Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. Návrh a konstrukce elektronických přístrojů

Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc.

Návrh a konstrukce elektronických přístrojů

Vysoké učení technické v Brně 2011

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391 s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.


1

Obsah 1

ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU ........................................4 1.1 1.2

ÚVOD DO PŘEDMĚTU ...................................................................................................4 VSTUPNÍ TEST ..............................................................................................................4

2 NÁVRH A KONSTRUKCE ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ A JEJICH ZAVÁDĚNÍ DO VÝROBY .....................................................................................................6 2.1 2.2 2.3

DOKUMENTACE ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ ............................................................14 EKONOMICKÝ VÝZNAM ELEKTRONICKÉHO PRŮMYSLU ..............................................17 VÝROBA PROGRAMOVÉHO VYBAVENÍ (SOFTWARE)...................................................19

3 METODIKA NÁVRHU ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ. SYSTÉMOVÉ INŽENÝRSTVÍ. .....................................................................................................................20 3.1 3.2 4

ŘÍZENÍ JAKOSTI .........................................................................................................30 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

5

INOVAČNÍ PROCESY V ELEKTRONICE .........................................................................25 CONCURRENT ENGINEERING .....................................................................................29 JAKOST V ELEKTRONICE ............................................................................................30 POJEM STANDARDIZACE ............................................................................................30 TECHNICKÁ NORMALIZACE........................................................................................31 METROLOGIE .............................................................................................................32 ZKUŠEBNICTVÍ...........................................................................................................33 STANDARDIZAČNÍ ČINNOSTI V PODNIKU ....................................................................34 KOMPLEXNÍ SYSTÉMY ŘÍZENÍ JAKOSTI.......................................................................35 STANDARDIZACE V MEZINÁRODNÍM MĚŘÍTKU ...........................................................36

DUŠEVNÍ VLASTNICTVÍ A JEHO OCHRANA ......................................................38 5.1 VÝVOJ OCHRANY DUŠEVNÍHO VLASTNICTVÍ - PATENTOVÉ PRÁVO .............................38 5.2 VYNÁLEZY, PRŮMYSLOVÉ VZORY A ZLEPŠOVACÍ NÁVRHY VE ZNĚNÍ ZÁKONA Č. 527/1990 SB..........................................................................................................................39 5.2.1 Vynálezy............................................................................................................39 5.2.2 Průmyslové vzory..............................................................................................42 5.2.3 Zlepšovací návrhy.............................................................................................43 5.3 UŽITNÝ VZOR ............................................................................................................44 5.4 PRÁVA NA OZNAČOVÁNÍ ............................................................................................45 5.4.1 Ochranné známky .............................................................................................45 5.4.2 Označení původu ..............................................................................................48 5.4.3 Obchodní jméno................................................................................................49 5.5 OCHRANA TOPOGRAFIE POLOVODIČOVÝCH VÝROBKŮ...............................................49 5.6 AUTORSKÉ PRÁVO .....................................................................................................50

6

ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA .......................................................53 6.1

7

ELEKTROSTATICKÉ

VÝBOJE ......................................................................................71

ELEKTRICKÁ KONSTRUKCE..................................................................................76 7.1 SOUČÁSTKY A JEJICH VLASTNOSTI .............................................................................76 7.2 KONSTRUKCE SIGNÁLOVÝCH SPOJŮ ..........................................................................77 7.2.1 Konstrukce spojů ..............................................................................................77 7.2.2 Klasifikace spojů v digitálních systémech ........................................................81 7.2.3 Vedení ...............................................................................................................82

2

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 7.3 7.4

ROZVOD NAPÁJENÍ .................................................................................................... 87 OCHRANA PROTI PRONIKÁNÍ NEŽÁDOUCÍCH SIGNÁLŮ (PARAZITNÍ JEVY A JEJICH POTLAČENÍ)........................................................................................................................... 92 7.4.1 Jevy vyvolané nenulovým odporem spojů ........................................................ 93 7.4.2 Termoelektrická napětí .................................................................................... 98 7.4.3 Reaktance vodičů ............................................................................................. 98 7.4.4 Parazitní kapacitní vazba................................................................................. 99 7.4.5 Parazitní induktivní vazba ............................................................................. 101 7.4.6 Filtrace napětí ve vodičích............................................................................. 107 7.4.7 6.4.7 Souosé tlumivky.................................................................................... 111 7.5 PŘENOS IMPULSŮ VEDENÍM ..................................................................................... 113 7.5.1 6.5.1 Metoda Bergeronova diagramu ........................................................... 115 7.5.2 Metoda Bergeronova diagramu pro nelineárně zakončené vedení ............... 118 7.5.3 Zakončovací (přizpůsobovací) články pro vedení.......................................... 123 7.6 RUŠENÍ V DIGITÁLNÍCH SYSTÉMECH........................................................................ 130 7.6.1 Přeslechy u jednoduchých spojů .................................................................... 130 7.6.2 Přeslechy u vázaných vedení.......................................................................... 134 8

MECHANICKÁ KONSTRUKCE ............................................................................. 141 8.1 PŘÍSTROJOVÁ SKŘÍŇ ................................................................................................ 142 8.1.1 Hledisko mobility ........................................................................................... 142 8.1.2 Provozní hlediska........................................................................................... 143 8.1.3 Jiné specifické požadavky .............................................................................. 143 8.2 PŘÍSTROJOVÁ ZÁSTAVBA ........................................................................................ 143 8.2.1 Základní koncepce vnitřní zástavby ............................................................... 144 8.2.2 Topologie vnitřní zástavby ............................................................................. 145 8.3 VOLBA, ROZMÍSTĚNÍ A GRAFICKÉ OZNAČENÍ OBSLUŽNÝCH PRVKŮ ......................... 146 8.3.1 Kritérium četnosti manipulace....................................................................... 149 8.3.2 Kritérium významu......................................................................................... 149 8.3.3 Kritérium kolize ............................................................................................. 151 8.3.4 Kritérium subjektivního vjemu ....................................................................... 152 8.4 KLIMATICKÁ A MECHANICKÁ ODOLNOST ................................................................ 153 8.5 CHLAZENÍ POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK A KONSTRUKČNÍCH CELKŮ ................... 154 8.5.1 Základní způsoby přenosu tepla..................................................................... 155 8.5.2 Konstrukční uspořádání chlazení................................................................... 160 8.5.3 Chlazení polovodičových součástek............................................................... 174 8.6 KONSTRUKCE A TECHNOLOGIE DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ......................................... 197 8.6.1 Typy plošných spojů ....................................................................................... 197 8.6.2 Drátové plošné spoje...................................................................................... 215 8.6.3 Vlastnosti desek plošných spojů..................................................................... 217 8.6.4 Konečné povrchové úpravy............................................................................ 223 8.6.5 Osazování desek plošných spojů součástkami ............................................... 224 8.6.6 Konektory pro plošné spoje............................................................................ 228 8.7 NÁVRH DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ............................................................................. 230 8.7.1 Jednodušší metoda ručního návrhu ............................................................... 235 8.7.2 Složitější metoda ručního návrhu................................................................... 237 8.7.3 Podrobnosti k návrhu vodivého obrazce........................................................ 240 8.7.4 Návrh DPS počítačem.................................................................................... 251 8.7.5 Postup pří návrhu DPS počítačem................................................................. 256 8.8 PÁJENÍ V ELEKTRONICE ........................................................................................... 258


3

8.8.1 Měkké pájky ....................................................................................................264 8.8.2 Tavidla............................................................................................................267 8.8.3 Postup pájení ..................................................................................................271 8.8.4 Technologické operace a zařízení pro hromadné pájení ...............................281 8.9 TECHNOLOGIE POVRCHOVÉ MONTÁŽE .....................................................................287 8.9.1 Zvláštnosti návrhu DPS pro techniku povrchové montáže.............................295 8.10 STÍNĚNÍ ...................................................................................................................302 8.10.1 Elektromagnetické stínění ..............................................................................305 8.10.2 Magnetostatické stínění ..................................................................................314 8.10.3 Vícenásobné stínění ........................................................................................318 8.10.4 Stínění nízkofrekvenčních a napájecích transformátorů ................................322 8.10.5 Stínění cívek a vysokofrekvenčních obvodů....................................................323 8.10.6 Elektrické stínění ............................................................................................326 8.10.7 Stínění síťových transformátorů .....................................................................330 8.10.8 Současné stínění magnetického a elektrického pole.......................................331 8.10.9 Stínění vodičů .................................................................................................333 8.10.10 Stínění vodičů proti vlivu magnetických polí..............................................337 9

SPOLEHLIVOST ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ ............................................340 9.1 9.2

ZÁKLADNÍ POJMY ....................................................................................................342 ROZBOR KŘIVKY INTENZITY PORUCH.......................................................................344

10 TECHNICKÁ DIAGNOSTIKA A OŽIVOVÁNÍ ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ ............................................................................................................................345 10.1 ZÁKLADNÍ ÚLOHY TECHNICKÉ DIAGNOSTIKY ..........................................................345 10.2 DIAGNOSTIKA ELEKTRONICKÝCH SOUČÁSTEK A ZAŘÍZENÍ ......................................346 10.2.1 Testování a třídění integrovaných obvodů .....................................................347 10.2.2 Testování propojovací sítě..............................................................................354 10.2.3 Testování osazených desek .............................................................................357 10.2.4 Diagnostika při uvádění do provozu, servis ...................................................361 11

BEZPEČNOSTNÍ POŽADAVKY NA ELEKTRONICKÁ ZAŘÍZENÍ ............363 11.1

12

LEGISLATIVA A UŽITÍ VÝROBKŮ ..............................................................................363 PŘÍLOHA: KONTROLA KONSTRUKČNÍHO ..................................................366

NÁVRHU...............................................................................................................................366 13

LITERATURA .........................................................................................................371 13.1 VÝSLEDKY TESTŮ ....................................................................................................378 13.1.1 Vstupní test .....................................................................................................378

4

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

1 Zařazení předmětu ve studijním programu Tento text je určen především jako studijní materiál pro výuku předmětu „Návrh a konstrukce elektronických přístrojů (BNKP)“ v 3. ročníku studia tříletého bakalářského studijního programu ELEKTROTECHNIKA, ELEKTRONIKA, KOMUNIKAČNÍ A ŘÍDÍCÍ TECHNIKA oboru MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE. Volně navazuje na předměty předchozích ročníků „Elektrotechnika1-2“, „Analogové elektronické obvody“ a „Mikroelektronika a technologie součástek“ se zaměřením na integrované obvody. Výhodou lze využít případných předchozích znalostí z volitelného předmětu „Diagnostika a testování elektronických systémů“.

1.1 Úvod do předmětu Náplní předmětu je seznámení jednak s historií a rozdělením integrovaných obvodů, ale především s aspekty návrhu a nároky kladenými na analogové integrované obvody (AIO). Používané technologie (bipolární, CMOS a BiCMOS) -jejich vlastnosti a srovnání. Seznámení s modelováním integrovaných obvodů a s modely jednotlivých prvků (obvodové modely bipolárních a unipolárních tranzistorů, rezistory). Návrh a simulace základních bloků AIO (proudové zrcadla a referenční obvody, zesilovače, děliče napětí, spínače ). Postupy a pravidla pro návrh topologií (masek) AIO. Seznámení s pokročilejšími technikami kompenzací analogových obvodů na čipech. Cvičení na počítačích zaměřená na simulaci a návrh funkčních bloků I0. K této části výuky doporučujeme skriptum Laboratorní cvičení z předmětu, kde naleznete manuály k ovládání používaných výukových programů „OrCAD Pspice“ pro simulaci obvodů a „Microwind“ určený k návrhu topologie obvodu (layoutu).

1.2 Vstupní test Jako základ pro snadné zvládnutí učiva tohoto skripta se předpokládá jistá znalost ze studia předchozích elektrotechnických předmětů. Nezbytná je znalost základních elektrotechnických zákonů a pouček, schopnost matematického řešení jednoduchých elektrických a elektronických obvodů a alespoň základní znalost vlastností a chování primitivních elektronických prvků a součástek. Pro velmi stručnou autoevaluaci vašich znalostí lze využít následující krátké otázky a příklady. První část je zaměřena na základní znalosti z obvodové techniky, druhá na znalosti elektronických součástek. Odpovědi a případná řešení naleznete na konci tohoto skripta. 1. Nakreslete základní strukturu bipolárního tranzistoru a vysvětlete podstatu tranzistorového jevu. 2. Uveďte složky proudu v bipolárním tranzistoru typu NPN. 3. Do čtyř kvadrantů souřadného systému zakreslete základní charakteristiky bipolárního tranzistoru. 4. Uveďte používané pracovní režimy tranzistoru. 5. Uveďte tři základní zapojení bipolárního tranzistoru a jejich vlastnosti.


5

6. Jak jsou vyjádřeny zesilovací schopnosti tranzistoru ? 7. Nakreslete Ebersův-Mollův model tranzistoru a uveďte význam jeho jednotlivých prvků. 8. Co je to bezpečná pracovní oblast tranzistoru – jak ji lze vyjádřit ve výstupních charakteristikách ? 9. Za jakých okolností dochází k průrazům tranzistorové struktury 10. Co je to Earlyho jev ? 11. Co jsou linearizované modely tranzistoru a jaký mají vztah k parametrům dvojbranu ? 12. Jak jsou vyjádřeny mezní kmitočty bipolárního tranzistoru ? 13. Jak pracuje bipolární tranzistor ve funkci spínače ? 14. Jak se provede volba a nastavení pracovního bodu zesilovače s bipolárním tranzistorem.

6


2 NÁVRH A KONSTRUKCE ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ A JEJICH ZAVÁDĚNÍ DO VÝROBY Výroba elektronických přístrojů a zařízení tvoří významnou součást průmyslové výroby, ať již jako samostatný obor, nebo součást jiných oborů. Vyznačuje se vysokou dynamikou vědeckotechnického rozvoje a její produkty se musí prosazovat v náročných konkurenčních podmínkách, neboť trh elektronických přístrojů a zařízení je charakteristický svou otevřeností v mezinárodním měřítku. K dosažení ekonomického úspěchu na trhu vzrůstá význam technické tvůrčí práce, ale současně i požadavky na větší provázanost s takovými disciplinami jako je obchod, marketing, ekonomika a organizace. Současný trend se projevuje tím, že vzrůstá podíl řídících pracovníků s vysokoškolskou kvalifikací ve dvou oblastech - v technické a v ekonomické (vč. obchodu). Nezbytné interdisciplinární znalosti se však stávají nutností i ve výkonných inženýrskotechnických profesích (tj. i pro výzkumné a vývojové pracovníky). Rozumět celému procesu vzniku a zavedení nového výrobku, ekonomickým souvislostem jak v průběhu přípravy, tak při výrobě, je účinnou cestou dosažení vysoké efektivity práce a následného ekonomického úspěchu. Z pohledu tvůrce "sebedokonalejší a sebezdařilejší, příp. sebekrásnější" řešení postrádá smysl, nelze-li jej ekonomicky zavést do výroby, či vyrábět, nesplňuje-li konkrétní potřeby uživatele, není-li se schopno prosadit parametry, spolehlivostí, designem a cenou v konkurenci jiných výrobků. Celý proces vzniku elektronického přístroje zahrnuje řadu činností od vzniku námětu, záměru až po rozběh sériové výroby, jejichž cílem je až splnění ekonomických záměrů na straně dodavatele (podnikatelského subjektu) uspokojením potřeb odběratelů (zákazníků). Návrh řešení a zhotovení vzorku, který v zásadě splňuje očekávané funkce (často za podmínky, že je obsluhován a udržován v provozu svým tvůrcem) je jen malou částí z celkového objemu prací nutných k dosažení uvedeného cíle. Tento stav ještě nezajišťuje ani neprokazuje dosažení technických a ekonomických parametrů ani ve výrobě ani v užití. Soubor všech činností od stanovení záměru - formulace zadání až po rozběh seriové výroby bývá označován jako technická příprava výroby (někdy také jako příprava nové výroby či předvýrobní činnosti). Je zřejmé, že rozsah a náplň jednotlivých činností je v konkrétních případech různá a závisí na a) výrobku - jeho charakteru a složitosti, na situaci na trhu, b) řešiteli/výrobci - na vnitřních podmínkách, tj. schopnostech, zkušenostech pracovníků, technických prostředcích, organizační struktuře. Technická příprava výroby probíhá v řadě etap; za základní můžeme označit 1. Stanovení záměru (zadání). 2. Výzkumná etapa. 3. Vývojová etapa. 4. Technologická příprava výroby. 5. Náběh sériové výroby. Poznámka: Termínem technická příprava výroby bývá někdy v užším smyslu označována pouze etapa technologické přípravy výroby. Organizace a řízení technické přípravy výroby jsou firemně specifické. Jinak budou postupovat malí výrobci omezeného sortimentu, jinak velké společnosti pokrývající několik výrobních oborů.


7

Předpokládejme proto, že modelovým příkladem bude firma působící dlouhodobě v oboru výroby elektronických přístojů a trvale zajišťující svůj technický rozvoj i přímý odbyt své produkce. Pro takovou firmu je typické, že má zavedenou propracovanou vnitřní organizaci, posloupnost a náplň činností technické přípravy výroby má popsánu vnitřními akty řízení (organizačními směrnicemi, normami apod.). Jejich význam spočívá mimo jiné v tom, že poskytují konkrétní informace a návody pro práci odborných útvarů i jednotlivých pracovníků a zavádějí potřebnou terminologii, neboť význam některých obecně používaných termínů není v praxi (v různých podnicích) jednotný. Náplň etap technické přípravy výroby 1. Zadání úkolu Zadání úkolu soustřeďuje požadavky a náměty, popř. údaje k zakázce (1.1). Vychází se přitom zejména z dlouhodobé strategie firmy, ze záměrů na udržení či rozšíření podílu na trhu v daném sortimentu. Pojem strategické plánování je u zavedených výrobců jedním z klíčových a pohybuje se v horizontu jednotek až desítek let. Od strategického plánování se odvíjí investiční politika, tj. zejména obnova a rozšiřování technologií (instalovaných zařízení, strojů, výstavba). Vyžaduje to hluboké znalosti vývoje techniky, trhu, pracuje se s dlouhodobými prognózami. Záměry a rozhodnutí vycházející ze strategického plánování jsou často orientovány na vlastní nebo externí základní výzkum. Vedoucí firmy oboru se vyznačují tím, že realizace záměrů dlouhodobé strategie tvoří rozhodující náplň jejich technického rozvoje. Postup středních a menších firem je jiný, je založený na vysoké inovační pohotovosti. Firmy organizují svůj technický rozvoj na znalosti okamžitých nebo časově blízkých potřeb trhu a soustřeďují se na velmi rychlý průběh technické přípravy výroby, na rychlé uspokojení poptávky. Firemní koncepci ovlivňuje podstatně charakter výrobků z pohledu užití. Typické je rozdělení na výrobky určené pro konečnou spotřebu a na výrobky pro další zpracování. Konkretizace požadovaných vlastností, parametrů a ceny do zadání úkolu se provádí na úrovni hospodářského vedení (managementu) firmy. Základními podklady pro rozhodování jsou studie, zprávy a informace pracovníků marketinku, obchodu, výzkumu a vývoje, technologie (1.1). Obsahové a časové členění úkolu (1.2) je připraveno pro písemný akt řízení (zadávací protokol), který obsahuje tyto údaje: - kdo bude úkol řešit (hlavní řešitelé, spoluřešitelé), tj. které útvary budou řešit včetně jmen odpovědných pracovníků, - cílové požadavky (parametry, vlastnosti nového výrobku), - náplň a termíny jednotlivých etap řešení, - přidělené prostředky k řešení úkolu, - rozčlenění nákladů. Současně se vypracovává technicko-ekonomický rozbor (1.3), který rozvádí stručné informace obsažené v zadávacím protokolu, a který slouží jako podklad k rozhodnutí (1.4) o zařazení úkolu technického rozvoje (výzkumného, vývojového) do plánu (1.5). Rozhodnutí patří vrcholovému vedení (managementu) firmy. Technicko-ekonomický rozbor souhrnně hodnotí marketinkovou situaci a popisuje po technické i ekonomické stránce podnikatelský záměr zamýšlený vstupem výrobku na trh. Obsahuje

8


- popis výrobku (jeho účel, funkci, použití), - základní parametry a jejich srovnání s konkurencí, - všeobecné a specifické požadavky (oblast bezpečnosti, spolehlivost, soulad s normami a předpisy), - rozvahy o technicko-ekonomické životnosti (době, po kterou se udrží výrobek na trhu), předpokládané množství prodaných (vyrobených) výrobků v této době, - odhad nákladů na vývoj výrobku, na nářadí a měřící vybavení, na speciální technologie, hardwarové (HW) a softwarové (SW) prostředky, - předpokládané náklady na technickou přípravu (zavedení) výroby, výrobní náklady ve vztahu k ceně, cenový limit, vyčíslení přínosů, zisku, ... - návrh časového harmonogramu základních etap, případné upřesnění jejich nestandardního průběhu, - navrhovaný počet vzorků, prototypů, rozsahů zkoušek, rozsah konstrukční a technologické dokumentace. Poznámka: Průběh řešení zpravidla nesleduje celý vývojový diagram (obr. 1). - v etapě zadání se již přihlíží k náplni úkolu, např. při dílčí inovaci spočívající jen v návrhu nového designu (vnějšího provedení) bez podstatného dotčení původního obvodového řešení, nebude jistě zařazována výzkumná etapa, ani všechny vývojové etapy, - v průběhu řešení může pod vlivem získaných poznatků nebo změn na trhu docházet v časovém rozvrhu ke skluzům i záměrnému urychlování, může docházet ke změnám v čerpání nákladů. Průběh řešení je proto trvale sledován a vyhodnocován a v dílčích etapách rozhodováno o jeho dalším průběhu.


