низкое, а индуктивность про­водов — высокое сопротив­ление, что ухудшает свойства системы заземления. Для уменьшения взаимоиндуктив­ности общие проводники должны быть ориентированы взаимно перпенди­кулярно, что для большого числа элементов сделать практически невозможно.

Земля высокочастотной аппаратуры чаще всего представляет собой проводящую плоскость (тонкий медный лист монтажной панели, фольга многослойной печатной платы), к которой модули по месту установки под­соединяются отводами минимальной длины (многоточечное заземление). Пользуясь графиком, приведенном на рис. 5.22, можно выбрать схему за­земления, исходя из максимальной рабочей частоты системы и размеров общего провода /. В незаштрихованной области графика хорошие резуль­таты даст использование как одно-, так и многоточечной схемы заземления.

Для предотвращения излучения проводником в окружающее про­странство электромагнитной энергии длина проводника, м, должна быть /< AV50 < 6//, где к — длина волны, м;/— частота, мГц.

Рис. 5.22. Выбор схемы заземления:

где R — сопротивление по постоянному току; к — коэффициент (табл. 5.9). Значение X определяется из выражения.

Таблица 5.9. Значения коэффициента k

Заземление корпуса ЭА служит для предохранения обслуживающего персонала от поражения электрическим током при прикосновении к метал­лическим деталям конструкции, а также для защиты ЭА от воздействия по­мех, создаваемых размещенным по соседству оборудованием. Заземлению не подлежит аппаратура, работающая при безопасном напряжении, имею­щая двойную или усиленную изоляцию, а также надежный контакт с корпу­сом объекта установки.

Реальной землей летательного аппарата, судна на плаву является ме­таллический корпус, при неметаллическом корпусе — магистральная шина заземления или металлические конструкции, имеющие надежное электриче­ское соединение между собой.

Заземление корпуса осуществляется системой проводов или одним общим проводом и обеспечивает электрическое объединение всех металли­ческих элементов конструкции модулей, доступ к которым возможен при наладке, регулировке и ремонте, с заземлителем. Заземлителем называют проводник или систему проводников, выполненных из проводящего мате­риала и находящихся в непосредственном соприкосновении с почвой, ней­тралью первичной питающей сети, располагаемой обычно около фундамен­та здания, либо с внешней поверхностью фюзеляжа летательного аппарата, обшивкой судна и т. п. Заземление корпуса должно гарантировать сохране­ние потенциала нейтрали на элементах конструкции при нарушении изоля­ции провода распределительной системы электропитания и касания этим проводом металлических конструкций. Система блокировки при подобной ситуации отключает аппаратуру от питающего напряжения и защищает пер­сонал от поражения электрическим током.