Obr.1.1 Náplň a návaznosti jednotlivých etap technické přípravy výroby

9

10


2. Výzkumná etapa Výzkumná etapa se zařazuje tehdy, nejsou-li známy některé principy nebo nejsou-li ověřeny do té míry, aby je bylo možno přímo použít při konkrétním řešení výrobku. Výzkumná etapa je charakteristická pro výrobky, které představují vysoký stupeň inovace oproti svým předchůdcům, nebo zavádění nové techniky. V průběhu řešení je nutné se seznámit s nejnovějším stavem techniky formou studia odborné literatury, patentových spisů a rešerší (2.1). Dále se provádí potřebné výpočty a návrh klíčových obvodů příp. i s nezbytným SW a jejich experimentální ověření (2.2). Získané poznatky a výsledky prací se shrnují ve výzkumné zprávě (2.3). O splnění cílů výzkumné etapy a dalším postupu (pokračování podle vývojového diagramu nebo "opakování" výzkumné etapy) rozhodne technické vedení firmy při oponentním jednání (2.4). 3. Vývojová etapa 3.1. Studium a funkční ověření. Tato etapa se nezařazuje, pokud se jedná o řešení poměrně propracovaných problémů, popř. když byly propracovány natolik v etapě výzkumu, že rozhodnutím v bodu 2.4 byla vynechána. V průběhu studia (3.1.1.) řešitel vytváří vlastní koncepci řešení, stanovuje dílčí části řešení, vymezuje technické, technologické, materiálové i výrobní podmínky pro úspěšné ověření a přípravu nového výrobku. Účelem etapy funkčního ověření (3.1.2.) je prokázat na navrženém a zhotoveném funkčním vzorku reálnost dosažení zadaných parametrů. Pojem funkční vzorek je myšlen jako takový "model", který se ještě nemusí blížit vzhledově konečnému výrobku, ale ověřuje jeho perspektivní funkčnost po stránce především vybraných technických parametrů a vlastností (zejm. základních obvodových a SW řešení). Ověření (kontrolu) splnění zadaných technických parametrů provede typová zkušebna. Uvedený postup nezávislé kontroly je příznačný pro zavedené systémy řízení jakosti. Zkušebnou vystavený protokol o typové zkoušce I (3.1.3) je podkladem pro rozhodnutí o pokračování vývojových prací, příp. opakování etapy (3.1.4). 3.2. Vývojový vzorek. V etapě vývojového vzorku je cílem dopracovat řešení i po konstrukční a SW stránce do takového stavu, aby jej bylo možno ověřit i po stránce technologičnosti provedení. Při řešení úzce spolupracuje s vývojovým pracovníkem konstruktér. Poznámka: Zejména ve strojírenských podnicích se někdy neužívá označení funkce výzkumně-vývojového pracovníka pro tvůrce elektrického (obvodového) návrhu, ale označuje se jako elektrokonstruktér, popř. jen konstruktér. V rámci tohoto textu je pod pojmem konstruktér myšlen pracovník, který navrhuje mechanickou konstrukci přístroje, vypracovává konstrukční podklady; výzkumně-vývojovými pracovníky jsou označováni tvůrci obvodového řešení a programového vybavení. Podle pokynů a podkladů vývojového pracovníka a konstruktéra je zhotoven vývojový vzorek (3.2.1), pomocí něhož je již v dílně vzorkovny ověřováno jeho obvodové a konstrukční řešení, jsou stanoveny nároky na potřebné technologie a měřící zařízení a předběžně se odhaduje potřebný čas ke zhotovení výrobku. V této fázi již musí být k dispozici SW nutný pro zajištění vlastní funkce výrobku (specifické "firmware"). Dopracování a optimalizace uživatelského SW, které již nevede k úpravám obvodového (HW) řešení může probíhat souběžně s výrobou prototypů (3.4).


11

Na vývojovém vzorku provádí typová zkušebna typovou zkoušku II (3.2.2). Typová zkouška II je poměrně obsáhlým ověřením vlastností vzorku i správnosti dokumentace. Ze zkoušky obvykle vyvstává řada připomínek, které musí vývojový pracovník a konstruktér vyřešit (3.2.4). Následuje rozhodnutí o ukončení etapy (3.2.5). 3.3. Zhotovení výrobní dokumentace pro prototypy. V této etapě se již zpracovává výrobní dokumentace se všemi náležitostmi tak, aby podle ní mohly být vyráběny prototypy - tj. vzorky výrobků, které provedením i parametry plně odpovídají budoucím výrobkům. Výkresová dokumentace prochází kontrolou, zda je v souladu s normami a předpisy, zda jsou správně voleny materiály a díly s přihlédnutím ke standardizaci a typizaci. Stanovuje se technologie zhotovení prototypů, vypracovávají se návrhy uživatelské dokumentace. 3.4. Zhotovení prototypů. Je-li to účelné, vypracovávají se některé technologie výroby tak, aby byly použitelné již i pro realizaci prototypů (3.4.1). Poznámka: Výsledkem technologické přípravy výroby je určení výchozí podoby a množství materiálu, vypracování technologických postupů (pro zhotovení, montáž, nastavení, kontrolu), stanovují se časové normy na jednotlivé operace. Zadává se příp. výroba speciálního nářadí, měřícího zařízení apod. Podle požadavku zadání se vyrobí stanovený počet prototypů (3.4.2). Všechny poznatky a připomínky z průběhu výroby prototypů se evidují. Připravují se všechny materiály, které budou kontrolovány spolu s prototypem (prototypy) v průběhu typové zkoušky III (3.4.3). Typová zkouška III prověřuje dosažení zadaných parametrů a vlastností včetně funkcí interního a externího řízení, uživatelského SW, úplnost a správnost výrobní a uživatelské dokumentace (návody, ...). Při kladném výsledku typové zkoušky jsou připomínky z jejího průběhu spolu s připomínkami z výroby prototypů promítnuty do dokumentace (3.5), která se tím stává konstrukční dokumentací pro výrobu (výrobní dokumentace v užším slova smyslu). Jde o takový soubor podkladů, z nichž je možno přizpůsobením se instalovaným technologiím začít vyvinutý výrobek vyrábět a dodávat na trh. Tím také končí etapa vývoje a nastává etapa osvojení výroby. 4. Osvojení výroby je procesem, jehož cílem je co nejekonomičtěji připravit výrobu a vyrábět produkt předchozího vývoje. 4.1. Technologická příprava výroby (TgPV) Podklady pro TgPV se skládají z - technických podkladů - schémat, SW, konstrukčních výkresů a rozpisek (kusovníků), popisu funkce, metody elektrického nastavení a kontrol (testování); prototypu(ů) vč. připomínek a poznatků z jeho výroby, - ekonomických a organizačních údajů - nákladového limitu konečného výrobku, předpokládané sériovosti, stanovených termínů a nákladů pro etapu TgPv. Správné stanovení podkladů v etapě TgPV působí výrazně na ekonomiku produkce (v ovlivnění výše nákladů je TgPV hned za vlastním vyvojově-konstrukčním řešením výrobku). Musí být proto voleny nejvhodnější výrobní postupy, optimální volba výrobního zařízení, organizace práce a pracovišť, stanovení norem spotřeby materiálu a času. 4.1.1. Předběžná materiálová norma je souborem všech komponentů, které je nutno pořídit (zakoupit) a které při výrobě vstupují do daného výrobku. Sestavuje se z konstrukční dokumentace a je podkladem pro zajištění dodávek u dodavatelů a pro stanovení tzv. materiálových nákladů výrobku.

12


4.1.2. Technologické postupy vycházejí z technologických postupů zhotovení jednotlivých dílů až po technologické postupy kompletace celého výrobku vč. operací nastavení a testování. Např. na úrovni dílu se stanovuje výchozí rozměr materiálu, pořadí výrobních operací, použité nářadí, stroje, zařízení, pracoviště. Podobně se stanovují postupy montáží, nastavení, kontrol. Podle potřeby zadává technolog úpravy či pořízení potřebných technických zařízení a programového vybavení pro technologické a řídící procesy. 4.1.3. Normy času stanovují nutnou míru pracovního času k vykonání určité operace (dle technologického postupu). Jejich objektivní stanovení provádí technologové-normovači, a to technickým propočtem z údajů v technologickém postupu, využitím normativů nebo měřením (tzv. snímkem pracovního času). Poznámka Vypracované technologické postupy s normami času jsou základním podkladem pro plánování výroby - kapacitní a ekonomické propočty, harmonogramy výroby, atd. 4.1.4. Konstrukce a výroba účelového nářadí (prostředků) patří mezi nákladově náročné položky, proto se s požadavky technologa na konstrukci a výrobu nářadí prověřuje možnost využití modifikovaného standardniho nářadí, typizovaných prvků, apod. Jeho výroba, úprava, či nákup se uskutečňuje v termínech dle harmonogramu technologické přípravy výroby tak, aby jeho konečné ověření proběhlo při výrobě ověřovací série. 4.1.5. Konstrukce a výroba měřících (testovacích, zkušebních) zařízení je "elektrickým" ekvivalentem konstrukce a výroby nářadí pro zhotovení mechanických částí výrobku (tj. pro výrobu elektrických bloků, sestav a finálního výrobku). Technolog určuje technologický postup elektrického nastavení, kontrolní a testovací operace a určuje potřebná zařízení. Podle ekonomických kriterií volí stávající nebo nákup nové měřící techniky, či zadává konstrukci a zhotovení účelových přípravků a zařízení. 4.1.6. Příprava SW. Příprava programových prostředků technologického procesu závisí na technologickém vybavení a vnitřní organizaci firmy. Zajišťuje se pořízení či úprava SW pro jednotlivé programově řízené technické prostředky, příp. pro ucelené výrobní linky až po přípravu dat pro úplné výrobní systémy. Poznámka: Úplné výrobní systémy bývají organickou součástí systému technickoekonomického řízení celé firmy. Jednotlivé relativně procesně autonomní subsystémy jsou pak propojovány pomocí on-line datových sítí. Např. subsystém materiálového hospodaření může automatizovaně zabezpečovat po zavedení souboru výrobních podkladů výrobku a příkazu k jeho výrobě - vystavení objednávek pro dodavatele vč. optimalizace rozložení dodávek - evidenci dodávek, vč. propojení na subsystém ekonomiky (ceny, platby) - evidenci pohybu materiálu a dispozice k jeho přesunu na výrobní pracoviště v potřebném složení, množství a čase Např. subsystém řízení výroby zajišťuje - optimalizaci výrobního plánu (termíny, průchodnost, náklady) - vlastní řízení výrobního procesu - dispozice k průchodu přes jednotlivé technologické operace, evidence, provázanost se subsystémem ekonomiky (výrobní náklady, mzdy,...) SW těchto systémů je produktem specializovaných firem. V procesu technologické přípravy výroby hlavní náplň činností spočívá v přípravě dat předepsaným způsobem. Po kontrolním aktu (4.1.7) je rozhodnuto o výrobě ověřovací série. 4.2 Ověřovací série (OS) má za cíl prověření konstrukční dokumentace, technologických postupů, sledu a náplně jednotlivých operací, ověření nasazené techniky a programového vybavení, postupů elektrického nastavení, kontrolních a testovacích operací a norem času na výrobních pracovištích, včetně ověření předpokládaných ekonomických parametrů produkce. V průběhu mechanické výroby (4.2.1), montáže (4.2.2) a elektrického nastavení a testování (4.2.3) se vede evidence připomínek - optimalizují se technologické postupy, provádí se


13

operativní úpravy konstrukční a technologické dokumentace, nářadí, měřícího zařízení, technických a programových prostředků. O průběhu OS se vypracuje technická zpráva (4.2.4), provede se řádná úprava výrobní dokumentace (4.2.5) a definitivní úpravy nářadí a měřícího zařízení (4.2.6). Podle průběhu a výsledku OS a z posouzení připravenosti pro zahájení sériové výroby se rozhodne o uvolnění do opakované (sériové) výroby (4.2.7). Tím byl ukončen celý proces technické přípravy výroby v širším slova smyslu. V praxi úspěšných firem se ukazuje, že účinnou metodou rychlých inovací je vytvoření podmínek, kdy schopný řešitelský vývojový tým neuzavírá svou činnost ukončením etapy "vývoj", ale aktivně řídí proces přípravy výroby až po zahájení opakované výroby. Vybrané metody a zásady výzkumně vývojových prací a) Plánování práce. Termínová a obsahová náplň úkolu se rozplánovává až na úroveň jednotlivých řešitelů. Formulace úkolů musí být jednoznačná, zadání písemné. b) Studium a shromažďování informací. Základními zdroji informací jsou: - patentové a literární rešerše, - odborné časopisy a knižní publikace, - konference, semináře a sborníky z nich, - výrobní dokumentace výrobků vlastní produkce, - obchodně technická a uživatelská dokumentace výrobků jiných výrobců, - katalogy, aplikační návody a doporučení výrobců a dodavatelů součástek, dílů nebo funkčních bloků, - odborné konzultace. Doporučuje se, aby si pracovník vedl vlastní kartotéku (lístkový systém - s uvedením tématu, krátkého popisu, autora, pramene). Podrobnější informace nalezneme např. v knihách Jiřího Tomana. c) Vedení pracovní dokumentace. Propracování vlastního systému vedení pracovní dokumentace je účinnou metodou pro dosažení potřebné efektivity práce. Pečlivé vedení pracovních poznámek, teoretických výpočtů, výsledků experimentů, atd. formou pracovního deníku urychluje vlastní řešení a usnadňuje vypracování konstrukční, uživatelské a servisní dokumentace výrobku. d) Ekonomika výrobku. Zahraniční prameny uvádějí, že podíl vývoje a konstrukce na výrobních nákladech výrobku činí typicky 70%. Znalost cenových relací použitých prvků a schopnost kvalifikovaného odhadu pracnosti (např. analogií se srovnatelnými výrobky) je jedním ze základních požadavků na vývojového pracovníka, příp. konstruktéra. Typickým trendem snižování výrobních nákladů je odstraňování podílu lidské práce - eliminací dostavovacích operací, optimalizací obvodového řešení toleranční analýzou, automatizací kontrolních a kalibračních prací apod. e) Kvalita výrobku. Ovlivnění kvality výrobku ve fázi vývoje je podobné jako v d) a je dané zejména - výběrem a dimenzováním použitých prvků, - volbou obvodového řešení, - konstrukcí (technologičností) výrobku, - metodami kontrol testování, - použitím dynamického namáhání, resp. zahořování (stress screening). Mezi základní postupy patří teoretické výpočty spolehlivosti (střední doby bezporuchového chodu) výrobku, provádění typových zkoušek v jednotlivých vývojových etapách, praktické provádění zkoušek spolehlivosti na skupině výrobků a komplexní metrologické zajištění produkce. Poznámka: Předmětem typové zkoušky jsou mimo jiné zkoušky mechanické (rázy, chvění), zkoušky klimatické odolnosti, kontrola parametrů na hranicích pracovních podmínek

14


(v okrajových teplotách, při mezních napájecích napětích ap.). Provádí se i interní zkoušky bezpečnosti, odrušení, kontroly správnosti a úplnosti dokumentace. Nejvyšším stupněm je zavedení úplného systému zajištění jakosti organizaci na úrovni certifikace (dle ISO řady 9000) - viz kapitola Řízení jakosti. f) Užitné vlastnosti výrobku rozhodují spolu s cenou (d) a kvalitou (e) o úspěšnosti výrobku na trhu. Technické zadání nemůže plně postihnout všechny "prvky" úspěšnosti. Pro dosažení co největší úrovně užitných vlastností je předpokladem především hluboká znalost potřeb uživatele a stavu techniky - zejména znalost konkurenčních výrobků a vývojového trendu trhu. Kromě technických parametrů sem patří zejména vzhledové provedení vč. důsledného uplatňování zásad ergonomie - při volbě a rozložení ovládacích prvků a přípojových míst (design přístroje). g) Bezpečnostní požadavky musí vycházet ze splnění závazných předpisů a norem platných v zemi uživatele. Typickým trendem je mezinárodní sjednocování normativních požadavků, přičemž v oblasti technických vlastností mají charakter doporučení, kdežto v oblastech bezpečnosti a ekologie jsou závazné. Jejich znalost je základním předpokladem pro úspěšné prosazení na zahraničních trzích. Při konstrukci výrobků, zejména síťových částí, je nutno počítat s použitím prvků, které jsou typovány u pověřených národních organizací - síťové přívody, pojistková pouzdra a vložky, síťové spínače apod. Úvodní kapitola měla za cíl objasnit souvislosti celého procesu vzniku nového výrobku v rozsahu potřebných znalostí jeho tvůrců. Je zřejmé, že hluboká a komplexní znalost problematiky nebude převážně soustředěna ve vědomostech jediného pracovníka, ale cíleně rozdělena na členy řešitelského kolektivu. Vznik a organizace práce tvůrčího týmu typického představitele technického rozvoje - je neméně složitým úkolem než vlastní vývoj a zavedení výroby nového produktu. Toto téma je již nad rámec této publikace, ale nemělo by být opominuto.

2.1

Dokumentace elektronických zařízení

Výsledky vývojových prací musí být dokumentovány tak, aby další pracoviště mohla výrobu připravit a aby nová zařízení mohla být vyrobena, vyzkoušena a uvedena do provozu. K tomuto cíli slouží výrobní a uživatelská dokumentace. Tato dokumentace má části prováděcí, definující výrobní proces, a části vysvětlující, které umožňují pochopení činnosti zařízení při výrobě, provozu i údržbě. Dokumentace bývá značně obsáhlá (zvl. u velkých elektronických zařízení), obsahuje tyto části: 1. Konstrukční dokumentace: - výrobní výkresy a rozpisky sestav, podsestav a polotovarů včetně dokumentů pro výrobu desek plošných spojů, - výrobní dokumentace vnitřních propojovacích kabeláží, ev. zadních panelů, - výkresy pro zhotovení vnějších připojovacích kabeláží, - dokumentace pro balení, - dokumentace definující kompletaci dodávky a její příslušenství. 2. Elektrická dokumentace: - funkční, principiální a obvodová schémata, - zkušební a různé další předpisy pro celek, díly, desky a kabeláže, - elektrické rozpisky, - tabulky a slovníky signálů, - funkční a časové diagramy.


15

3. Uživatelská a obchodně-technická dokumentace (stručně: Průvodní dokumentace): - technický popis, - návod k použití (návod k obsluze), - servisní dokumentace, - předpis pro instalaci - katalogový list. Vytvoření této dokumentace a její udržování ve stavu odpovídajícím měnícím se podmínkám výrobního procesu i vzrůstající technické úrovni, představuje značný podíl objemu vývojových prací. Některé činnosti při vytváření této dokumentace mají opakující se charakter a jsou proto vhodné pro počítačové zpracování. Zvláštní pozornost se musí věnovat uživatelské a obchodně-technické dokumentaci, jejichž zpracování po obsahové stránce náleží tvůrci zařízení. Při zpracování dokumentace musí být uplatněna zásada plné konkurenceschopnosti dokumentace v - obsahové náplni - správná a úplná specifikace parametrů, perfektní textové (slohové) zpracování i v cizím jazyce (prioritně angličtina a němčina), - grafické úpravě a kvalitě tisku. Podrobněji si nyní všimněme návodu k použití, jehož úroveň u domácích výrobců je obecně nedostačující až špatná. Forma a obsah návodu nemohou být vždy stejné. Měly by však záviset více na potenciálním uživateli výrobku a jeho vztahu k němu než na typu zařízení. Složitost zařízení bude podmiňovat jen rozsah návodu. Z tohoto hlediska můžeme dokumentaci k výrobku rozdělit do čtyř kategorií: A. návod k obsluze spotřební elektroniky pro laického uživatele; B. návod k obsluze laboratorní a speciální elektroniky pro odborné pracovníky neelektronické (např. lékařská elektronika, mikropočítače); C. návod ke speciálním využitím laboratorní a průmyslové elektroniky pro pracovníky erudované v elektronice (např. přístrojové stavebnice); Je třeba pouze zdůraznit, že z hlediska uživatele obvykle návod k obsluze velmi znehodnocuje, jestliže je prolnut detailními konstrukčními popisy obvodů, mezi kterými je nutno vlastní obsluhu zařízení složitě hledat. Technický popis je třeba uvádět samostatně. Bez ohledu na typ (A až C) by měl každý návod obsahovat tyto složky: 1. Úvodní list (jméno nebo ochranná značka výrobce, název, typové označení a výrobní číslo přístroje), 2. Úvodní údaje 2.1 Obsah, tj. seznam kapitol a odstavců s odkazy na strany. 2.2 Abecední rejstřík hlavních termínů a klíčových slov s odkazy na strany. 2.3 Výčet příslušenství dodaného se zařízením. 2.4 Základní technická data. Všechny tyto informace je nejvhodnější uvádět na začátku návodu, kde se nejsnadněji při časté potřebě vyhledávají. Jako by dnes neměla být vydána jakákoliv odborná kniha bez věcného rejstříku, tak by měl být rejstřík i součástí každého rozsáhlejšího návodu k obsluze. Je totiž nutno si uvědomit, že návod se obvykle systematicky studuje jen jednou, zato velmi často je využíván pro vyhledání určité konkrétní informace.

16


Bod 2.4 obsahuje popis vlastností zařízení, zejména zaručované údaje o technických vlastnostech zařízení, chybách a třídách přesnosti, vlivech vnějšího prostředí, referenčních a pracovních podmínkách. 3. Princip a použití zařízení 3.1 Účel zařízení a rozsah jeho použití (druhy měření, rozsahy měřených hodnot, provozní podmínky zařízení, příklady a schémata měřicích obvodů). 3.2 Teorie funkce nebo metody využití. 3.3 Principiální popis, blokové schéma. Bod 3.2 nebude samozřejmě většinou nutný u návodů typu A, zato by neměl nikdy chybět u dalších dvou typů. V případě, že zařízení umožňuje více funkčních režimů, ke kterým je účelné uvádět příslušnou teorii (např. návod k měřiči impedancí), bude tento bod obsažen i v odstavci 6. 4. Přehled ovládacích prvků a přípojných míst se stručnou charakteristikou jejich funkce Tento přehled sice částečně supluje popisy uvedené v odstavcích 5. a 6., ale u složitějších zařízení je nezbytný pro rychlé ovládnutí obsluhy a pro usnadnění dodatečného ověřování její správnosti. Může být řešen formou tabulky a uspořádán nejlépe podle čísel označujících jednotlivé prvky v obrázcích (viz dále). 5. Uvedení do chodu 5.1 Podmínky instalace, zapojení, požadavky na napájecí zdroje. 5.2 Příprava pro činnost, kontrola výchozích nastavení. 5.3 Zapnutí, principiální kontrola správnosti funkce. 6. Obsluha pro jednotlivé funkční režimy Popisy v odstavcích 4. až 6. se musí odvolávat na obrázky zařízení (fotografie, schematické kresby) s označenými ovládacími a přípojnými prvky, nejlépe čísly. Pokud jsou funkce zařízení a s tím spojená obsluha značně složité, je výhodné jejich pochopení usnadnit pomocí vývojových diagramů. Vzhledem k tomu, obrázky budou využívány vícekrát v různých místech návodu, je možno je umístit na záložce tužšího obalu návodu tak, aby po vyklopení byl obrázek trvale po straně všech stran textu. Sled dílčích úkonů obsluhy je účelné popisovat v postupně číslovaných bodech, neboť se tak nejspolehlivěji zajistí jejich dodržení. (I v návodech typu B a C: snad se ani nejkvalifikovanějšího pracovníka nedotkne, když obdrží pokyny ve formě "proveď za prvé, za druhé, za třetí...). Pokud je funkčních režimů velmi mnoho (např. analogový počítač), musí být u jejich popisů zajištěno logické a přehledné rozdělení a jednotná struktura textů. Patrně nejpřehlednější je důsledně dodržovat označování všech kapitol, odstavců a bodů desetinnými čísly. 7. Závěrečné informace 7.1 Pokyny pro bezpečnost obsluhy a provozu. 7.2 Údržba. 7.3 Přehled běžných funkčních závad zaviněných obsluhou nebo vnějšími vlivy a jejich odstranění. 7.4 Seznam dalších možných doplňků zařízení s objednacími čísly. 7.5 Záruční podmínky (pokud se liší od běžných), adresy servisních míst. 7.6 Podmínky pro skladování.


17

Po formální stránce je nezbytnou podmínkou návodu jeho přehlednost. Zahraniční výrobci se často snaží jí dosahovat mezi jiným též nejrůznějšími typy tisku, včetně barevného. V tomto srovnání těžko obstojí forma návodů s textem psaným na psacím stroji (byť elektronickém) či zpracovaným běžným textovým procesorem a vytištěným 9ti jehličkovou tiskárnou.. Nepřehledný však může být i tištěný text, pokud nejsou využity možnosti, které tisk poskytuje, a též vinou nemístného šetření papírem. Nový přístroj je uživatele obvykle více či méně "černou" skříňkou. Jistě není žádoucí, aby k jeho poznávání musel používat kybernetických metod identifikace, spočívajících např. v hledání vztahů mezi podněty a reakcemi a vytváření hypotéz o jeho vnitřní struktuře. Bez kvalitního návodu k obsluze však vlastně k podobnému postupu často dochází (točí se náhodně knoflíky a zjišťuje se, co to udělá), což nepochybně nepřispívá hodnotnému využití přístroje nebo jej dokonce ohrožuje. Na druhé straně špatná kvalita návodů spolu i další vlivy vedly k formulaci tzv. Cahnova axiomu: "Selže-li všechno, přečti návod" (je z kategorie Murphyho zákonů). Úměrně platí výše uvedené i pro dokumentaci počítačových programů.

2.2 Ekonomický význam elektronického průmyslu Aplikace elektroniky a mikroelektroniky v elektronických výrobcích v "neelektronických oborech", působí dvojím směrem - inovačním efektem (nové generace výrobků) - racionalizačním efektem (změna výrobních prostředků a technologických procesů, tj. nový způsob výroby a další tím vynucené změny) Moderní elektronika umožňuje realizaci dosud obtížně řešitelných nebo vůbec neřešitelných požadavků uživatelů. Také pracnost se přesouvá od výrobců elektronických přístrojů a zařízení k výrobcům součástek (integrovaných obvodů). Výrobci elektronických přístrojů a zařízení se potom orientují na systémové řešení. Racionalizační a inovační dopady nasazování IO velké integrace nepůsobí ve stejných dimenzích jako běžné činitele hospodářského rozvoje, poněvadž v řadě případů dochází k tak zásadnímu zvýšení užitné hodnoty výrobků, že vzniká dodatečná poptávka, která přesahuje řádově potřebu původního výrobku, v jiných případech dochází na základě pronikavé generační inovace k výrobě a nabídce zcela nových výrobků (jako příklad je možné uvést digitální hodinky a kapesní kalkulátor nebo osobní počítač). Důsledky mikroelektronických inovací pro podniky a pro trh Průběžným snižováním cen zařízení (relativním, někdy i absolutním) a rychlým inovačním cyklem se urychluje proces morálního opotřebení výrobních prostředků a vytváří se značný tlak na přezbrojení výrobních kapacit, ke kterému dochází v cyklech determinovaných ve značné míře inovačním cyklem integrovaných obvodů. Na jedné straně vzrůstá užitná hodnota výrobků a na druhé straně klesá jejich hodnota - to vyvolává zvýšenou poptávku u spotřebitelů a tlak na rozšiřování výroby. Tím se na různé výroby přenáší trend vznikající ve výrobě integrovaných obvodů a vzrůstá současně význam mikroelektroniky jako stimulátoru rozvoje průmyslu a celého hospodářství státu. Důsledky mikroelektronických inovací na výrobní program podniků: - snižuje se podíl vlastní výroby na finálním výrobku - zvyšuje se závislost na kooperacích

18


- v hodnotě finálního výrobku se zvyšuje podíl nehmotných dodávek (software) - snižuje se stabilita výrobních programů Další důsledky pro neelektrotechnické podniky: Snižuje se význam výrobní tradice. O generační úrovni a funkci výrobku včetně jeho spolehlivosti rozhoduje elektronika a programové vybavení (software) - tedy netradiční kooperace a netradiční profese. To usnadňuje přístup na trh netradičním výrobcům, což vede k obohacení nabídky na trhu. Inovace využívající výpočetní techniku, vyžadují změny celkové funkční kvality výrobku. Nahrazení dosavadní řídicí části mikroelektronickým systémem při zachování dosavadní užitné hodnoty je neperspektivní. Důsledky mikroelektronických inovací pro řízení podniku Zrychlený inovační rytmus a vyšší závislost podniku na vlivy z vnějšího prostředí vyvolávají nutnost změn ve stylu řízení a podnikání vč. plánování výrobního programu a zabezpečování výrobního procesu. Řízení podniku přechází od zajišťování produkce, produktivity práce a nákladů v globálu na vyhledávání a stanovení koncepce a odbytové strategie jednotlivých inovovaných výrobků. Předmětem výrobkového plánování je cena, termín dodávek na trh, užitná hodnota, spolehlivost a vnější vzhled. V organizační struktuře podniků se vytvářejí předpoklady pro technické řízení výrobkových projektů. Útvary, které jsou řízením projektu pověřeny, jsou vybaveny i příslušnými kompetencemi. U pracovníků větší význam než dlouholeté zkušenosti v oboru má tvůrčí přístup, důležitá je schopnost týmové spolupráce. Plynule probíhá doškolování a přeškolování pracovníků na všech úrovních. Zcela novou problematikou je testování složitých přístrojů a zařízení. U finálních výrobců těžiště testování leží na vstupní kontrole, protože platí, že náklady na testování a opravy vadných dílů na úrovni: součástka - plošný spoj - zařízení = 1:10:100. Zvláštní pozornost je nutno věnovat financování. Prodejní ceny relativně klesají. Pokud má být udržena obvyklá míra zisku, je nutno zvyšovat objem výroby. K tomu je nutno zabezpečit dodatečné finanční zdroje, a to buď dalšími úvěry nebo postupně dochází ke koncentraci kapacit (převzetí finančně silnými podniky).

Obr. 3.2. Charakteristika japonských firem zabývajících se výrobou a prodejem elektrotechnických výrobků z hlediska počtu zaměstnanců.


19

Některé důležité pojmy: 1. Leasing. Je to úvěrový pronájem strojů, přístrojů, zařízení i budov. Ve světě je podíl leasing na celkové hodnotě investic do strojů a zařízení kolem 20%. Výhoda: Nejsou odpisy, ale nájemné (vyšší než odpisy), hradí se z nákladů, ne ze zisku (jako když si vypůjčíme peníze z banky). 2. Joint venture. Je to rizikové společenství (podnikání), jako to odpovídá přibližnému překladu "sdružené riziko". Do "podnikatelské" češtiny se překládá jako "společnost se zahraniční účastí" nebo "smíšená společnost". 3. Logistika. Je to průřezová vědní a technická disciplína zabývající se optimalizací materiálových, finančních a informačních toků ve složitých systémech. Logistika se zabývá dopravou, obchodem, manipulací s materiálem, skladováním, financováním a všemi doprovodnými informačními toky. Původně byla rozpracována pro zásobování armády. V elektronickém průmyslu je základem logistiky metoda JIT ("just-in-time") - způsob přísunu materiálu v přesně termínovaných dodávkách, vytvářející materiálový tok synchronizovaný s potřebami dílčích operací a především finální montáže. Tím se výrazně redukují výrobní zásoby. Dalším problémem logistiky je organizace podniků, nové struktury mají delegovanou pravomoc i odpovědnost na nižší složky.

2.3 Výroba programového vybavení (software) Výroba (užívá se spíše termínu tvorba) programového vybavení (software) se stala v posledních asi deseti letech průmyslovou činností a programové vybavení zbožím. Hlavní cíl vývoje software: vytvoření takového produktu, který by byl dobře prodejný a přinesl zisk. Aby software obstál na trhu, musí mít dostatečnou kvalitu a být na trhu včas. Při tvorbě software se uplatňují "průmyslové" postupy, což je předmětem oboru "softwarové inženýrství". Poznámka: "Výrobní" činnost je u software totožná s tím, co se u klasických výrobků nazývá vývojem. Vlastní výroba, tj. vytváření kopií není problémem.

20

3

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně METODIKA NÁVRHU INŽENÝRSTVÍ.

ELEKTRONICKÝCH

ZAŘÍZENÍ.

SYSTÉMOVÉ

V první kapitole jsme nastínili postup jednotlivých etap technické přípravy výroby: zadání - výzkum - vývoj - funkční vzorek - vývojový vzorek - prototyp - ověřovací série - sériová výroba (tj. z hlediska organizačního a časového). V této kapitole pojednáme o postupu prací v jednotlivých etapách (především v etapě vývoje) z hlediska věcného, tj. jako metodiku návrhu. Chceme-li formulovat metodiku návrhu elektronických zařízení, je nejprve třeba sledovat systémový aspekt elektronických výrobků. Již bylo uvedeno, elektronické zařízení můžeme obvykle charakterizovat jako systém složený z řady funkčních prvků (subsystémů) spojených definovanými vztahy. Navíc přistupují vztahy k okolí (žádoucí i nežádoucí). Proto také práce spojená s vývojem a přípravou nového výrobku musí mít systémový charakter, tj. musí být účelně řízena a organizačně rozdělena podle struktury a vzájemné závislosti dílčích problémů, které je třeba řešit. Elektronická zařízení, mezi něž patří několik tisíc druhů výrobků sloužících přenosu a zpracování informací, k účelu měřícím a řídícím, k účelu dopravním, lékařským nebo k účelům kulturním a zábavním, jsou vesměs zařízení relativně složitá, složená z řady funkčních systémů a obsahující stovky až desetitisíce součástek. Situaci ještě komplikuje hledisko prostorové: můžeme konstatovat, že v praxi se setkáváme se třemi typy elektronických zařízení. První typ tvoří prostorově rozlehlá zařízení (rozlehlé systémy, dálkové systémy), jejichž podsystémy jsou navzájem geograficky vzdálené. Jde např. o telekomunikační zařízení, zařízení pro sběr a zpracování dat, systém protivzdušné obrany státu apod. Druhým typem jsou lokální zařízení (lokální systémy), jejichž podsystémy jsou umístěny v rámci jednoho areálu, budovy či místnosti. Jsou to např. výpočetní centra, informační systémy podniků, dispečerská centra, měřicí a řídicí zařízení pro experimenty v atomové fyzice apod. Třetím typem jsou elektronická zařízení přístrojového typu, která jsou realizována jako kompaktní celky. Jsou to např. přístroje spotřební elektroniky, měřící přístroje, osobní počítače aj. V tomto textu se zaměřujeme právě na návrh elektronických zařízení přístrojového typu. Je ovšem zřejmé, že zařízení zbývajících dvou typů zahrnují tyto přístroje jako své podsystémy a při návrhu se navíc musí mnoho pozornosti věnovat systémovému aspektu celého zařízení. Konkrétně uveďme, že většina elektronických zařízení (přístrojového typu) obsahuje následující systémové struktury vzájemně provázané a závislé: - hlavní systém elektronických obvodů a funkčních dílů, zabezpečující požadovanou funkci výrobku (výkon, citlivost, jakostní parametry přenosu, apod.) - systém elektrických spojů, vedení, kontaktů apod, podmiňující funkci výrobku a ovlivňující podstatně spolehlivost výrobku a výrobní náklady, - systém mechanických nosných dílů a ochranných krytů, ovlivňující prostorové řešení výrobku, mechanickou odolnost a výrobní náklady, - systém zabezpečovacích a ochranných prvků, vytvářející podmínky pro nerušenou činnost zařízení, tj. stínění, filtry, jističe, pojistky apod., ovlivňující spolehlivost provozu a zajišťující bezpečnost obsluhy i zařízení, - systém ovládacích a signalizačních prvků, zabezpečující komunikaci mezi zařízením a člověkem, který ovlivňuje podstatně spolehlivost a bezporuchovost provozu,


21

- systém chlazení, případně jiné tepelné funkce elektronického zařízení, který podstatně ovlivňuje spolehlivost a životnost zařízení. Vidíme tedy, že elektronické zařízení je ze systémového pohledu paralelně strukturováno. Obr.4.1. Elektronická zařízení nalezneme na souši, na moři, ve vzduchu i v kosmu Nabízí se ještě další (tentokrát hierarchická) strukturace zařízení: 1. Prvek (synonyma: součástka, komponent, člen, element, struktura - např. tranzistorová struktura v IO) 2. Funkční blok. Na elektrické úrovni je to elektronický obvod -účelné spojení několika prvků tak, aby celek plnil požadovanou funkci (angl. circuit, rus. cep). Synonyma: síť (network), okruh (kontur). 3. Zařízení (tj. výsledný celek). Synonyma: přístroj, systém, soustava. Z hlediska výrobního můžeme obvykle prvky a zařízení označovat jako výrobky. V následujících odstavcích se budeme zabývat metodikou návrhu hlavní části elektronického zařízení, tj. elektronických obvodů. To je úkolem vývojových inženýrů (vývojářů, návrhářů, konstruktérů elektrické části). Zbývající subsytémy navrhují konstruktéři - technologové. Je třeba poznamenat, že tímto způsobem technologové postatnou měrou ovlivňují jakost, spolehlivost, provozní vlastnosti i výrobní náklady nového výrobku. Navíc pak musí vytvořit systémovou koncepci potřebných výrobních procesů. Návrh elektronického subsystému (méně přesně můžeme říci přímo návrh elektronického zařízení - když zanedbáme další subsystémy) je také strukturován, probíhá jako několikaúrovňový hierarchický iterační proces. První fáze návrhu je dostatečně jasná specifikace požadavků na chování a další vlastnosti navrhovaného zařízení. Následuje návrh na systémové úrovni (systémový návrh neboli návrh architektury systému, kde se rozhoduje např. o tom, které z požadovaných funkcí bude vhodnější zajišťovat analogově a které digitálně či programově, jak bude systém rozdělen na subsystémy, jakým způsobem bude mezi subsystémy zajištěna vzájemná komunikace, vlastnosti rozhraní (impedanční úrovně, napěťové úrovně), požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu apod. Potom návrh pokračuje směrem "shora-dolů". Následuje bloková úroveň. Bloky mohou mít charakter obvodů analogových, digitálních nebo impulsních, mohou to být i různé převodníky apod. V případě čistě digitálních systémů (např. počítačů) se bloková úroveň označuje jako logická. Na obvodové neboli elektrické úrovni návrhu jsou chování a struktura jednotlivých bloků již převedeny do podoby elektrických obvodů. Jako proměnné jsou zde uvažovány reálné elektrické veličiny (na vyšších úrovních to bývají signály bez uvažování reálného elektrického nositele). Konstrukční úroveň návrhu se již týká konkrétního provedení desek plošných spojů, kabeláží a příp. zakázkových integrovaných obvodů. U složitých systémů systémů můžeme mezi úrovněmi systémovou a blokovou rozeznat úroveň subsystémovou, což reprezentuje skutečnost, že systém může sestávat ze subsystémů.

22


Jednotlivé úrovně (systémová - (subsystémová) - bloková - elektrická - konstrukční) na sebe hierarchicky navazují. Práce vývojáře spočívá v "přechodu" od systémové úrovně na úroveň konstrukční. Tento postup není přímočarý, ale má řadu smyček, kde se nevyhovující část návrhu musí přepracovat (jde tedy o iterační proces, jak je uvedeno výše). Je zřejmé, že nejvíce požadavků musí návrhář respektovat v etapě vývoje. Řešení v této etapě tedy bude metodicky nejsložitější, poněvadž úkoly zde budou mít několik stupňů volnosti nebo naopak budou přeurčené a bude nutno řešit rozpory mezi jednotlivými dílčími požadavky. V současné době jsou při návrhu používány počítačové metody. Různé typy programů (a potřebné technické prostředky) jsou vydatnými pomocníky návrháře a osvobozují jej především od rutinní práce. Dobře jsou zvládnuty programy pro analýzu a optimalizaci na elektrické úrovni (např. PSpice, CIA, SIC) a na konstrukční úrovni (pro návrh desek plošných spojů). Na blokové úrovni jsou k dispozici programy pro návrh digitálních obvodů. Další činnosti musí vykonávat člověk; jde především o rozhodování. Počítačové metody se označují zkratkou CAD (Computer Aided Design). Postupným vývojem vznikla řada dílčích počítačem podporovaných disciplín. Obvykle je označujeme zkratkami začínajícími písmeny CA (Computer Aided nebo také Computer Assisted), za kterými následuje další písmeno (nebo písmena). Nejčastěji se vyskytují následující disciplíny a zkratky: CAD - původně systémy navrhování především elektronických obvodů za pomoci počítače (Computer Aided Design), - nyní převážně výklad užší Computer Aided Drafting (kreslení), tj. návrh na grafické úrovni - tedy to, co lze vyjádřit ve formě výkresu - někdy Computer Aided Dispatch (dispečink), CAE - Computer Aided Engineering, obsahem je podpora tvůrčí inženýrské práce, inženýrských výpočtů, analýz, ověřování platnosti návrhu; v oblasti návrhu integrovaných obvodů jde o systémový, logický a elektrický návrh obvodu včetně verifikace, - existuje i širší výklad této zkratky; podpora technické práce vůbec, paralela pojmu AIP a CIE, CAW - Computer Aided Writing (kreslení dokumentace a výrobních podkladů), CAM - Computer Aided Manufacturing (nebo Manufacture, výroba), CAP - Computer Aided Production (výroba), ale též Programming (programování) nebo Planning (plánování), CAQ - Computer Aided Quality assurance (potvrzování jakosti), CAR - Computer Aided Research (výzkum), ale též Retrieval (vyhledávání informací), CAT - Computer Aided Testing (testování), ale též Training (výcvik) nebo ...Translation (překlad). Často nacházíme také kombinace těchto zkratek, např. CAD/CAM, nebo tvary vytvořené ze čtyř písmen, např. CACA (Circuit Analysis), CADD (Design and Drafting), CAPP (Process Planing, tj. plánování postupů) nebo CASC (System Design, tj. vývoj či konstrukce systému). Jak z předchozího vyplývá, vznik uvedených pojmů (zejména zkratek), byl včetně jejich vnitřní náplně ve světě zcela živený a bez pokusu o systémové hierarchické členění. Vnitřní náplň zaváděných pojmů má často různou interpretaci. Objevují se ovšem snahy o hierarchickou systematizaci:


23

- pojem CIE (Computer Integrated Engineering), který shrnuje základní počítačově podporované činnosti do hierarchicky vyššího pojmu (CIE = CAE + CAD + CAT) a - pojem CIM (Computer Integrated Manufacturing, integrovaná počítači řízená výroba) shrnující všechny počítačově podporované systémy včetně systému automatizovaného řízení (ASŘ) do jednoho komplexu (z věcného hlediska je to integrovaný systém řízení výroby zahrnující celý komplex činností od návrhu a technologie výroby, technologické přípravy a plánování výroby, vlastní výroby, zkoušení a měření výrobku až po ev. servis u zákazníka), tj. CIM = CIE + CAM + ASŘ. Poznamenáme ještě, že v Československu byl již asi od roku 1970 jako paralela pojmu CAD zaveden pojem SAPR (Systémy Automatického PRojektování). Jako paralela k pojmu CIE se užívá pojem AIP (Automatizace Inženýrských Prací). Systémový přístup a systémové inženýrství. Potřeba systémovosti při řešení složitých úloh je dána jejich podstatou. Kromě vlastní technické úlohy se musíme vypořádat s aspekty ekonomickými, sociálními i ekologickými. Přitom ovšem nelze vydávat systémový přístup za jediný správný a všechny ostatní za příliš zjednodušující. Systémový přístup musí být uplatňován ve správných relacích k ostatním přístupům. Složité zkoumání prostého problému komplikuje řešení; přílišné zjednodušování může ovšem způsobit řadu nesnází v dalších etapách návrhu. Konkrétní řešení je vždy časově limitováno, volba adekvátního přístupu závisí proto na kvalifikaci a osobnosti řešitele. Volba přístupu musí proto odpovídat jak složitosti a chakteru problému, tak přípustné době řešení. Pokus o systematizaci jednotlivých přístupů k řešení problémů je v tabulce č. 1. Jako klasifikační hlediska byla zvolena: - po horizontální linii - způsob řešení, jmenovitě jeho úplnost, hloubka a postup; - po vertikální linii - stupeň objektivizace, ukazující, zda se jedná o přístup subjektivní, praktický či objektivní.

24

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Tab. 1.1. Systematizace různých přístupů k řešení problémů


25

Je třeba zdůaznit, že těžiště systémového inženýrství leží v metodologii a v koncepční práci (především ve vývojové fázi). Existence systémového inženýrství je vlastně reakcí na stále se prohlubující a diferencující specializaci. Proto se zabývá řešením vazeb mezi částmi, zajištěním interdisciplinárního přístupu a týmového způsobu práce. Systémové inženýrství chápeme jako metodologii návrhu (příp. též výstavby a provozu) složitých a vícenásobně členěných (strukturovaných) úkolů. Přesná náplň tohoto pojmu není ovšem ještě celosvětově ustálena, zejména nejsou dostatečně vymezeny jeho hranice vůči dílčím disciplínám, ale zásadní náplň je jasná: jde o nauku, která má umožnit účelné a efektivní řízení výzkumu a vývoje složitých systémů a zařízení pomocí analýzy strukturálních vztahů mezi prvky každého systému. Stručně lze říci, že systémové inženýrství je založené na těchto principech: - systémový přístup - alternativnost řešení - respektování časového hlediska (vč. požadavků modularity a adaptivity řešení) - respektování okolí, vč. elektromagnetické kompatibility a humanizace systému - ekonomická efektivnost systému. Zabývá se též zabudováním cílů do chování složitých celků. Systémové inženýrství tedy "řeší návrh celku na rozdíl od návrhu částí". Ve složitých systémech bude často dominovat velký počet interakcí, ale stejně často překvapuje hromadění individuálně významných činitelů, které má pak značný vliv na vlastnosti celku. Rozsáhlý systém s mnoha relativně přesnými částmi se ve výsledku může ukázat jako nepřesný s nesnadno zjistitelným zdrojem nepřesnosti. Systém z mnoha zdánlivě spolehlivých částí může jako celek být nespolehlivý. Systém obvykle zahrnuje mnoho nezbytných zpětnovazebních smyček. Jejich přítomnost také může vytvořit neočekávané jevy, které návrhář vůbec nezamýšlel nebo neuvažoval. Pojmy a metody systémového inženýrství mohou někdy působit jako samozřejmé a vyplývající z prostého zdravého rozumu. Jejich systematizace a formalizace má však výhodu v tom, že vytváří předpoklady pro vznik algoritmů pro jednotlivé dílčí úkoly a pro přechod k počítačovým metodám návrhu. V oblasti návrhu elektronických zařízení musí být nositelem systémové práce každý pracovník, který se na řešení podílí. U rozsáhlých projektů bývá vyčleněna speciální funkce systémových inženýrů. Např. se uvádí, že v USA byl program Apollo první nevojenský státní program, v němž byla uznána funkce systémového inženýrství jako podstatná.

3.1 Inovační procesy v elektronice Každý elektronický výrobek, každý jeho prvek i každý technologický proces se stane jednou zastaralý, a bude nahrazen novým a dokonalejším. Takové nahrazovací procesy (nazývají se inovace) probíhají v časových intervalech více-méně pravidelných a ekonomická věda zkoumá jejich průběh a závislosti. Jde o tzv. teorii inovací, která uvádí, že - inovace můžeme rozlišovat podle řádů, přičemž nejnižším řádem inovací jsou drobné změny materiálů a součástí beze změny celkové sestavy výrobku, vyšší řády zavádějí postupně hlubší a hlubší změny, nejvyšším řádem inovace je pak zavedení nové, dříve

26

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně neznámé třídy výrobků, užívající nově objevených fyzikálních jevů a plnící zcela nové společenské potřeby (např. laserový koagulátor nebo družicový navigační systém); - inovace se vzájemně podmiňují a stimulují, a to jak vertikálně (souvislosti mezi inovacemi v materiálech, v součástech a systémech), tak i horizontálně (inovace v materiálu vyvolá inovace ve výrobní technologii a ve výrobním zařízení) a mohou být pomocí těchto vztahů předvídány a řízeny; - primární inovace vznikají jednak aplikacemi nových objevů přírodních věd, jednak vlivem změn ve společenských potřebách, souvisejících se změnami životního stylu společnosti; - inovace nižších řádů jsou v elektronice velmi časté, s intervaly v řádu 1 roku, zatímco inovace zásadnější mají interval u většiny zařízení 5 až 8 let; - interval zásadnějších inovací určuje tzv. dobu životnosti výrobku.

Obr.4.2

Životní cyklus inovace

V souvislosti s inovačními procesy výrobků rozeznáváme tyto charakteristické časové údaje: - doba fyzické životnosti výrobku - je doba, po kterou je technicky možné udržet výrobek v uživání; u elektronických zařízení bývá 20 až 30 let, - doba ekonomické životnosti výrobku - je doba, po kterou je ekonomicky výhodné udržovat výrobek v užívání, tj. po kterou jsou úhrnné provozní náklady na jednotku výkonu (včetně umořovacích) u starého výrobku nižší než u výrobku nového; u elektronických zařízení bývá 5 až 8 let, - doba výrobní (též morální) životnosti výrobku - je doba, po kterou je možno vyrábět a prodávat určitý typ výrobku než se stane zastaralým (ve srovnání s jinými výrobci); u elektronických zařízení bývá 5 až 8 let, ale u některých však pouze 2 až 3 roky, - doba zpoždění nového výrobku - je doba uplynulá mezi prvním uvedením ekvivalentního typu výrobku na světový trh a objevením se podobného nového výrobku u jiného výrobce (např. v předlistopadové ČSSR bývala 3 až 8 let). Bariéry při zavádění inovací. Při zavádění inovací (tj. např. i zcela nového výrobku) se setkáváme s mnoha překážkami, které se staví mezi nápad, jeho rozpracování a realizaci výrobku. Jde o tyto bariéry: 1. Motivační bariéra. V podstatě jde o nedostatek vůle prosazovat tvůrčí myšlenku. Realizace každé tvůrčí myšlenky totiž vyžaduje od svého původce vynaložení námahy, času, finančních prostředků a je obvykle spojena s mnoha riziky. 2. Komunikační bariéra. V podstatě jde o schopnost (resp. neschopnost) sdělit tvůrčí myšlenku. Obvykle je někoho (např. vedoucího oddělení) potřeba přesvědčit o reálnosti a užitečnosti projektu. V první fázi může jít také o získání tzv. grantu.


27

3. Ekonomická bariéra. Jde o schopnost (resp. neschopnost) stanovit nutné, ale postačující náklady a termín realizace projektu. Realizace každého tvůrčího nápadu vyžaduje určité množství energie, která je směnitelná za hmotné (obvykle peněžní) prostředky. Realizací projektu (nápadu) se získá (nebo má získat) určitá výhoda, materiální nebo ideální, obvykle vyjádřitelná v peněžních jednotkách. Aby realizace projektu byla společensky prospěšná, musí být zisk z realizace větší, než je součet nákladů na realizaci vynaložených. Tato zákonitost je jasná a jednoznačná, ale méně jasné je, jak předem stanovit potřebný objem prostředků, nutných pro realizaci projektu.

Práce při projektování jsou dvojího druhu: tvůrčí a netvůrčí. Při plánování týmové práce je vhodné vycházet z netvůrčí části práce. Tvůrčí část se pak stanoví jako určitý násobek doby potřebné pro netvůrčí práci. Objem netvůrčí práce se stanoví relativně snadněji podle objemu práce na obdobných projektech porovnatelného rozsahu, realizovaných v minulosti. Například dobu potřebnou pro napsání pojednání, knihy nebo zprávy lze stanovit jako určitý násobek doby potřebné pro strojopis předpokládaného počtu stránek. Doba potřebná pro konstrukci určitého strojního zařízení bývá určitým násobkem doby potřebné k nakreslení předpokládaného počtu konstrukčních výkresů. Dobu potřebnou pro sestavení určitého programu (např. pro počítač) je možno sestavit jako násobek doby, kterou vyžaduje zápis předpokládaného počtu řádek zvoleného programovacího jazyka. Zde např. P.Bruks ("Datamation", 20, 1974, č. 12, s. 45-52) uvádí pro přípravu programů pro počítač toto složení potřebné pracovní doby: 200% pro přípravu, 100% pro zápis programu (část kvantitativně postižitelná), 150% pro kontrolu dílčích částí, 150% pro kontrolu programu jako celku. Častou příčinou zpožďování projektů je zcela nereálný předpoklad stoprocentního využití pracovní doby. I pracovníci s velmi vysokou pracovní morálkou mohou využít za příznivých okolností jen 50% pracovní doby a zcela výjimečně až 70% pracovní doby. Kromě vlastní práce na právě realizovaném projektu musí obvykle pracovat na doplnění již ukončených projektů, na přípravě budoucích projektů, zúčastnit se porad a schůzí, musí zařizovat svoje osobní záležitosti, jsou někdy nemocní nebo jsou přechodně indisponováni. Pokud není plán stanoven dostatečně bohatě a jsou-li náklady odhadnuty příliš nízko, dochází nutně ke ztrátám; výsledné výdaje pak bývají mnohonásobně větší, než by byly správně stanovené nutné, ale také postačující náklady na realizaci projektu. Neplnění plánovaných termínů realizace vede často ke ztrátám, připravené prostředky, stroje a

28

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně materiál určený k realizaci projektu zůstanou nevyužity. Vzniklé ztráty jsou obvykle mnohonásobkem "úspor", kterých bylo dosaženo nedostatečnou dotací projektu. Přirozeným průvodním jevem plánování realizace každého projektu je optimismus tvůrce, podcenění možných překážek a přecenění očekávaných výhod realizace. Tvůrčí optimismus je přirozený - bez něho by se neuskutečnila většina tvůrčích záměrů. Jen zcela výjimečně a shodou příznivých okolností bylo dosaženo realizace význačných projektů za náklady a za dobu, jak je předpokládal jejich tvůrce (tvůrcové) na začátku práce. Protože nedostatečná dotace projektů by se nakonec velmi prodražila, je nutné původně odhadnuté náklady a dobu projektu násobit vhodným koeficientem, který kompenzuje "tvůrčí" optimismus.

4. Časová bariéra. V podstatě jde o schopnost (ev. neschopnost) odhadnout a zajistit možnou a postačitelnou dobu realizace projektu. Objem práce na projektu se obvykle vyčísluje v pracovních hodinách (nověji i v "člověko-dnech, člověko-týdnech nebo člověko-rocích"). To dosti často svádí k předpokladu, že počet hodin potřebný pro realizaci je možno podělit počtem pracovníků, kteří jsou k dispozici, a získat tak průběžnou dobu projektu. A následně, je-li znám termín započetí práce na projektu, stanovit i termín jeho ukončení. To je však představa naivní a nereálná. Neplatí plně ani pro činnost reprodukční (viz. známou poučku: když 10 zedníků staví zeď ...), ale při činnosti tvůrčí je vztah mezi počtem pracovníků, objemem práce a průběžnou dobou projektu značně nelineární. Obecně platí, že nejmenší množství energie, tedy nejmenší počet pracovních hodin vyžaduje projekt, který může realizovat jeden člověk, jež je zároveň původcem tvůrčího záměru projektu. Tak tomu bývá u uměleckého díla. Při realizaci vědeckého nebo technického projektu je však nutná spolupráce týmu odborníků - specialistů. Je tomu tak z mnoha důvodů, ale především proto, realizace libovolného projektu je společensky užitečná, jen je-li uskutečněna v určitém termínu. Je to dáno především tím, že to přinese úspory proti dosavadnímu stavu, nebo protože existuje jiný, konkurenční projekt a realizace má společenský význam jen tehdy, dosáhne-li se prioritního řešení. Obvykle je možné více nebo méně přesně vyčíslit, jakých úspor se dosáhne, zkrátí-li se doba realizace. Zkrácení termínu je užitečné, jen když úspory dosažené ze zkrácení průběžné doby realizace jsou větší než náklady způsobené zkrácením realizace projektu. Obecně platí, že náklady rostou (mnohem) rychleji, než se zkracuje doba realizace. Vliv počtu pracovníků, daný především složitostí projektu, se projeví v účinnosti práce. Účinnost práce v závislosti na složitosti projektu byla studována podrobně při realizaci programů pro počítače. Literatura (Namus, B. - Farr, L.: Some cost contribution to largescale programs. AFIPS Proceedings, SICC 25, 1966, s. 239-248) uvádí, že doba potřebná k vytvoření programu vzrůstá přibližně podle vztahu t = (C.N)1,5, kde T je doba vytvoření programu, C je konstanta určující typ práce, N je počet instrukcí. Podle J. Arona od firmy IBM je schopen jeden pracovník produkovat ročně při jednoduchém programu (kdy pracuje na programu sám) 10 000 instrukcí, při středně složitém programu, kdy dochází ke spolupráci několika programátorů, asi 5 000 instrukcí, ale jen 1 500 instrukcí při realizaci velmi složitého programu, jako byl např. operační systém pro počítače IBM 360, kdy spolupracuje několik set programátorů.


29

Obvyklou chybou při plánování projektů je stanovení příliš malého počtu spolupracovníků, a teprve když dochází k prodlužování plánovaných termínů, jsou pro realizaci projektu nasazováni další pracovníci, kteří se musí začleňovat do práce "za pochodu". Potom pracovníci, kteří pracovali na projektu od počátku, musí část své kapacity věnovat na zaučování nových pracovníků a termíny se dále posouvají. Další chybou, častou při složitých a rozsáhlých projektech, je práce na částech projektu, které navazují na části dosud nevyřešené. To má za následek nutnost změn a výskyt chyb, které se často kumulují. Zásadou má být postupné provádění prací, jak na sebe navazují. Jen tak je zaručeno, že každá práce se dělá jen jednou. I při vynaložení neomezených prostředků nelze průběžnou dobu projektu zkracovat bez omezení. Naopak pro každý projekt existuje určitá minimální doba realizace; nasazení většího počtu pracovníků, než je nutné pro dosažení tohoto minima, způsobí naopak prodloužení průběžné doby nad minimální délku. Jen velmi málo projektů připouští časově neomezený termín. Ale některé projekty bývají realizovány dříve, než se pro jejich použití vytvoří ekonomické, technické nebo společenské podmínky (např. při zásadních změnách - jako např. uplatnění elektroniky ve zpracování dat apod. - dochází ve vývoji k jistému zvratu, až nové způsoby zvládne přibližně čtvrtina těch, jichž se změny týkají; teprve potom pochopí i ti ostatní, že nezbývá než se vžít do nových poměrů). 5. Bariéra směnnosti prostředků. V podstatě jde o schopnost (ev. neschopnost) získat za pohotové finanční prostředky potřebnou živou práci, materiál a výrobní prostředky. Jde o to, že zajištění finančních prostředků neznamená obvykle ještě zajištění realizace projektu. Zajištění směnitelnosti finančních prostředků vyžaduje organizační schopnosti a umění získávat lidi (a obvykle velkou dávku trpělivosti).

3.2

Concurrent engineering

V osmdesátých letech začaly velké firmy hledat nové metody vývoje svých výrobků. Vedla je k tomu rychlá inovace výrobních technologií, vzrůstající složitost výroby a také velikost vlastní organizace. V roce 1986 Institut pro obranné analýzy (Institute for Defense Analyses - IDA) publikoval zprávu (Report R-338: The Role of Concurrent Engineering in Weapons System Acquisition), kde byla následující definice: "a systematic approach to the integrated, concurrent design of products and their related processes, including manufacture and support. This approach is intended to cause the developers, from the outset, to consider all elements of the product life cycle from conception through disposal, including quality, cost, schedule, and user requirements." Tato definice je obecně přijímána. Bližší podrobnosti nalezneme v literatuře, např. SHINA, S.G.: Concurrent Engineering and Design for Manufacture of Electronics Products. New York, Van Nostrand Reinhold Book 1991, ISBN 0-442-00616-0 CARTER, D.E. - BAKER, B.C.: Concurrent Engineering. The Product Development Environment for the 1990s. Addison-Wesley, Reading (Mass.), 1992, ISBN 0-201-56349-5

30


4 ŘÍZENÍ JAKOSTI 4.1

Jakost v elektronice

Rozvoj elektronické výroby a vývoj trhu elektronických výrobků je úzce svázán s pojmem řízení jakosti. Elektronika jako jeden z oborů průmyslové (materiální) výroby prošla také historickými stadii sjednocování požadavků na výrobky až po dnešní stav, kdy požadavky na jakost v největším slova smyslu jsou klíčovou podmínkou prosazení na trhu. Pojmem jakost není v současnosti myšleno jen zajištění, aby výrobek splňoval udávané parametry a funkčnost po dobu jeho předpokládané životnosti, i když je to jeden z hlavních cílů. Zajištění jakosti je složitým procesem probíhajícím od formulace záměru na vznik nového výrobku (řada jeho parametrů a vlastností musí odpovídat určitým standardům - normám i zvyklostem daných stavem techniky), přes etapy jeho realizace, kdy se uplatňuje řízení jakosti zejména standardizací výrobních procesů, po dobu použití. Musí tedy být zajištěna jeho plná funkce až k jeho zániku např. předepsaným způsobem likvidace. Ve všech procesech se prolíná jakost s ekonomikou. Podobně jako v ekonomice její systémové uplatnění neznamená aplikaci uzavřeného okruhu znalostí, ale způsob myšlení. Hlavním znakem řízení kvality ve výrobním podniku je komplexnost - aby byly podchyceny vlivy působící na výrobní proces. Klíčovou roli ve volbě, zavedení a provozování systému řízení jakosti firmy sehrává její vrcholové vedení - management. Přes firemní specifika, např. rozdíly výrobce součástek a výrobce elektronických zařízení obecně platí a tedy i v elektronickém průmyslu - výstižný slogan firmy Volkswagen JAKOST JE VÝSLEDEK ŘÍZENÍ Současným trendem je uplatňování systémů řízení jakosti zasahujících do veškerých činností firmy, označených TQM (Total Quality Management).

4.2 Pojem standardizace Termín řízení napovídá, že jde o proces, u kterého musí působit zpětná vazba. Tedy i v procesu řízení jakosti nacházíme podobnost s fyzikálními či biologickými principy. Každá činnost vychází z určité úrovně poznatků, které se opakováním optimalizují a stávají se standardem (vzorem, normou) určité činnosti - princip nejen technického, ale i biologického vývoje. Elementární proces se v řízení kvality vždy opakuje (a řetězí) v návazných činnostech, na mikro i makro úrovni. Je-li cílem kvalitní a ekonomický výrobek, zpětné vazby se uzavírají až u uživatele - hlavním kritériem z hlediska podnikatelského subjektu je přitom zisk. Není-li zajištěna jakost veškerých činností,, nelze dosáhnout plného zisku, přičemž samozřejmě některé činnosti mohou mít vliv menší, některé zásadní.


31

Čtenář sám může posoudit vliv špatně provedeného marketingového průzkumu, vývoje, při kterém výrobek nedosáhne potřebných parametrů, použití nekvalitních, nespolehlivých součástek, vlivem špatné organizace příliš nákladné výroby, důsledek podpisu kontraktu s nevýhodně stanovenými cenami, vysoké náklady záručních oprav, neprodejnosti výrobku z důvodu nesplnění ekologických norem apod. Nejúčinnějším prostředkem pro dosažení nejlepších výsledků je na základě poznatků optimalizovat opakovaně prováděné činnosti vytvářet jejich vzor - standard. Zatímco vliv standardizace předmětové po stránce výhod přinášejících uživatelům je všeobecně znám - od historického stanovení jednotných uživatelských měr a vah, později např. záměnnosti dílů zbraní, až po dnešní kompatibilitu výrobků výpočetní techniky díky použití jednotných sběrnic - méně již je známo, že při řešení problému se až 60% času ztrácí hledáním vhodného algoritmu řešení. Je zřejmé, že existuje velká pestrost standardů a také jejich hierarchie - od prakticky celosvětové působnosti (fyzikální jednotky) až po např. technologický postup, předpisující určitou technologickou operaci ve výrobku na konkrétním stroji nebo vnitroútvarový formulář. Tomu i odpovídá jejich rozsah použití, závaznost - na úrovni regionu . např. u Evropské normy, nebo na úrovni firmy - vnitřní předpis, podniková norma. Standardizace je tedy nástrojem řízení jakosti. Protože jednotkou společnosti s legislativní pravomocí je stát, spadá na jeho území pod jeho pravomoci standardizace. Na této úrovni význam slova standardizace zahrnuje oblasti normalizace, metrologie a zkušebnictví včetně jejich institucí. Pozn.: v užším slova smyslu se používá pojmu standardizace pro označení normalizace (standardizace pochází z angličtiny, normalizace z francouzštiny). Státní správa v této oblasti vykonává v rozsahu ministerstva hospodářství České republiky, Úřad pro normalizaci, metrologii a zkušebnictví. K tvorbě, vydávání a distribuci technických norem je zřízen Český institut pro technickou normalizaci, pro akreditaci zkušeben a certifikačních orgánů podle mezinárodníéch předpisů Český institut pro akreditaci, dále organizace pro legální metrologii a metrologický výzkum Český metrologický institut a šest státem autorizovaných zkušeben. Hlavní náplň státní správy v normalizaci, metrologii a zkušebnictví, tvoří zejména - vydávání, aktualizace státních technických norem - zajištění správnosti měření, uchovávání a ověřování etalonů - výkon funkce státních zkušeben a současně jejich provázanost v mezinárodním měřítku.

4.3 Technická normalizace Technická normalizace je činností, kterou se pro opakující se technické úkoly stanoví nejvýhodnější řešení zejména z hlediska hospodárnosti, jakosti a bezpečnosti. Výsledkem normalizační činnosti je technická norma nebo normalizační doporučení.

32

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně V praxi lze uvažovat o výskytu - mezinárodních či zahraničních norem - státních norem - oborových norem - podnikových norem

Trendem je sjednocování státní a mezinárodní normy, tzv. harmonizace vč. přímého zavádění jeho normy státní a ústup od oborových mnorem tzn. základní struktura předchozí se dvoustupňovou - podniková/státní norma. Příkladem mezinárodních norem jsou evropské normy (EN), zahraničních - německé DIN. Po rozdělení ČSFR byly akceptovány nástupnickými státy původní československé normy ČSN. Typickými oborovými normami byly normy TESLA (NTN). Vnitropodnikové jsou již firemně specifické včetně jejich označení. V Evropě patřily k nejvýznačnějším normalizačním organizacím ISO (International Organisation for Standardization) obnovená 1946 z původní ISA (International Federation of the National Standardizing Associations) založené 1928 v Praze. a IEC (International Electrotechnical Commission) založená 1906, nyní přičleněné k ISO. Normalizační instituce vznikaly v důsledku potřeb technického rozvoje jednotlivých zemí a mezinárodního obchodu. O jejich vážnosti svědčí skutečnost, že normativní produkty IEC mají charakter doporučení, přesto se jimi výrobci prakticky automaticky řídí a soulad svých výrobků s nimi je vždy v obchodně technických dokumentech uveden. Integrační proces v Evropě - vytváření Evropského společenství - se odrráží i v normalizační činnosti. Normalizační orgány Evropský výbor pro normalizaci (CEN European Committee for Standards) a Evropský výbor pro normalizaci v elektrotechnice (CENELEC - European Committee for Electrotechnical Standardization) sjednocují normalizační činnost v Evropě. V době jejího vzniku , v roce 1992, bylo vydáno již 1500 EN evropských norem. Členské státy ES a státy přidružené postupně uvádějí své národní normy do souladu s nimi.

4.4 Metrologie Zajišťuje jednotnost a správnost měření. Prostředkem tomu je systém návaznosti měřidel, v němž jsou měřidla pravidelně porovnávána - kalibrována. Jednotlivé kontrolní prostředky jsou opět kontrolovány vyššími úrovněmi kontrol () až po nějvyšší úroveň - státní etalon. Udržování výchozí (primární) etalonáže a zajištění kalibračních služeb je hlavní funkcí státní metrologie. Výkonnými místy provádějícími kalibraci měřidel jsou středisko kalibračních služeb (SKS). Jako střediska kalibračních služeb podobně jako v zahraničí pracují i orgány státní správy pověřená (akreditovaná pracoviště) vybraných organizací a podniků. Střediska kalibračních služeb vystavují doklad o provedené kalibraci - kalibrační list, atest, uvádějící i dobu platnosti. Po tuto dobu, tzv. mezikalibrační interval, nedojde-li k poškození měřidla, může být používáno v hospodářské činnosti. Graficky vyznačená hierarchie prostředků měření (etalonů, měřidel) - např. od státního etalonu až např. po výrobek - které poskytuje rychlou informaci o zajištěné správnosti měření se nazývá schéma návaznosti (Traceability Chart).


33

Úplné schéma návaznosti - tj. včetně chyb navázání (kalibrací) na jednotlivých úrovních a vč. metodik kalibrací prokazuje schopnost výrobce zajistit správnost měření vůči státnímu orgánu. Vzhledem k významu zajištění správného měření v hospodářské činnosti je řada povinností orgánů a organizací a jiných majitelů zakotvena v legislativě - zákonu o metrologii. Porušování zákona, zejména používání neověřených měřidel ve výrobě a obchodu je sankčně postižitelné. Zvýšené nároky se proto kladou na výrobce, dovozce a opravce měřidel. V praxi se na měřicích prostředcích vyznačuje, že byly zkalibrovány vhodnou značkou, obsahující - termín/dobu platnosti používání do nového ověření.

4.5

Zkušebnictví

Na úrovni státu jde nejen o výkonnou složku - provádění legislativou předepsaných zkoušek státními resp. státem autorizovanými zkušebnami, ale o řízení celého procesu prosazování státní politiky v této oblasti a jejího souladu v mezinárodním měřítku. Zkušebny mohou být současně místy certifikačními, homologačními apod. Příkladem jsou homologační zkoušky telekomunikačních zařízení, bez kterých daný typ výrobku nesmí být připojen do jednotné telekomunikační sítě. V oblasti certifikace má největší význam certifikace výrobců a výrobků, dokládající splnění podmínek zavedení systému jakosti - viz kap. 3.7. Výkonná složka zkušebnictví v elektronice a v elektrotechnice má význam zejména při legislativou stanovených zkouškách bezpečnosti - schválení výrobků před uvedením do provozu (na trh). Jen u schváleného výrobku je možno uvádět, že prošel zkouškami s odvoláním na konkrétní zkušební normu a označit jej schvalovací značkou. Význam dosažení schválení výrobku dle normativních předpisů platných v zemi užití má dalekosáhlý dopad pro výrobce, resp. dovozce. V legislativě evropských států je dosažena

34


zákonná odpovědnost za škody. Není-li výrobce, resp. dovozce schopen prokázat, že výrobek, který uvedl na trh, prošel úspěšně schvalovacími zkouškami a jakost a bezpečnost je zajištěna v seriové výrobě (dodávkách), nemůže se žádném případě vyvinit z náhrady vzniklých škod z užití výrobku, a to přímých i následných (při zapřičinění požáru - přímé škody, i např. ušlý zisk). Nejčastěji se v praxi vyskytuje problematika bezpečnosti u přístrojů napájených ze sítě. Je třeba dbát na skutečnost, že při zkouškách se ověřuje, zda díly v síťových obvodech pro dané použití vyhovují, jsou schváleny. týká se zejména síťových šňůr, přívodek, držáků pojistkových vložek, síťových voličů, spínačů apod. Výrobci v technických údajích těchto dílů vždy uvádějí odkazy, kterým národním předpisům výrobek vyhovuje (VDE...)

4.6 Standardizační činnosti v podniku

a) normalizace 1. Provozování knihovny norem - státních, podnikových i jiných norem a předpisů, opatřování, zápůjčky, průběžná aktualizace 2. Koordinace a řízení normalizačních činností - typizace, unifikace - ve vývoji, konstrukci - zpracování vnitropodnikových (technických ) norem (pozn. organizační normy zpracovávají obvykle útvary organizace a řízení) 3. Kontrolní činnosti - provádění normalizačních prověrek - shody výrobní dokumentace s normami závaznými v podniku. Organizačně zajišťuje zpravidla útvar normalizace b) metrologie 1. Udržování hlavních podnikových etalonů vč. jejich návaznosti na státní etalonáž


35

2. Provádění kalibrace měřidel používaných v podniku 3. Projektové a kontrolní činnosti - zpracování metodiky měření, rozbory, analýzy Organizačně zajišťuje zpravidla útvar metrologie či kontrolního měrového střediska

c) zkušebnictví 1. Provádění zkoušek nových výrobků (typové zkoušky) 2. Provádění průběžných kontrol, zkoušek ve výrobním procesu 3. Statistiky, rozbory, analýzy Organizačně zajišťují útvary Typové zkoušky a OTK (oddělení technické kontroly).

4.7 Komplexní systémy řízení jakosti Komplexní systémy řízení jakosti se zakládají na realizaci organizačních a technických opatření ve firmě, jejich výsledkem má být eliminace výskytu systémových a maximální potlačení vzniku nahodilých poruch. Jeden ze systémů a nejvýznamnější v evropském regionu byl zpracován normativně jako normy ISO řady 9000, (Převzatými jako Evropské normy řady EN 29000), v českých zemích je systém zaveden státní normou jako norma přímo převzatá viz. obr. Přičemž soubor norem tvoří: ISO 9000 - Normy pro všeobecné řízení a zabezpečení jakosti -směrnice pro jejich volbu a používání ISO 9001 - Systémy zabezpečování jakosti - Model zabezpečování jakosti výrobků při jejich navrhování, vývoji, výrobě, uvádění do provozu a servisu ISO 9002 - Systémy zabezpečování jakosti - Model zabezpečování jakosti při jejich výrobě a uvádění do provozu ISO 9003 - Systémy zabezpečování jakosti - Model zabezpečování jakosti výrobků při vstupní kontrole a zkoušení ISO 9004 - Všeobecné řízení jakosti a prvky systému řízení jakosti - směrnice Pozn: - ISO 9004 popisuje ucelený systém, jak by měl být zaveden uvnitř organizace k dosažení co nejlepších výsledků ISO 9001-3 charakterizuje požadavky na výrobce, ketré by měl splňovat z pohledu zákazníka Principy uplatňované v systému, praktické příklady: a) jednoznačně popsaný obsah / náplň činností b) adresná odpovědnost

36

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně c) dokladovanost činností d) ověřování, kontrola procesů Př. a) Jakost v opatřování materiálu - vypracovaná kritéria výběru dodavatele - správná formulace, specifikace požadavků, vlastností materiálu - předepsané požadavky na pracovníky - odborná kvalifikace, zaškolení - stanovená organizační struktura, zodpovědnosti na všech stupních - vypracovaná metodika přejímky - metodika vedení evidence, zpracování a přenosu dat apod. Př. b) Jakost hlavní výrobní činnosti - jakost manipulace s materiálem a výrobky, logistika - jakost výrobního procesu (včetně stanovení způsobu, jak vyhodnotit proces, jak postupovat při jištění rozporu), neshody - požadavky na pracovníky, kvalifikace, zaškolení, praxe - zpracování dokladů, popis, způsob ověřování - použití předepsaných prostředků, ověřená měřidla

Certifikace výrobce Nejvyšším cílem výrobce je dosáhnout po zavedení systému jakosti certifikace. Certifikační orgán na základě úspěšného certifikačního řízení, při kterém detailně ověřit splnění věcných i formálních podmínek a funkčnost systému, vystaví certifikát. V tržním, vysoce konkurenčním prostředí, je certifikovaný výrobce výrazně zvýhodněn proti ostatním dodavatelům. Zákazník při volbě dodavatele upřednostňuje certifikované firmy, neboť jimi garantovaná jakost omězuje či vylučuje potřebu ověřování dodavatele. Podmínky certifikace stanovují povinnost trvalého chodu systému jakosti včetně dalšího průběžného ověřování certifikačním orgánem. Při neplnění kritérií výrobce certifikát pozbývá. Certifikační řízení je relativně nákladné. Certifikující organizace (zpravidla s mezinárodní působností) se často podílí na zpracování a zavedení systému jakosti v následně certifikované firmě.

4.8

Standardizace v mezinárodním měřítku

Hlavními úkoly standardizace v mezinárodním měřítku jsou - legislativní, organizační a technická opatření k odstraňování překážek obchodu - zvyšování ochrany zákazníků s orientací zejména na bezpečnost a ochranu zdraví, ochranu životního prostředí. Vytvářením otevřených trhů s volným pohybem zboží je podporováno: - sjednocováním norem a normativních materiálů s mezinárodními normami (např. evropskými - EN) - sjednocováním zkušebních metod - vzájemným porovnáváním etalonáže


37

- vzájemným uznáváním výsledků zkoušek, zaváděním mezinárodních certifikačních systémů ... Činnost mezinárodních standardizačních organizací (ISO, IEC) je založena na zastoupení všech zemí, které jsou v organizaci zapojeny. Nosnými organizačními jednotkami jsou sekce, komise pro jednotlivé obory, podobory. Vypracováním návrhů normativních materiálů jsou zpravidla pověřeny jednotlivé členské země. Normy poté procházejí připomínkovým řízením dalších zúčastněných zemí.

38

5


DUŠEVNÍ VLASTNICTVÍ A JEHO OCHRANA

Jedním z klíčových podmínek úspěchu v hospodářské soutěži je nakládání s duševním vlastnictvím. V obecném pojetí je nutno do duševního vlastnictví podnikatelského subjektu zahrnout nejen běžně známé instituty jako jsou majetková práva k patentům, průmyslovým vzorům, k ochranné známce ..., ale veškeré souborné znalosti z oblastí hospodářské činnosti označovaných jako "know how". Je zřejmé, že v úspěchu na trhu bude hrát roli i například způsob vnitřní organizace a řízení firmy; metody získávání, zpracovávání a uchovávání informací o trhu, zákaznících, dodavatelích, konkurenci, výrobní podklady výrobků, technologické postupy, příslušné ekonomické údaje a další statky nehmotné povahy, o jejichž významu svědčí, nakolik jsou předmětem otevřenějších či skrytějších forem průmyslové špionáže. V dalším se budeme zabývat těmi instituty duševního vlastnictví, kterým je poskytována legislativní ochrana konkrétními zákonnými normami (bývá označováno pojmem průmyslové vlastnictví), zejména těmi, které jsou produktem tvůrčí technické práce. Pozn. Ochrana ostatních je záležitostí výhradně hospodářského subjektu - jeho organizačních a technických opatření. K narušení práva může ovšem dojít ve spojitosti s tímto duševním majetkem nepřímo - např. získáním informací cestou kriminálního činu, zneužití formou nekalé soutěže...

5.1 Vývoj ochrany duševního vlastnictví - patentové právo Nesporný přínos tvůrčí práce pro rozvoj společnosti vedl již v historii k vývoji právních norem, poskytujícím původci vynálezu ochranu před cizím zneužitím. Na svou dobu značně pokrokový zákon byl přijat 19. března 1474 v Benátské republice. Stanovoval např. "ohlášení" vynálezu obecnímu úřadu, původce získával právo popohnat před úřad kohokoli, kdo by porušil jeho výsadní právo platné po dobu 10 let a vyrobil jakékoli jiné zařízení ve tvaru a podobě tohoto hlášeného zařízení. Zákon nepřestoupil hranice Benátské republiky, na území Evropy se zatím uplatňovalo udělování privilegií a monopolů. V roce 1623 byl v Anglii přijat zákon o monopolech (Status of Monopolies), který k datu nabytí účinnosti (květen 1624) zrušil všechny dosud udělené monopoly, přičemž neplatnost se nevztahovala na v budoucnu udělené patenty a výsady - a to na ty, které "budou uděleny na období 14 let nebo kraší prvnímu vynálezci na výlučné provozování nového druhu výroby v tomto království; jiné osoby nesmí v této době patentů a výsad využívat, přičemž tyto výsady nesmějí odporovat zákonu nebo být na újmu státu tím, že by doma vedly ke zvyšování cen nebo poškozovaly podnikání nebo byly všeobecně nevhodné". Toto ustanovení bývá někdy nazýváno "Chartou vynálezeckého práva" a vycházejí z něho prakticky všechny moderní patentové zákony. Objevuje se zde nahrazení pojmů privilegium či monopol pojmem patent (Letters Patent), vzniklým z latinského názvu "literae patentes", otevřené listiny, kterými původně římští císařové pronášeli svou vůli, jež se měla stát obecně závazným předpisem.


39

Na území našeho státu byla původně též udělována privilegia, první doložené bylo uděleno panu Konrádovi z Kamene roku 1315 na zařízení k odvodňování dolů . První zákonnou úpravou však byl až císařský patent (literae patentes) vydaný 1832 Františkem II, dle nějž byla vydávána privilegia na vynálezy až do vydání patentového zákona č. 30 říšského zákoníku z 11. ledna 1897. Ten v zásadě po aktualizaci zákonem č. 305/1919 Sb. platil až do 31.3.1952, kdy se uplatňuje zákon č. 6/1952 Sb.. V dalším období byly základními legislativními akty zákon č. 34/1957 Sb. o vynálezech, objevech a zlepšovacích návrzích, poté zákon č. 84/1972 Sb. o objevech, vynálezech, průmyslových vzorech a zlepšovacích návrzích. Aktuální právní úprava je dána zákonem č. 527/1990 Sb. o vynálezech, průmyslových vzorech a zlepšovacích návrzích, schváleným 27. listopadu 1990. Zákon č. 527/1990 Sb. přinesl zejména tyto změny: - zavedl patent jako jedinou formu ochrany vynálezu (z toho plyne výlučné dispoziční právo majitele patentu), odložený průzkum vynálezu, institut podnikového vynálezu a průmyslového vzoru, úplatnost řízení, odměňování na smluvním principu .. - vypustil ochranu objevů, původní definiční vymezení pojmu vynález, tématické plánování ..

5.2 Vynálezy, průmyslové vzory a zlepšovací návrhy ve znění zákona č. 527/1990 Sb. 5.2.1

Vynálezy

Ochranným dokumentem na vynález může být výhradně patent. Patentovatelnost vynálezu je vymezena splněním čtyř kriterií: a) předmětu ochrany b) novosti c) vynálezecké činnosti d) průmyslové využitelnosti ad a) - předmětem ochrany je vynález, nutno tedy stanovit, jaké řešení je vynálezem. Vymezení je dáno negativně tj. výčtem příkladů řešení, jež nelze za vynález považovat : - objevy, vědecké teorie a matematické metody ( ve vědeckém světě se ochrana resp. přiznání autorství uplatňuje jejich publikací v odborném tisku ) - pouhé vnější úpravy výrobků - plány, pravidla a způsoby vykonávání duševní činnosti - programy počítačů ( Software splňující pojmové znaky autorského díla může být chráněno dle autorského zákona resp. být předmětem zlepšovacího návrhu. ) - pouhé uvedení informace ad b) - aby bylo splněno kriterium novosti, nesmí být vynález součástí stavu techniky. Stavem techniky je vše, co bylo přede dnem, od něhož přísluší přihlašovateli právo přednosti, zveřejněno ve vlastní zemi a v zahraničí. Do stavu techniky se zahrnuje i obsah přihlášek vynálezů podaných do výše uvedeného data. (Případ, kdy by došlo

40


ke zveřejnění vynálezu zřejmým zneužitím vůči přihlašovateli nebo jeho právnímu zástupci je ošetřen existencí tzv. ochranné lhůty ). ad c) - vynález musí být výsledkem vynálezecké činnosti. Kriterium vylučuje z patentové ochrany taková řešení, která nejsou skutečným přínosem ve smyslu obohacení stavu techniky, z hlediska pohledu odborníka. (Řada řešení, byť nových a v průmyslu použitelných, nemůže být patentovatelná, nejde-li o výrazný kvalitativní posun vnášený právě vynálezeckou činností. Příkladně se uplatní pouze metody agregace, ekvivalence, kinematického obrácení, analogie, zvětšení, zmenšení, zmnožení, náhrada materiálu apod.) ad d) - vynález je průmyslově použitelný, může-li být opakovaně využíván při hospodářské činnosti. Posuzuje se obecná použitelnost, ne ojedinělá za jedinečných podmínek a skutečná reprodukovatelnost efektu. (Důkazní břemeno splnění kriteria leží na přihlašovateli, který ji musí řádně zdůvodnit, resp. vhodnou formou prokázat.) Výluky z patentovatelnosti Řešení, která by jinak mohla splňovat výše vedená kriteria, ale která nebudou považována za vynálezy, stanoví zákon takto: - vynálezy, které jsou v rozporu s obecnými zájmy, zejména se zásadami lidskosti a obecné morálky - způsoby prevence, diagnostiky chorob a léčení lidí a zvířat - odrůdy rostlin nebo plemen zvířat a na biologické způsoby jejich pěstování a šlechtění (Omezení neplatí pro průmyslové mikroorganismy a biotechnologické postupy a jejich produkty. ) Právo na patent Vynález je výhradně dílem fyzické osoby (nebo skupiny fyzických osob), která je označována zákonem jako původce vynálezu. Původci vynálezu vzniká právo na patent, jehož základní uplatnění je přihlášení vynálezu k ochraně. (Vynález obecně k ochraně přihlášen být nemusí, ale původce se vystavuje nebezpečí, že s vynálezem bude moci každý i bez jeho souhlasu nakládat.) Původce může právo na patent převést na jinou osobu fyzickou i právnickou, totéž platí pro práva vyplývající z již podané přihlášky či již uděleného patentu. Realizace patentové ochrany Výchozím aktem je podání přihlášky vynálezu na Úřadu průmyslového vlastnictví, který je jediným přihlašovacím místem. Aby mohlo úspěšně probíhat následné řízení, musí být splněny věcné i formální požadavky na její obsah. Uvedení základních údajů je zpravidla splněno tím, že je úplně a správně vyplněn předepsaný tikopis přihlášky tj. tyto údaje: - příjmení, jméno, bydliště, státní příslušnost přihlašovatele ( jde-li o právnickou osobu, její název a sídlo) - příjmení, jméno, bydliště, státní příslušnost původce vynálezu ( není-li přihlašovatelem ) - příjmení, jméno, sídlo zástupce ( je-li přihlašovatel zastupován ) - název vynálezu - projev vůle přihlašovatele, že žádá o udělení patentu - podpis přihlašovatele nebo jeho zástupce Značný význam pak má popis vynálezu, který musí obsahovat takové náležitosti jako charakteristiku dosavadního stavu techniky; vysvětlení podstaty vynálezu se specifikovanými patentovými nároky a srovnáním se stavem techniky, min. jeden příklad aplikace atd. a to v definované, relativně náročné formální úpravě.


41

Pozn. Prakticky se proto užívá, analogicky s praxí vyspělých zemí, služeb patentových zástupců, poskytujících úplatně pomoc s vypracováním přihlášky až po možnost zastupování v patentovém řízení. Podáním přihlášky vynálezu na Úřadu průmyslového vlastnictví, kde je zaevidována s datem podání v rejstříku přihlášek vynálezů (splnila-li stanovené náležitosti ), nabíhá právo přednosti. Úřad podrobí každou přihlášku tzv. předběžnému průzkumu, kterým prověřuje zejména zda neobsahuje nepatentovatelný předmět vynálezu, nedostatky bránící jejímu zveřejnění, zjevné vady obsahového a formálního charakteru, ale i zaplacení správních poplatků. Neshledá-li nedostatků, zveřejní přihlášku po uplynutí 18 měsíců od vzniku práva přednosti (na žádost přihlašovatele možno dříve) a toto zveřejnění oznámí v jím vydávané veřejné publikaci (Věstníku). Od tohoto aktu může kdokoli vznášet připomínky k patentovatelnosti. Pozn. Do zveřejnění přihlášky neexistuje ochrana proti třetím osobám z hlediska využívání předmětu vynálezu, proto je vhodné zachovat utajení. Po tomto termínu existuje tzv. prozatímní ochrana (do doby kdy nastanou účinky uděleného patentu) a za využívání vynálezu lze požadovat přiměřenou náhradu. Pro udělení patentu je podmínkou provedení úplného průzkumu. Zákon podobně jako v řadě jiných zemí kodifikuje odložený průzkum, tj. provedení úplného průzkumu se uskuteční až na základě žádosti podané nejpozději do 36 měsíců od vzniku práva přednosti ( jinak se řízení o přihlášce vynálezu zastavuje). Pokud nejsou průzkumem shledány překážky a jsou splněny všechny náležitosti vč. zaplacení správních poplatků, je udělen přihlašovateli patent. Je mu vydána patentová listina a udělení patentu je oznámeno ve Věstníku. Aktem zveřejnění ve Věstníku nastává účinek patentu. Doba platnosti patentu činí 20 let (od podání přihlášky vynálezu) a zaniká překročením této lhůty, nezaplacením stanovených poplatků za udržování v průběhu této lhůty, či prohlášením majitele, že se patentu vzdává. Jiný charakter má zrušení patentu, které Úřad provede, jestliže se dodatečně zjistí, že nebyly splněny podmínky zákona pro jeho udělení. Majitel patentu jej může využívat sám, nebo umožnit využití jinému zájemci formou licence, ( ta musí mít písemnou formu a nabude účinnosti zápisem do patentového rejstříku), případně svá práva převést na jiného - prodat. Prohlásí-li u úřadu přihlašovatel resp. majitel patentu, že poskytne komukoliv právo k využití vynálezu (tzv. nabídka licence), vznikne toto právo každému, kdo tuto nabídku příjme a písemně mu to sdělí. Nabídka licence se vyznačuje v patentovém rejstříku, je neodvolatelná; není však narušeno právo majitele na úhradu ceny licence. Za určitých podmínek může Úřad udělit tzv. nucenou licenci. Jde však spíše o institut bránící zneužití patentových práv. Podnikový vynález Institut podnikového vynálezu zavedl zákon pro ty případy, kdy původce vytvořil vynález ke splnění úkolu z pracovního, členského, či podobného vztahu k zaměstnavateli. Právo na patent v těchto případech přechází na zaměstnavatele, není-li smlouvou upraveno jinak, právo na původcovství vynálezu není dotčeno. Zákon ukládá původci písemně oznámit zaměstnavateli vytvoření vynálezu a poskytnout potřebné podklady. Zaměstnavateli je poskytnuta tříměsíční lhůta pro posouzení vynálezu a uplatnění práva na patent; přihlásit vynález k ochraně mu však neukládá, záleží pouze na jeho

42


uvážení např. z hlediska hospodářského efektu, existence konkurence apod. Původci také náleží přiměřená odměna, která není na udělení patentu vázaná, a pro jejíž výši je rozhodný technický a hospodářský význam, s přihlédnutím k materiálnímu podílu zaměstnavatele na vytvoření vynálezu a rozsahu pracovních úkolů původce. 5.2.2

Průmyslové vzory

Zákon výslovně uvádí : Za průmyslový vzor se považuje vnější úprava výrobku, která je nová a průmyslově využitelná. Průmyslovým vzorem není : - technické a konstrukční řešení - přenesení známé vnější úpravy z jednoho výrobku na výrobek jiného druhu, nebo vnější úprava vytvořená zvětšením či zmenšením známé úpravy výrobku - záměna materiálu pro vnější úpravu výrobku - architektonické řešení stavby - vnější úprava výrobku zjistitelná jen při zvláštní pozornosti - barva, není-li jí užito ve spojení s tvarem, s obrysem nebo s kresbou Vnější úpravou výrobku je plošná nebo prostorová úprava, spočívající ve tvaru, v obrysu, v kresbě nebo v uspořádání barev či v kombinaci těchto znaků. Jak je z uvedeného zřejmé, v průmyslové praxi jde převážně o ochranu ztvárnění výrobku, které bývá hlavní náplní průmyslového designu. Požadavek novosti je vázán tím, že nebyl znám doma nebo v zahraničí z veřejně dostupných pramenů, zejména nebyl zobrazen nebo popsán ve zveřejněných tiskovinách, veřejně využíván, vystaven, přednesen nebo předveden. Požadavek průmyslové využitelnosti je splněn, mohou-li se podle něj opakovaně zhotovovat výrobky. (Není splněno např. u originálních uměleckých děl, neboť jejich vyrobení je podmíněno individuálním schopnostmi určité osoby.) Řízení je u průmyslového vzoru podobné jako u vynálezu. Vyžaduje se podání přihlášky průmyslového vzoru s definovaným obsahem. Dnem podání se uplatňuje právo přednosti, lze aplikovat i tzv. výstavní priority ( při splnění podmínek nebude zveřejnění vystavením před podáním přihlášky na úkor novosti a ke dni vystavení se začne uplatňovat právo přednosti). Přihlášku podrobí Úřad průzkumu, na rozdíl od vynálezu jednorázovému. V případě úspěšně proběhlého řízení zapíše průmyslový vzor do rejstříku průmyslových vzorů a vystaví osvědčení o zápisu tj. doklad, který vydá majiteli. Zápis průmyslového vzoru platí 5 let ode dne podání a lhůta platnosti může být až dvakrát vždy o 5 let prodloužena. S průmyslovým vzorem může majitel nakládat analogicky jako s patentem, tedy i poskytnout licenci.


43

Stejně jako u vynálezu rozlišuje zákon podnikový průmyslový vzor. Zaměstnavatel má opět tříměsíční lhůtu na posouzení, neuplatníli však v této době své právo podáním přihlášky průmyslového vzoru, může po jejím uplynutí průmyslový vzor přihlásit původce. 5.2.3

Zlepšovací návrhy

Zákon stanoví : Za zlepšovací návrhy se pokládají technická, výrobní nebo provozní zdokonalení, jakož i řešení problémů bezpečnosti a ochrany zdraví při práci a životního prostředí, s nimiž má zlepšovatel právo nakládat. Práva ze zlešovacích návrhů nevzniknou, brání-li jim práva z patentu nebo ze zapsaného průmyslového vzoru. Za zlepšovací návrh se tedy prakticky považuje každé zdokonalení, které zaměstnavatel přijme. Hlavním kritériem je přínos pro zaměstnavatele. Zaměstnavatel má možnost upravit resp. upřesnit pravidla zlepšovatelské činnosti vnitřním aktem řízení vydáním firemního předpisu, např. zlepšovatelského statutu. Zlepšovatel není oprávněn nakládat se zdokonaleními, která vytvořil plněním pracovního úkolu vyplývajícího z uzavřené pracovní smlouvy se zaměstnavatelem; s těmi, která již jsou majetkem zaměstnavatele, či která jsou předmětem obchodního tajemství zaměstnavatele. Překážkou jsou samozřejmě práva vyššího účinku - u patentu a průmyslového vzoru v celé zemi. Zlepšovatel je povinen nabídnout zlepšovací návrh svému zaměstnavateli, jestliže se zlepšovací návrh týká oboru práce nebo činnosti zaměstnavatele. Zlepšovatel má právo se zlepšovacím návrhem nakládat bez omezení, jestliže s ním zaměstnavatel ve lhůtě dvou měsíců od nabídky zlepšovacího návrhu neuzavřel smlouvu o přijetí nabídky zlepšovacího návrhu a odměně za něj. Právo využívat zlepšovací návrh vzniká uzavřením smlouvy se zlepšovatelem o přijetí nabídky zlepšovacího návrhu a odměně za něj. Z uvedeného vyplývá priorita smluvních vztahů, tedy i význam vnitřních předpisů, způsobů řízení, jejichž kvalita a uplatněné metody určují, nakolik bude ve firmě vytvořeno tvůrčí motivační prostředí, charakteristické pro úspěšné vedoucí firmy.

44


5.3 Užitný vzor Užitný vzor je novým institutem v oblasti průmyslových práv, zavedený přijetím zákona č.478/1992 Sb. o užitných vzorech z 24.září 1992. Na rozdíl od patentového práva neexistují pro užitné vzory žádné mnohostranné mezinárodní smlouvy, takže se jednotlivé národní úpravy dosti liší. Pro přípravu zákona byl vzorem německý systém existující již více než 100 let. Základní předností ochrany užitným vzorem, významným v konkurenčním prostředí tržního hospodářství je, že umožňuje chránit taková technická řešení, která by z nedostatku potřebné úrovně vynálezecké činnosti byla vyloučena z ochrany patentem, tedy např. širokou oblast produktů firemních inovačních kroků - nových výrobků. Analogicky s patentovým právem musí užitný vzor splňovat čtyři kriteria (viz 4.2.1) : - předmět ochrany - musí jím být technické řešení - novost - nesmí být součástí stavu techniky - tvůrčí úroveň - požaduje se překročení rámce pouhé odborné dovednosti - průmyslová využitelnost - možnost opakovaného využití v hospodářské činnosti Z ochrany jsou vyloučena - technická řešení, která jsou v rozporu s obecnými zájmy, zejména se zásadami lidskosti a veřejné morálky - odrůdy rostlin a plemena zvířat, jakož i biologické reproduktivní materiály - způsoby výroby nebo pracovní činnosti V případě vytvoření užitného vzoru původcem v pracovním poměru musí zaměstnavatel uplatnit právo na užitný vzor do tří měsíců, jinak přejde zpět na původce. Přihláška definovaného obsahu a úpravy se podává na Úřadu průmyslového vlastnictví. Řízení o přihláškách užitných vzorů je založeno na tzv. registračním principu, kdy Úřad zapíše užitný vzor do rejstříku po úvodním formálním průzkumu (k vyloučení těch přihlášek, která zjevně nesplňují požadavky na zápis), aniž zkoumá zda předmět přihlášky vyhovuje kriteriím novosti a tvůrčí úrovně. Tento omezený průzkum zápisné způsobilosti vede k rychlému zápisu a tedy dosažení účinků ochrany. To je výhodné např. u předmětů již připravených k uvedení na trh. Bez souhlasu majitele užitného vzoru totiž nikdo nesmí (analogie patentu) technické řešení chráněné užitným vzorem při své hospodářské činnosti vyrábět, uvádět do oběhu nebo upotřebit. V některých případech je naopak v zájmu přihlašovatele, aby nedošlo k zápisu a tím zveřejnění ihned po ověření zápisné způsobilosti. Může proto požádat o odklad zápisu až do uplynutí 15 měsíců ode dne podání přihlášky. Velmi zajímavým pro přihlašovatele může být institut tzv. odbočení. Umožňuje "odbočit" z přihlášky vynálezu na přihlášku užitného vzoru s tím, že mu Úřad přizná právo přednosti z původní přihlášky vynálezu. Podmínkou je, aby - šlo o stejná technická řešení - přihláška užitného vzoru byla podána nejpozději do dvou měsíců od rozhodnutí o přihlášce vynálezu, nejpozději však do deseti let od jejího podání


45

- do dvou měsíců od podání přihlášky užitného vzoru předloží stejnopis přihlášky vynálezu, jehož práva přednosti se dovolává Prakticky je tak umožněno přihlašovateli reagovat v kterémkoli okamžiku během řízení o přihlášce vynálezu na výskyt překážek patentovatelnosti nevylučujících však ochranu užitným vzorem, změnu situace na trhu apod. Může však využít cíleně rychlé získání ochrany i tím, že podá současně přihlášky vynálezu i užitného vzoru a až je např. dosaženo udělení patentu, nechá užitný vzor zaniknout. Užitný vzor platí čtyři roky ode dne podání přihlášky popř. od podání dřívější přihlášky vynálezu se stejným předmětem. Dobu platnosti zápisu užitného vzoru prodlouží Úřad na žádost majitele vzoru až dvakrát vždy o tři roky. ( Ve srovnání s patentem jsou náklady na udržování za toto období, tj. max. 10 let, podstatně nižší. ) Výmaz užitného vzoru z rejstříku provede Úřad na návrh kohokoliv, pokud - technické řešení není způsobilé k ochraně ( zejména z důvodů novosti a tvůrčí úrovně ) - předmět užitného vzoru je již chráněn patentem či užitným vzorem s dřívějším právem přednosti - přihlašovatelem byla osoba, která neměla právo na ochranu - předmět užitného vzoru jde nad rámec původního podání přihlášky průmyslového vzoru Výmaz užitného vzoru z rejstříku má účinek, jako by k zápisu nikdy nedošlo.

5.4 Práva na označování Ochrana práv na označování má na našem území dlouhou tradici - již od roku 1858 ji upravoval císařský patent. U označování výrobků (nebo služeb) se užívají tři druhy označení : - ochranné známky - označení původu - obchodní (firemní) jméno 5.4.1

Ochranné známky

Aktuální právní normou je v současnosti zákon č.174/1988 Sb. o

ochranných známkách.

Ochrannou známkou je slovní, obrazové, prostorové nebo kombinované označení, které je způsobilé odlišit výrobky nebo služby od různých výrobců nebo poskytovatelů služeb a je zapsáno do rejstříku ochranných známek. Slovní ochranné známky jsou označení vytvořená z jednoho nebo více slov nebo souhrnu písmen, které lze za slovo považovat, lze je vyslovit. Obrazové ochranné známky jsou označení utvořená z realistického či abstraktního zobrazení lidí, zvířat, věcí, různých symbolů či obrazových motivů. Tato označení nejsou provázena textem.

46



47

48


Prostorové ochranné známky jsou označení, která tvoří trojrozměrné (plastické) vyobrazení. Předmětem ochrany bývá např. zvláštní tvar výrobků či jeho obalů. Tvar prostorové ochranné známky může být i chráněn jako průmyslový vzor. Zápisným místem do rejstříku ochranných známek je Úřad průmyslového vlastnictví. Přihlášku může podat každá fyzická nebo právnická osoba, která vykonává hospodářskou činnost, a to pro výrobky nebo služby, které jsou předmětem její činnosti. Řízení o přihlášce posuzuje splnění formálních a věcných požadavků. Nesplnění vede na zamítnutí přihlášky, splnění na zápis do rejstříku, který je zveřejněn ve Věstníku a majiteli je vydáno osvědčení, že je majitelem ochranné známky. Absolutními překážkami pro zápis jsou : - pouhý běžný název, vyobrazení obecného charakteru - úřední resp. všeobecně známé zeměpisné označení - klamavé nebo nepravdivé označení - označení shodné s proslulou ochrannou známkou (bez ohledu na výrobky, služby) - označení shodné s již zapsanou ochrannou známkou na výrobky a služby téhož druhu Relativními překážkami jsou označení : - postrádající rozlišovací způsobilost zejm. běžně užívaná - se spojitostí ke znakům svrchovanosti států - obsahující úřední, zkušební, záruční, puncovní nebo dopravní značky - název, jméno, vyobrazení osoby odlišné od přihlašovatele - s údaji shodnými či zaměnitelnými s označením původu Ochranná doba platí 10 let od data podání přihlášky, zápis lze obnovit v závěru platnosti na dalších 10 let. Není-li známka používána, může být po 5 letech z rejstříku vymazána.

5.4.2

Označení původu

Základní ustanovení zákona č.159/1973 Sb. o ochraně označení původu výrobků jsou v souladu s mezinárodní ochrannou podle Lisabonské dohody na ochranu označení původu a jejich mezinárodním zápisu. Zápisným místem je Úřad průmyslového vlastnictví. Označení původu je institutem aplikovaným nejčastěji na výrobky zemědělského resp. potravinářského charakteru, jak vyplývá z definice : "Označení původu výrobků je zeměpisný název země, oblasti nebo místa, který se stal obecně známý jako údaj o tom, odkud pochází výrobek, jehož jakost nebo znaky jsou dány výlučně, nebo podstatně zeměpisným prostředím včetně činitelů přírodních nebo lidských." Příklad - Pražská šunka, Karlovarská hořká, ale i Vítkovická ocel.

Návrh a konstrukce elektronických přístrojů 5.4.3

49

Obchodní jméno

Tvoří významný znak individualizace podnikatele. Má výrazný dopad v hospodářské soutěži a hraje podstatnou roli v tržním ocenění firmy. V praxi se uplatňuje zejména u firem, které si vybudovaly a dlouhodobě udržují dobrou pozici na trhu - zavedeným termínem je "good will" - pověst, věhlas firmy. Právní ochrana obchodního jména je dána obchodním zákoníkem č. 513/1991 Sb., narušení práv je postiženo převážně v ustanoveních o nekalé soutěži. Obchodní jméno právnických osob je zapsáno při jejich ustavení v obchodním rejstříku (vedeným místně příslušným rejstříkovým soudem) včetně jejich formy (akciová společnost, komanditní společnost, veřejná obchodní společnost ..), sídla a dalších předepsaných údajů. Smyslem ochrany obchodního jména je, že nesmí být zaměnitelné s obchodním jménem jiného podnikatele. U fyzických osob postačuje k rozlišení uvedení jiného místa podnikání, tedy nepřípustným stavem je podnikání dvou živnostníků stejného obchodního jména na stejné adrese. U právnických osob rozlišení vyžaduje uvedení různého sídla firem, přičemž firmy nesmí podnikat ve stejném oboru nebo v oborech zaměnitelných při hospodářské soutěži. Převod obchodního jména bez současného převodu podniku je nepřípustný - nelze tedy prodat obchodní jméno bez firmy.

5.5

Ochrana topografie polovodičových výrobků

Zavedení právní normy - zákona č. 529/1991 Sb. o ochraně topografií polovodičových výrobků - je příkladem právní úpravy, slučitelné se zeměmi ES - právním rámcem pro něj byla Směrnice Rady ES o právní ochraně polovodičových výrobků ze dne 16. prosince 1986. Základní principy vyplývají z výtahu vybraných částí zákona : Předmětem ochrany jsou podle zákona topografie polovodičových výrobků, které jsou výsledkem tvůrčí činnosti původce a které nejsou v průmyslu polovodičových výrobků běžné. Ochrana se vztahuje rovněž na části topografie, které jsou využitelné samostatně, jakož i na zobrazení sloužící k výrobě topografie. Jestliže je topografie tvořena z prvků všeobecně známých, je chráněna pouze tehdy, splňuje-li kombinace těchto prvků výše uvedené podmínky. Topografií se pro účely zákona rozumí série jakkoli zafixovaných nebo zakódovaných vzájemně souvisejících zobrazení, znázorňujících trojrozměrné trvalé uspořádání vrstev, z nichž se polovodičový výrobek skládá, přičemž každé zobrazení znázorňuje vzor jedné vrstvy polovodičového výrobku nebo jeho části, popřípadě povrchu polovodičového výrobku v jednotlivých stupních výroby nebo jeho částí. Polovodičovým výrobkem se pro účely zákona rozumí konečná nebo mezitímní forma mikroelektronického výrobku, který je určen k plnění elektronické funkce a který se skládá ze základního tělesa obsahujícího vrstvu polovodičového materiálu a opatřeného alespoň

50


jednou vrstvou vodivého, izolačního nebo polovodičového materiálu v předem daném uspořádání. Právo na ochranu topografie náleží jejímu původci nebo jeho právnímu nástupci. Byla-li vytvořena ke splnění úkolu z pracovního poměru nebo obdobného vztahu, přísluší právo na ochranu zaměstnavateli, nebo tomu, pro koho byla na základě smlouvy vytvořena, pokud smlouva nestanoví jinak. Kdo chce uplatnit právo na ochranu podá na Úřadu průmyslového vlastnictví přihlášku topografie s následujícím obsahem : - žádost o zápis do rejstříku topografií s uvedením názvu topografie - podklady umožňující identifikaci topografie a případně i samotný polovodičový výrobek obsahující topografii (část lze označit za obchodní nebo výrobní tajemství a definovaně ve zveřejňovaných podkladech utajit) - datum prvního, nikoli však skrytého obchodního využití topografie, je-li dřívější než datum podání přihlášky (to určuje počátek platnosti ochrany, bez předchozího obchodního využití je jím datum podání přihlášky) - další doklady svědčící o právu přihlašovatele na ochranu topografie Splňuje-li přihláška stanovené podmínky, zapíše Úřad topografii do rejstříku, vydá přihlašovateli osvědčení o zápisu a zveřejní oznámení o zápisu ve Věstníku. Podklady uvedené v předchozím odstavci jsou po zápisu zpřístupněny k nahlédnutí třetím osobám. Bez souhlasu (licence) majitele topografie nikdo nesmí : - reprodukovat topografii nebo její samostatně využitelné části - vyrábět polovodičový výrobek, ve kterém je chráněná topografie obsažena - obchodně využívat topografii nebo polovodičový výrobek, který obsahuje chráněnou topografii nebo její samostatně využitelné části, jakož i zobrazení topografie, sloužící k jeho výrobě (zákon specifikuje i případy, na které se účinky ochrany nevztahují, např. využití k neobchodním účelům, studiu ...) Na návrh kohokoli provede Úřad výmaz z rejstříku, jestliže není splněna některá z vyjmenovaných podmínek. Doba trvání ochrany skončí uplynutím 10 let od konce kalendářního roku, v němž vznikla.

5.6 Autorské právo Autorské právo zahrnuje i ochranu děl, vzniklých jako tvůrčí produkt pracovníků technického zaměření, jak to vyplývá z dále uvedených výtahů z ustanovení autorského zákona. Úplné znění autorského zákona, tj. zákona č. 35/1965 Sb. o dílech literárních, vědeckých a uměleckých se změnami a doplněními provedenými zákonem č. 89/1990 je obsaženo v zákoně č. 247/1990 Sb.


51

Předmětem autorského práva jsou díla literární, vědecká a umělecká, která jsou výsledkem tvůrčí činnosti autora, zejména díla slovesná, divadelní, hudební, výtvarná včetně děl umění architektonického a děl umění užitého, díla filmová, fotografická a kartografická. Za předmět ochrany se považují i programy počítačů, pokud splňují pojmové znaky děl podle tohoto zákona. Ustanovení tohoto zákona se nevztahují na právní předpisy a rozhodnutí, veřejné listiny, úřední spisy, denní zprávy ani na projevy přednesené při projednávání veřejných záležitostí; soubornému vydání takových projevů nebo k jejich zařazení do sborníku je však třeba svolení toho, kdo je proslovil. Pro autorské dílo je charakteristické, že je svou povahou individuálním, neopakovatelným, takže nemohou existovat dvě shodná autorská díla. Jakmile by existovalo dvě a více shodných děl různých autorů, pak jedno z nich je dílem autorským a další kopie či plagiáty. Z tohoto pojetí autorského zákona vyplývá, že každé autorské dílo je nové, že nemohou být vytvořena stejná autorská díla dvěma různými autory jako je tomu u vynálezů, kde může vzniknout nezávisle na sobě dvě nebo více stejných řešení. Znak jedinečnosti, neopakovatelnosti autorského díla má za následek, že v oblasti autorského práva není třeba vymezovat pojem novosti a že autorské právo nezná pojem priority, na rozdíl od patentového práva. Předmětem autorského práva jsou také : - nová díla původní, která vznikla osobitým tvůrčím zpracováním díla jiného - překlady děl do cizích jazyků. Zpracování či překlad díla vyžaduje souhlas autora. - souborná díla jako sborníky, časopisy, pásma, výstavy a jiná, je-li jejich uspořádání výsledkem tvůrčí činnosti . Zařadit dílo do díla souborného lze jen se svolením autora. Vznik autorského práva k dílu je definován okamžikem, kdy je dílo vyjádřeno slovem, písmem, náčrtem, skicou nebo v jakékoli vnímatelné podobě. Vznik autorskoprávní ochrany je ochranou neformální na rozdíl od tzv. formální ochrany u institutů , které procházejí řízením, jehož výsledkem je poskytnutí či odmítnutí ochrany. Tato forma ochrany je charakteristická pro evropské státy, výjimku tvoří autorské právo angloamerického systému, zejména USA, které stanoví určité formální podmínky pro vznik ochrany (např. doložku o výhradě autorského práva, registraci díla, zaplacení registračních poplatků...). K usnadnění vzniku autorskoprávní ochrany v těchto státech došlo k dohodě, obsažené ve Všeobecné úmluvě o právu autorském, podle které bude daný stát považovat požadované formální podmínky za splněné, jestliže se na všech exemplářích prvního vydání autorského díla uvede tzv. copyrightová doložka, tj. C, jméno subjektu autorského práva a rok prvního vydání. Všechny tyto tři údaje musí být uvedeny tak, aby byly dostatečně zřejmé. Nejčastěji se proto uvádějí na první stránce publikace. Podmínkou je i uvedení na všech exemplářích prvního vydání, jinak je ochrana nenávratně ztracena i pro další vydání. Právo na ochranu autorství je nepřevoditelné, práva k užití jsou převoditelná formou smlouvy a to jen na osobu oprávněnou uvádět díla na veřejnost příslušným způsobem (např. smlouvou nakladatelskou, smlouvou o veřejném provozování díla apod ). Zanikne-li právnická osoba nebo zemře-li fyzická osoba, na niž bylo převedeno právo užít díla bez právního nástupce, nabude opět autor práva rozhodovat o dalším osudu díla.

52


Autorské právo tj. doba ochrany díla trvá pokud není stanoveno jinak po dobu života autorova a 50 let po jeho smrti. Pro autorské právo u sborníků a časopisů vydaných organizacemi činí např. lhůta ochrany 10 let od uveřejnění díla a platí pro vydavatele práva autora obsažených článků nejsou dotčena. Autorské právo přechází na dědice. Za užití díla náleží autorovi autorská odměna ( logické je její stanovení ve smlouvě o užití díla ). Po uplynutí doby ochrany se stává dílo volným, k jeho užití není potřeba svolení a není povinnost platit autorskou odměnu. Právo na autorství je však třeba respektovat tzn. uvádět jméno autora (je-li znám), uvádět dílo způsobem odpovídajícím jeho hodnotě. Právní normy o ochraně duševního vlastnictví postihují i řadu specifických případů např. spoluautorství, používaná terminologie může v některých případech vyžadovat seznámení s úplným zněním zákona, které rozsah této kapitoly nemohl postihnout. Podobně je třeba vzít v úvahu, že zákony jsou průběžně aktualizovány, jsou doplňovány dalšími právními akty (vyhláškami, nařízeními...) a proto v konkrétních případech je třeba seznámit se s jejich aktuálním zněním. V těchto případech lze doporučit i využití služeb patentových zástupců sdružených v Komoře patentových zástupců, vykonávajících svou činnost samostatně, nebo specializovaných advokátních či komerčně právních kanceláří.


53

6 ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA Elektromagnetická kompatibilita je (mezioborová) disciplína zabývající se otázkami nežádoucího ovlivňování činnosti různých technických i biologických systémů účinky elektromagnetického pole, přičemž jednotlivé systémy mohou, ale nemusejí mít vzájemnou funkční souvislost. Disciplína zkoumá též cesty vedoucí k minimalizaci uvedeného ovlivňování. Stejným termínem (tj. elektromagnetická kompatibilita) označujeme také vlastnost charakterizující schopnost současné správné činnosti jednotlivých systémů daného souboru, svázaných spolu prostřednictvím elektromagnetických vazeb. (Tato vlastnost elektronických zařízení je dosažena konstrukcí těchto zařízení - to je hlavní důvod, proč se zabýváme elektromagnetickou kompatibilitou jako vědní disciplínou.) Název elektromagnetická kompatibilita pochází z angl. electromagnetic compatibility (rus. elektromagnitnaja sovmestimosť, něm. Systemverträglichkeit nebo Elektromagnetische Verträglichkeit), další možný překlad elektromagnetická slučitelnost nepovažuje většina čs. odborníků pracujících v této oblasti za vhodný. Mezinárodně uznávanou zkratkou je EMC (příp. EMV v německy mluvících oblastech). Základní schéma strukturálních souvislostí mezi elektrotechnickými systémy vytvořenými člověkem a přírodními zdroji elektromagnetického rušení ukazuje obr. 5.1. Dráhy označené šipkami představují nežádoucí elektromagnetické vazby. Z obecného hlediska se může ovlivnění čili interference (mezinárodně používaná zkratka EMI, eletromagnetic interference) určitého systému projevovat v různých formách od zhoršení kvality přes částečné nebo úplné omezení funkce až k havarijním stavům, ať už z hlediska technologického nebo bezpečnostního. I když EMC vždy řeší vzájemné vztahy dvou nebo více systémů, považujeme postupně vždy jeden z nich za systém sledovaný

54


(ovlivňovaný, interferovaný). Ostatní systémy jsou pak systémy ovlivňující (interferující), které též můžeme označit za interferenční zdroje.

Vznik EMC souvisí s rozšiřováním elektroniky v nejrůznějších oborech lidské činnosti. Jedna z prvních aplikací se objevila v letectví a námořnictví, protože právě v letadlech a na lodích se soustřeďuje v malém prostoru velké množství rádiových prostředků současně s celou řadou elektronických a elektrických zařízení (vč. silových). Přitom bylo nutné zajistit jejich spolehlivou činnost bez vzájemného rušení a nepříjemného ovlivňování, neboli vytvořit stav jejich elektromagnetické kompatibility. Členění problematiky EMC. Jakožto mezioborová disciplína má EMC značně široký záběr zahrnující řadu oblastí. Z praktického hlediska je vhodné uvažovat elektromagnetickou kompatibilitu - na čipu integrovaného obvodu - uvnitř jednoho přístroje - ve složitějších systémech (viz obr. 5.4) Elektromagnetickou kompatibilitou na čipu se v tomto textu nebudeme zabývat. Ve všech těchto případech problematika EMC zahrnuje:


55

1. zdroje rušivých signálů, 2. cesty přenosu rušivých signálů, 3. přijímače rušivých signálů, 4. snižování úrovně rušivých (interferenčních) signálů, 5. zlepšování odolnosti zařízení vůči rušivým signálům. 1. Zdroje rušivých signálů. V oblasti zdrojů rušivých signálů se zkoumají zejména obecné otázky mechanismů vzniku rušení, jeho charakteru a intenzity. Z přehledu na obr. 5.3 vidíme, že rušivé signály mimo jiné vznikají všude tam, kde dochází k rychlým změnám napětí nebo proudu. Mezi přirozené zdroje rušení patří hlavně elektrické výboje v ovzduší, prudké změny zemského magnetického i elektrického pole (elektromagnetické bouře, polární záře apod.) a elektromagnetická vlnění produkované produkovaná kosmickými tělesy. Tab. 5.1. Kmitočtový rozsah některých zdrojů rušivých signálů Kmitočtové pásmo Kmitočtové pásmo Zdroj poruch šířících se po poruch šířících se vedení prostorem zářivka 0,1 Hz až 3 MHz 100 Hz až 3 MHz rtuťová výbojka 0,1 Hz až 1 MHz kolektorové motory 2 Hz až 4 MHz 10 Hz až 400 kHz síťové vypínače 0,5 Hz až 25 MHz výkonové spínače 10 Hz až 25 MHz 0,1 Hz až 20 MHz spínačové zdroje 0,1 Hz až 30 MHz 0,1 Hz až 30 MHz koronový výboj 0,1 Hz až 10 MHz klopné obvody 15 kHz až 400 MHz kontakty termostatů 30 Hz až 1000 MHz neuzemněné kovové 10 Hz až 10 MHz skříně přístrojů Pro velkou rozmanitost umělých zdrojů rušení lze uvést pouze typické příklady. V elektrických provozech jde hlavně o generátory, vypínače, odpojovače a transformátory velkých elektrických výkonů, vedení velmi vysokého a vysokého napětí, ale také o náhodné zdroje jako sršení na znečištěných izolátorech a uvolněných připojovacích svorkách, korona, různá jiskření apod. V průmyslových provozech k tomu přistupují usměrňovače, obloukové pece, zařízení pro vf ohřev, stykače, svářecí agregáty a zvláště výkonové polovodičové měniče. Z dalších zdrojů možno jmenovat některé lékařské přístroje, zářivkové osvětlení, spalovací motory, elektrickou trakci, ale i domácí elektrické spotřebiče a některá zařízení spotřební elektroniky. Řadí se k nim též zdroje vytvářející magnetostatická i elektrostatická pole. Všechny zmíněné zdroje je pak možno

56


třídit podle různých hledisek, jako je kmitočtová oblast, časový průběh rušivého napětí, doba trvání, aj. Kmitočtový rozsah některých zdrojů je v tab. 5.1. Obr. 5.5. ilustruje typy poruch, které se šíří po napájecí síti.

Závažné mohou být i vnitřní zdroje rušení. Jako "vysílací antény" slouží veškeré dlouhé přívody, podlouhlé konstrukční díly zařízení, ale i dlouhé vodiče na deskách plošných spojů. Jsou-li na deskách rychlé integrované obvody, potom proudové impulsy na takové desce


57

vyzařují signály se spektrem až v oblasti GHz. Dalším zdrojem rušení jsou spínané napájecí zdroje používané běžně pro napájení digitálních obvodů. Obr. 5.6. ilustruje vliv tvaru pulsů na spektrální hustotu.

Zcela zvláštní zdroj rušení by představoval nukleární elektromagnetický impuls (EMP, častěji NEMP = Nuclear Electromagnetic Pulse). Každý jaderný výbuch je kromě běžně známých účinků provázen i vznikem intenzívního elektromagnetického impulsu. Jeho parametry jsou závislé především na velikosti nálože a místě výbuchu vůči zemskému povrchu. Při pozemním jaderném výbuchu je nutno počítat s rušivými i destruktivními účinky na elektrická i elektronická zařízení v okruhu 10 až 100 km od epicentra. Strmost vzrůstu NEMP je 20 až 100-krát vyšší než strmost nárůstu elektromagnetického pole vyvolaného bleskem. Indukované proudy, ať již v pláštích letadel, či dlouhých pozemních vedeních, mohou dosáhnout i stovky, ba dokonce i několik tisíc ampérů. 2. Cesty přenosu rušivých signálů. Vazba mezi zdrojem a příjemcem může být galvanická, kapacitní, induktivní nebo elektromagnetická (nebo jejich kombinace). Galvanické vazby se uplatňují na společných vodičích, kterými jsou nejčastěji vodiče napájecí nebo uzemňovací. Průtokem proudu, který je zdrojem rušení (např. impulsy ze střídačového zdroje, z hodinového oscilátoru, apod.), vzniká na odporu a při vyšších kmitočtech i na indukčnosti vodiče parazitní napětí, které se tak dostává do rušeného obvodu, má-li tento obvod s rušícím obvodem část společného vedení. Kapacitní vazby vznikají mezi vodiči vedenými blízko sebe, hlavně pak mezi vodiči vedenými ve větší délce paralelně, např. ve svazcích vodičů, v kabelech nebo na deskách plošných spojů. Induktivní vazbu pozorujeme tam, kde rušící proud protéká smyčkou a rušený obvod obsahuje také smyčku (prostorově blízkou). Vazba je tím silnější, čím je větší plocha obou smyček. Induktivní vazba však také vzniká, když přijímací smyčkou prochází rozptylové magnetické pole transformátoru nebo tlumivky. Elektromagnetickou vazbu působí šíření elektromagnetické vlny buď po vedení nebo volným prostorem. Jako vedení poslouží elektromagnetické vlně elektrovodná síť, napájecí vodiče, ba někdy i vodiče uzemňovací nebo signálové (které přenášejí žádaný signál z jedné části do jiné). Jako anténa fungují jednak vodiče, jednak proudové smyčky. Elektromagnetická vazba je typická pro přenos rušivých signálů mezi prostorově oddělenými zařízeními, zatímco vazba galvanická je spíše typická pro přenos rušivých signálů v rámci jednoho zařízení (tato problematika bude probrána v kapitole o elektrické konstrukci). 3. Přijímače rušivých signálů. Na cesty přenosu rušivých signálů úzce navazuje problematika přijímačů rušení. Jde především o klasifikaci jednotlivých typů a podrobnou specifikaci rušivých účinků. To spolu s rozborem konstrukčních a technologických parametrů umožňuje např. objevovat příčiny malé odolnosti. Nejcitlivější na rušení jsou elektronická zařízení, která zpracovávají malé analogové signály. Jedná se především o rozhlasové a televizní přijímače, jejichž antény zachycují vedle žádaných signálů i signály poruchové, které se šíří prostorem ve formě elektromagnetických vln. Poruchy se šíří i po elektrorozvodné síti a pronikají do vf a nf obvodů elektronických zařízení, které jsou ze sítě napájeny (především elektroakustická zařízení a měřící přístroje). Méně citlivé na rušení jsou zařízení digitální techniky. Tato odolnost byla jedním z hlavních důvodů digitalizace v elektronice (přístrojů i přenosových cest). Intenzivní zdroje rušení však

58


mohou rušit i digitální přístroje tím, že silná jednorázová porucha změní hodnotu některého přenášeného bitu. Další dvě důležité oblasti EMC řeší otázky směřující ke zvýšení elektromagnetické kompatibility elektrotechnických systémů (tj. metody omezování působení rušivých signálů a omezením cest, kterými se rušivé signály šíří). 4. Snižování úrovně rušivých signálů. V této podkapitole se budeme zabývat dvěma problémy: jednak snižováním úrovně generovaných rušivých signálů v místě jejich vzniku a jednak na jejich cestě od zdroje k přijímači. Jde tedy o oblast odpovídající prvním dvěma bodům výše uvedené klasifikace (nemělo by praktický smysl vyšetřovat tyto dvě oblasti odděleně).

Oblast zabývající se způsoby snižování úrovně (omezování) rušivých napětí a polí produkovaných zdroji rušení se často označuje jako odrušování zdrojů rušení. Zmíněná činnost se prakticky projevuje ve dvou hlavních směrech. Prvním z nich je snaha omezit vznik parazitních produktů přímo vhodnou konstrukcí. Ukazuje se, že v řadě případů se při zachování požadované funkce může docílit podstatného snížení rušivých produktů jen za cenu poměrně jednoduchých úprav a nepatrně zvýšených výrobních nákladů. Tato opatření závisí na druhu odrušovaného zařízení. V napájecích obvodech může pomoci použití spínačů spínajících v nule, změna režimu fázového řízení výkonových měničů, použití síťového


59

transformátoru s toroidním jádrem (který má malé rozptylové pole) apod. Startéry zářivek jsou přemostěny odrušovacími kondenzátory, které zkratují vysokofrekvenční složky, vznikající při rozpojení startérového kontaktu. Další šíření do sítě pak omezuje tlumivka, jejíž hlavní funkcí je udržování stabilního výboje. Obdobně potlačujeme rušení od komutátorových motorků (jiskření kartáčů) zapojením kondenzátoru přímo mezi kartáče, další dva kondenzátory spojují kartáče s rušivým signálem s ochranným vodičem, statorové vinutí bývá rozděleno na dvě části, které svou indukčností dále brání šíření poruch. I jiné spínací kontakty přemosťujeme kondenzátory nebo členy RC. Přístroje rozdělujeme na zóny s různou úrovní rušení (často navzájem stíněné - viz další bod). Druhým směrem je doplnění již vyráběných zařízení vhodnými filtry. Největším problémem bývá samotný návrh filtru, vzhledem k obvyklému širokopásmovému charakteru zdroje rušení a značně se měnící impedanci zátěže a i vlastní realizace, v důsledku nedostatku vhodných součástek. Zvláštní pozornost se věnuje hospodaření spektrem (spectrum management) a otázkám spektrální čistoty signálu (kmitočtová syntéza a analýza, šum oscilátorů, synchronizace, filtrace). Snížení vzájemného rušení může vést i ke snižování vysílaných výkonů u sdělovacích systémů. Snahy po zmenšování zařízení i součástek, stejně jako zvyšování jejich operační rychlosti a snižování signálových úrovní ztěžuje úspěšné odrušování. Oblast zahrnující problematiku omezování nežádoucích elektromagnetických vazeb se štěpí do mnoha různorodých směrů. Zkoumají se tu účinky elektromagnetických polí na konkrétní rozmístění interferovaných systémů, způsoby stínění a materiály pro stínění, vazby vznikající souběhem dálkových silnoproudých a telekomunikačních vedení, šíření rušivých napětí distribučními energetickými i trakčními sítěmi, vazby mezi napájecími a signálovými obvody v objektech, redukční účinky jednotlivých druhů sdělovacích kabelů, způsoby uzemnění a vytváření uzemňovacích sítí ap. Nezbytný je také pečlivý návrh spojů a desek plošných spojů. Rušivé signály, pronikající galvanickými vazbami od zdroje k přijímači, se omezí nejlépe tím způsobem, že uspořádáme vodiče tak, aby rušící a rušený okruh neměly žádnou společnou část. Jedná se nejčastěji o okruhy napájecí a zemnicí. Když není úplné oddělení okruhů možné, musí mít společná část minimální impedanci, tj. ohmický odpor a indukčnost. Odpor vodiče snížíme zvětšením jeho průřezu, přičemž na tvaru průřezu příliš nezáleží. Indukčnost se sníží použitím vodiče většího průměru. Lepšího efektu však dosáhneme použitím třeba i tenkého, ale širokého vodiče s průřezem obdélníkovým. Kapacitní přenosové cesty se omezí jednak umístěním rušeného okruhu co nejdále od okruhu rušícího, jednak použitím kovového stínění. Vestavění stínící přepážky z mědi nebo hliníku představuje účinné přerušení cesty rušivého signálu, ale bývá prostorově náročné. Použití stínících krytů nebo stíněných vodičů je z hlediska účinnosti rovnocenné, avšak zpravidla dochází ke zvýšení kapacit stíněných prvků proti zemi, což může nepříznivě ovlivňovat funkci zařízení. Zdrojem induktivních vazeb jsou jednak rozptylová pole transformátorů nebo tlumivek, jednak magnetická pole generovaná proudovými smyčkami. Pole smyček se omezí zmenšením jejich plochy. To platí pro smyčku "vysílací" i "přijímací". Při hledání přijímacích smyček si musíme uvědomit, že každý proud teče uzavřeným okruhem (nezapomenout na zemní a napájecí vodiče), tedy zpětné vodiče mají vést v těsné blízkosti vodičů přívodních (a z hlediska parazitní zpětné vazby by zemní část smyčky měla být samostatná, neměl by tu protékat žádný jiný proud). Na DPS se napájecí vodiče navrhují co nejširší, vedou se planparalelně nebo těsně vedle sebe, jejich součástí jsou blokovací kondenzátory.

60


Rozptylová pole transformátorů a tlumivek se dají potlačit např. použitím hrníčkových nebo ještě lépe toroidních jader. Magnetickou vazbu lze omezit rovněž vhodným natočením zdroje rušivého pole tak, aby napětí indukované tímto polem do rušeného obvodu bylo minimální. Konečně je možné i magnetické stínění. Pro nízké kmitočty vyhovuje stínění z materiálu s velkou permeabilitou, pro kmitočty vysoké je často účinnější stínění měděné, které brání průniku vysokofrekvenčního magnetického pole tím, že se ve stínění indukují vířivé proudy. Nejdokonalejší stínění pro magnetické pole je pak vícenásobné stínění pomocí přepážek či krytů, sestavených z několika vrstev střídavě vodivých a magnetických. Aby mohlo docházet k přenosu rušivých signálů pomocí elektromagnetických vln, musí být jednak kmitočet dost vysoký, jednak musí být jak vysílač, tak přijímač vybaven anténou. Jako anténa ovšem funguje každý vodič, který vede od zdroje poruch a také každý vodič, který vede k místu citlivému na poruchy. Anténa, která je na opačném konci otevřená (samozřejmě pro vysílaný nebo přijímaný kmitočet), rezonuje na vlnové délce odpovídající lichému počtu čtvrtvln na anténě a na svých rezonančních kmitočtech vysílá i přijímá nejlépe. Naopak anténa, která je na opačném konci uzemněna, rezonuje na vlnové délce, odpovídající sudému počtu čtvrtvln. Rovněž vodivá smyčka může působit jako tzv. rámová anténa. Elektromagnetické rušení se pokusíme odstranit řádným stíněním. Elektromagnetické vlny se ovšem mohou šířit i po vedení, např. po elektrovodné síti. Zde si pak pomáháme síťovými filtry, které jsou zapojeny v síťovém přívodu zařízení a chrání před vnějším rušení (a naopak u vysílačů omezuje výstup rušení - viz dříve). Obvody, kterými protékají střídavé proudy je nutno umístit tak, aby zabíraly co nejmenší plochu a aby veškeré spoje byly co nejkratší. Tyto obvody (oscilátory, zesilovače) odebírají i z napájecího zdroje střídavou složku, je třeba tuto střídavou složku co nejblíže u odebírajícího obvodu vyfiltrovat blokovacím kondenzátorem. Podobně se omezuje šíření poruch od spínaných zdrojů nebo od regulačních obvodů tyristorových regulátorů elektrických pohonů. 5. Zlepšování odolnosti zařízení vůči rušivým signálům je vlastně jedním z důležitých směrů obecné problematiky zvyšování spolehlivosti elektronických zařízení. Zahrnuje nejen způsoby filtrace napájecích přívodů a přepěťové ochrany na vstupech, ale též konstrukční a technologické uspořádání částí elektronických zařízení omezující vnitřní interferenci (naznačené v předchozí kapitole) a také zkoumá vlastnosti jednotlivých elektronických prvků z hlediska odolnosti proti rušivým vlivům (např. účinky statické elektřiny a náhodných přechodových jevů na polovodičové součástky). Měření rušivých polí a rušivých napětí. Velmi rozsáhlou a důležitou je oblast měření rušivých polí a rušivých napětí. Zabývá se kvantitativním zjišťováním vybraných parametrů, které reprezentují elektromagnetické pole na všech třech základních článcích EMC (zdroj cesta - přijímač). Rušivá elektromagnetická pole je nutno z hlediska metod měření zásadně rozdělit na pole krátkodobého a ustáleného charakteru. Rušivá pole krátkodobého charakteru (elektrické výboje přirozeného nebo umělého původu) se měří buď přímými nebo nepřímými metodami. Přímé metody využívají nejčastěji čítačů rušivých impulsů s rozlišením podle amplitudy, doby trvání či kmitočtového pásma, někdy spřažené se záznamovým zařízením časového průběhu (paměťový osciloskop, rychlá digitální paměť). Nepřímé metody využívají ke zhodnocení interference, např. speciální měřiče krátkodobých přerušení okruhů a měřiče krátkodobých poklesů úrovně. Rušivá elektromagnetická pole ustáleného charakteru dělíme na časově neproměnná (statická) pole a časově proměnná (střídavá) pole. Magnetostatická pole nejčastěji hodnotíme pomocí měřičů intenzity magnetického pole, elektrostatická pak obvykle pomocí měřičů intenzity elektrického pole.


61

Při měření střídavých elektromagnetických polí se v praxi užívá různých druhů měřicích přístrojů. V nízkofrekvenční oblasti jsou to zejména selektivní voltmetry či měřiče úrovně a analyzátory, dále pak voltmetry se zhodnocovacími (psofometrickými) filtry. Měřicí přístroje a metodiky nejsou pro zmíněnou oblast jednotně definovány a jsou závislé na tom, zda slouží pro odvětví energetiky, spojů, automatizačních zařízení ap. Z hlediska měření rušení rádiového příjmu je oblast kmitočtově definována od 10 kHz do 1000 MHz (a nověji až do 12,5 GHz). V pásmu od 10 kHz do 30 MHz se měří magnetická nebo elektrická složka intenzity elektromagnetického pole pomocí přesně definovaných antén a tzv. měřičů rušení. Jsou to v podstatě selektivní elektronické voltmetry cejchované v decibelech se vztažnou hodnotou 1 µV.m-1. V pásmu 30 až 1000 MHz se měří pouze elektrická složka intenzity rušivého pole. Přímé měření intenzity elektromagnetického pole se však vždy nehodí pro hodnocení vysokofrekvenčních rušivých napětí, zejména pak v podmínkách průmyslových závodů. Proto je též definována zjednodušená měřicí metoda, která vychází z toho, že působení vnějšího elektromagnetického pole se projevuje vznikem rušivého napětí na svorkách sledovaného elektrického systému. Měří se stejnými měřiči rušení jako v předchozím případě. Metoda přirozeně předpokládá, že rušivá napětí vstupují do sledovaného systému pouze definovanými cestami. Přitom se však může jednat o svorky vstupní, výstupní, napájecí, zemnicí ap. Její použití je tedy závislé na konkrétním konstrukčním a technologickém uspořádání přijímače rušení. V případech měření na síťových svorkách, používá se obvykle zvláštní měřicí doplněk - umělá síť. V principu je to speciální výkonový filtr s přesně definovanou impedancí, který zaručuje srovnatelnost měření v různých bodech napájecí sítě. Kromě měření se rozvíjí v současné době velmi rychle oblast testování odolnosti potenciálních přijímačů rušení (převážně elektronických přístrojů). Metoda testování je založena na tom, že zkoušený objekt je ovlivňován rušivým napětím, generovaným tzv. simulátorem rušení. Ten simuluje působení skutečných rušivých napětí na svorkách reálných přístrojů a umožní tak ověřovat jejich funkci ať už z kvantitativního nebo kvalitativního hlediska. Simulují se např. rušivá napětí generovaná mechanickými spínači či napodobující statické výboje (rušivé impulsy s krátkým čelem, nízkým energetickým obsahem a s měnitelnou amplitudou, šířkou a polaritou). Podobně se simulují napěťové impulsy s velkou energií superponované na síťové napětí, dále pak krátkodobé výpadky a kolísání síťového napětí, symetrická a nesymetrická interference na signálové vedení, souběh rušícího napájecího a rušeného signálového vedení aj. Simulátory rušení se vyrábějí buď jako jednoúčelové testery nebo jako stavebnicové testovací soupravy. Uvedená zařízení se stávají čím dále, tím více nepostradatelnou pomůckou jak při vývoji a výrobě elektronických zařízení, tak i při jejich uvádění do provozu. Na všechny dosud popsané oblasti úzce navazuje oblast tvorby norem a předpisů EMC. Podobně jako v jiných oborech, jedná se i tady o soubor norem podnikových, resortních, státních i mezinárodních. Nejdůležitější bývají normy určující metodiky měření rušivých vlivů a přípustné hladiny rušivých polí i napětí v jednotlivých prostředích. (Poznamenejme, že tyto normy a předpisy se netýkají EMC na čipu integrovaného obvodu nebo uvnitř jednoho zařízení, ale pouze chování zařízení jako zdroje nebo přijímače rušení). Prudce vzrůstající množství zařízení produkujících rušení a také rostoucí počet zařízení citlivých na rušivé signály vedou k potřebě mezinárodního sjednocení požadavků na elektromagnetickou kompatibilitu. Státy Evropského společenství proto v roce 1985 ustavily komisi, která vypracovala základní směrnice pro elektromagnetickou kompatibilitu. Směrnice dostala jméno EMC Directive 89/336 EEC a budou jí muset vyhovovat veškerá elektronická zařízení z hlediska minimalizace vzájemného rušení nebo nepříznivého ovlivňování.

62


Direktiva obsahuje kromě technických i řadu právních požadavků. Nejvýznamnější je předpis, vyžadující od každého výrobce jmenovat pracovníka, který je osobně zodpovědný za to, že zařízení dodávané na trh odpovídá všem odrušovacím předpisům. Nedodržení uvedených podmínek bude mít za následek stíhání zodpovědného pracovníka. Výrobek nebude možné uplatnit na trhu a používat ho. EMC se musí respektovat již při návrhu výrobku. Dodatečné odrušení bude velmi drahé, protože si často vyžádá rozsáhlou rekonstrukci. Rekonstrukce bude nutná u mnoha starších zařízení, která bude chtít výrobce prodávat od roku 1996 (původně uvažováno od 1992). Právě tak nebude možné uvést na trh žádné zařízení z dovozu, které by nebylo úspěšně vyzkoušeno podle norem. Direktiva dovoluje dvě cesty. Prvá cesta spočívá ve vlastní certifikaci. Ta je možná, spadá-li výrobek do příslušné euronormy EN. Výrobce je v tom případě povinen: a) vyzkoušet výrobek podle příslušné normy vlastními prostředky nebo v oprávněné specializované laboratoři mimo podnik a vyzkoušení zaplatit, b) vydat prohlášení o tom, že výrobek stanovené normě vyhovuje; prohlášení podepíše zodpovědný pracovník, c) opatřit výrobek značkou CE v oválu (Certified Europe). Druhá cesta je vytvoření tak zvaného "technického file", což je detailní technický popis výrobku. Podrobné údaje od počátku vývoje až po výrobu jsou doplněny výkresovou dokumentací, diagramy a podrobnými výsledky měření jednotlivých částí zařízení, z nichž jednoznačně vyplývá, že výrobek splňuje požadavky EMC. Měření provádí k tomu akreditovaná osoba a soulad s technickým file kontroluje zástupce nadřízeného národního úřadu. Požadavky Direktivy se nutně musí projevit také na našich výrobcích, zejména budeme-li je chtít vyvážet do zemí ES. Nebude to ovšem pro nikoho záležitost levná. Uveďme příklad vybavení laboratoře pro kvalitativní sledování rušivých signálů. Takové měření vyžaduje analyzátor spektra s kmitočtovým rozsahem 2 GHz, sondu na detekování rušivých polí a napěťovou sondu ke zjišťování rušivých signálů na vedení. Kvalifikované měření emisí v definovaných podmínkách vyžaduje pracoviště rozšířit o antény (pro pásmo 30 až 300 MHz bikonická anténa, pro rozsah 300 až 1000 MHz anténa logaritmickoperiodická). Pracoviště musí být dostatečně prostorné a ploché, s kovovou základnou z plného materiálu nebo z mřížky s oky, menšími než 30 mm (0,1 # pro 1 GHz). Předpisy stanoví, že základna přesahuje nejméně 1 m za měřený objekt na jedné straně a 1 m za anténu na straně druhé. K měření rušivých signálů po vedení jsou také nutné filtry. Těmi se zajistí stálá definovaná impedance měřeného objektu v místě připojení na síť. Nejmodernější centrum pro měření EMC v Evropě bylo vybudováno v roce 1988 v Grendingu, SRN. Má k dispozici řadu stíněných prostor (stínící účinek je asi 100 dB), které mají výrazně sníženu odrazivost pomocí absorbérů (na 30 MHz 16 dB a na 1 GHz více než 40 dB). Centrum může sledovat vyzařování do 40 GHz a odolnost proti rušení do 18 GHz. V centru se ověřuje i odolnost zařízení proti bleskům a odolnost munice proti působení elektromagnetického rušení. Největší hala má rozměry 45 x 20 x 18 m! Podobnou zkušebnu postavila v Japonsku firma TOYOTA, ve Francii DESSAULT. Domácí pracoviště, které se dlouhodobě zabývá elektromagnetickou kompatibilitou, působí ve Výzkumném ústavu silnoproudé elektrotechniky v Praze 9-Běchovicích. Rozsah měření v kmitočtové oblasti je od 0 do 1000 MHz, napěťové od 50 mV do 400 kV. Pracoviště se zaměřuje především na silnoproudé aplikace.


63

Odrušování zásahem u zdroje Jak již bylo uvedeno, rušení lze (více či méně) omezit několika cestami (záleží na zdroji rušení a přenosové cestě). Ovšem potlačení rušivé energie v místě jejího vzniku je zpravidla nejsnazší a nejúčinnější cestou. Podle charakteru rušivého zdroje je možné cíle dosáhnout různými způsoby. Rušivé vyzařování komutátorových motorků lze odstranit například připojením složitého odrušovacího filtru nebo úpravou mechanického stavu (výměnou ložisek, uhlíků, kotvy) a ponecháním původního jednoduchého odrušení. Rušící termostat je snazší nahradit typem, který rozepíná mžikově než dodatečně zapojovat do obvodu odrušovací filtr. Jindy, zejména u složitých elektronických zařízení, je nejefektivnější cestou stínit celé zařízení, což omezí rušivé vyzařování a funkci zařízení neovlivňuje. Souhrnně to můžeme charakterizovat jako udržování zařízení v náležitém technickém stavu. Použití odrušovacích prostředků je však hlavním způsobem jak potlačit rušení. Důležitá je nejen volba odrušovacího prostředku, ale především způsob a místo připojení v rušícím zařízení. Moderní elektronická zařízení (především ta, která obsahují mikropočítače) mohou s odrušením obstát jen tehdy, když se tato problematika sledovala již při jejich vývoji. Dodatečné zásahy jsou nejen složité a nákladné, ale mohou nekontrolovatelně ovlivnit jejich spolehlivost i funkci. Zdroje rušení lze rozdělit na dvě charakteristické skupiny. Širokospektrální zdroje produkují souvislé rušivé spektrum v širokém kmitočtovém rozsahu jako nežádoucí produkt funkčních pochodů. Patří sem tyristorová zařízení, spínané zdroje, komutátorové motorky, kontakty, linky vysokého napětí, rozkladové části televizních přijímačů a řada dalších. Úzkopásmové zdroje produkují vf energii v úzkém kmitočtovém pásmu kolem základního kmitočtu, případně jeho násobků. Takovými zdroji jsou oscilátory přijímačů, rádiové vysílače všeho druhu, výkonové průmyslové generátory. Vf energie v nich vzniká v souvislosti se základní funkcí. Při odrušování se k oběma skupinám přistupuje specificky. Odrušení mechanických kontaktů V technické praxi jsou mechanické kontakty častým zdrojem rušení. Lokalizace tohoto druhu rušení nebývá jednoduchou záležitostí a ani odrušení není jednoduché. Příčinou rušení je jiskření na kontaktech, které vzniká přerušováním proudového obvodu se zátěží indukčního charakteru. Rušivá vf energie zabírá široké spektrum od akustických kmitočtů někdy až do IV. TV pásma. Na obr. 5.9a je jednoduchý obvod s cívkou L a spínačem S. Po sepnutí spínače protéká obvodem proud a v cívce L se hromadí magnetická energie úměrná vztahu LI2/2. Po rozpojení obvodu se na kontaktech s objeví indukované napětí di UL ≈ L dt Ze vztahu vyplývá, že napětí je úměrné indukčnosti cívky a rychlosti rozpojení. Vzniklé jiskření nebo i oblouk mezi kontakty jsou vlastní příčinou vzniku vf rušení. Aby se nežádoucímu jevu zabránilo, je třeba pro energii nahromaděnou v cívce nalézt jinou, paralelní cestu. V jednoduchých případech k tomu stačí rezistor (obr. 5.9b). Při stejnosměrném proudu lze výhodně místo odporu zapojit polovodičovou diodu (obr. 5.9c). Při sepnutí S neteče diodou "paralelní" proud, jako v předchozím případě. Při střídavém proudu a malém napětí se využívá Zenerových diod (obr. 5.9d).

64


Nejčastěji se k potlačení jiskření na kontaktech používá článek RC (zhášecí obvod), který se připojuje buď ke kontaktu, nebo k cívce (obr. 5.9e). Při rozpojeném kontaktu S se kondenzátor C nabíjí a vytváří pro magnetickou energii cívky paralelní cestu, při sepnutém kontaktu se přes něj vybíjí, čímž by přispíval k většímu jiskření. Proto se do série zařazuje odpor R, který vybíjecí proud omezuje. Zhášecí obvod RC tedy není odrušovacím prvkem v pravém slova smyslu. Vzniklou vf energii netlumí, ale mění charakter spínacího pochodu. Optimální kapacita kondenzátoru a hodnota odporu a zejména jejich vzájemný poměr závisí na indukčnosti a odporu cívky, na materiálu kontaktů, na proudu v obvodu i na velikosti indukovaného napětí. Pro odrušení kontaktů členem RC podle obr. 5.9e se volí C v mezích 0,05 až 1 uF a R 5 až 200 X. V síťových obvodech 220 V, 50 Hz se potom nejčastěji používá kombinace 0,1 uF/380 V + 50 X (vyráběla se v n. p. TESLA pod označením TC 11108). Na obr. 5.10 je zhášecí obvod použit k ochraně kontaktů a k omezení rušení u spínače transformátorové pájky. Na obr. 5.11 je tzv. Larsenovo zapojení pro odrušení kontaktů. Proti členu RC má výraznější odrušovací účinek. Velmi účinného odrušení kontaktu na obr. 5.12 je dosaženo kombinací odrušovacích prostředků a stínění. Používá se při zvláštních nárocích na odrušení. Odrušování komutátorových motorků Tyto motorky patří k nejčastějším zdrojům průmyslového rušení, protože jsou v nejrůznějších zařízeních v průmyslu, kancelářích, ústavech i obchodech; jsou i základní součástí většiny domácích spotřebičů. Komutátorové motorky nalezneme ve vysavačích, šicích strojích, holicích strojcích, pračkách, odstředivkách, mixerech, ručním elektrickém nářadí, vysoušečích vlasů, leštičích parket nebo i dětské autodráze. Jimi vyvolané rušení má širokospektrální charakter se složkami až do TV pásem. Předpokladem úspěšného odrušení je dobrý mechanický stav samotného motorku. Zkontroluje se nejdříve opotřebení uhlíků; při náhradě se dodrží původní typ. Příčinou zvětšeného rušení mohou být také opotřebovaná ložiska, vystupující lamely nebo mezilamelová izolace, případně neokrouhlý komutátor. Je-li k tomu možnost, vyplatí se přetočit kotvu v hrotech na soustruhu. Z elektrických závad podstatně zvětšují úroveň rušení závitové zkraty v kotvě nebo svody vinutí na kostru, což se však obvykle zjevně projeví na funkci. Zde pokusy o odrušení zpravidla ztroskotají. K samotnému odrušení lze přejít až po odstranění mechanických závad. Prvým a velmi účinným zásahem je přepojení statorových vinutí, často zapojených podle obr. 5.13a. symetricky podle obr. 5.13b. Dále lze rušení zmenšit nejjednodušeji zapojením širokopásmového kondenzátoru 50 až 100 nF + 2x 2,5 nF podle obr. 5.14. Tuto kombinaci dodává výrobce v pouzdru s pěti vývody, např. pod označením TC 240 (dříve WK 724 21 nebo WK 724 92). Náhrada třemi samostatnými kondenzátory je možná na úkor širokopásmovosti. Kondenzátory 2,5 nF však musí být na provozní napětí 220 V, 50 Hz. U těchto tzv. bezpečnostních kondenzátorů je třeba dodržet kapacitu vzhledem k velikosti proudu, unikajícího do kostry zařízení.


65

Širokopásmový kondenzátor tohoto typu účinně potlačuje jak symetrickou, tak nesymetrickou složku rušení, takže postačí k dokonalému odrušení řady domácích spotřebičů, např. vysavačů a ručního nářadí. Rušivé složky v I. až III. TV pásmu se výrazně potlačí rozšířením obvodu o další kondenzátor a vf tlumivku s indukčností řádu desítek uH podle obr. 5.15. Tlumivky lze realizovat navinutím 15 až 20 závitů lakovaného drátu o o 0,5 mm na feritovou tyčinku o o 2 až 3 mm. Optimální je vf ferit (postačí však i materiál pro nízké kmitočty). Změníme-li předchozí zapojení podle obr. 5.16, můžeme použít k účinnému odrušení filtr vyráběný pod označením TC 241 (dříve WK 724 22, WK 724 23).

Na obr. 5.13 je zapojení odrušovacích prostředků komutátorového motoru v rotátoru směrové antény. Odrušení je širokopásmové. Při montáži odrušovacích součástek je třeba dodržovat zásadu co nejkratších přívodů. Doporučuje se používat keramické kondenzátory, umožňující účinné odrušení tam, kde je nedostatek místa pro svitkové. Při odrušovacích

66


pracích je třeba vždy sledovat i hlediska bezpečnostní, tj. po odrušení kontrolovat střídavý proud unikající do kostry zařízení a odrušovací prostředky zapojovat až za síťový spínač. Odrušování polovodičových usměrňovačů, regulátorů apod. Vznik rušení u křemíkových usměrňovacích diod. Depletiční vrstva polovodičové diody je při průtoku v propustném směru "zaplavena" nosiči nábojů obojího znaménka. Při průchodu napětí nulou proud nepřestává téci, po několik mikrosekund prochází v závěrném směru. Tento zpětný proud se přeruší a přejde do závěrného proudu, až když jsou nosiče nábojů, shromážděné v hradlové vrstvě "odsáty" přiloženým záporným napětím. Špička zpětného proudu je tím větší, čím větší byl procházející proud. Zpětný proud při začátku půlvlny závěrného napětí velmi rychle mění svou velikost. Polovodičová dioda se v tomto okamžiku chová jako rozpojující se spínač, což má za následek při indukčním charakteru obvodu prudké zvětšení indukovaného napětí (které může diodu i poškodit) a vznik vyšších harmonických složek proudu spektrálního charakteru až k rozsahu krátkých vln. Vznik rušení u tyristorů a triaků Triaky a tyristory jsou nejčastěji používány jako regulátory příkonu různých, ze sítě napájených silnoproudých zařízení. Princip regulace spočívá v tom, že zátěž je tyristorem (triakem) připojována k síti jen po část půlperiody. Střední hodnota proudu, a tím i odebíraný výkon, lze tak v širokých mezích měnit. Toto tzv. fázové řízení se vyznačuje velkou účinností a možností regulovat výkon spojitě. Tyristor (triak) pracuje jako elektrický spínač a vytváří vf rušivé složky spektra právě tak, jako spínač mechanický. Krátké spínací časy polovodičových prvků jsou příčinou vzniku složek spektra i nad 30 MHz.

Jak je známo, tyristor sepne, převedeme-li krátký proudový impuls do řídicí elektrody. Při střídavém proudu vypne tyristor těsně před průchodem proudu nulou samočinně, u stejnosměrného obvodu je nutný vnější zásah pomocí "zhášecího" zařízení; takové zařízení zpravidla obsahuje rovněž tyristor. K zapnutí a vypnutí proudu do zátěže působí nejméně dva tyristory, střídavě otevírané řídicími impulsy. Vf rušení vzniká při otevření a při opětném uzavření tyristoru. Amplituda a šířka rušivého spektra při otevření tyristoru je dána dynamickými vlastnostmi spínacího prvku i elektrickými parametry vnějšího obvodu. Vf rušení vznikající při vypnutí má stejné příčiny jako u křemíkových diod. U tyristorů a triaků se zpravidla sleduje rušení vznikající při spínání prvku, protože je podstatně větší, než rušení při vypínání. Při zapnutí a vypnutí vzniká i napěťová špička (zakmitávání vnějšího obvodu; tyristor je také ohrožován napěťovým průrazem). To, co bylo řečeno o tyristorech, se vztahuje i na triaky. Na obr. 5.18 jsou různé možnosti odrušení stmívače s triakem. Zleva doprava se zlepšuje úroveň odrušení. [2/80].


67

Odrušení elektronických přístrojů Zdrojem rušení u elektronických přístrojů bývá hlavně spínaný zdroj. Dále ruší přístroje, které obsahují oscilátory. Běžné je rušení osmibitovými domácími mikropočítači s jednou deskou ve skříni z plastu (známý Sinclair ZX-Spectrum i další typy). Ruší také amatérské vysílače, různá průmyslová zařízení (pro vf ohřev apod.), lékařská zařízení atd. Problémy bývají i s televizními přijímači. Staré typy rušily pouze neúměrným vyzařováním koncového stupně řádkového rozkladu nebo oscilátoru kanálového voliče, nové televizory však mají další obvody, z nichž se může šířit nežádoucí vf energie. Je to nejen spínaný zdroj, ovládání řízené mikroprocesorem, modul teletextu, obvody pro digitální zpracování signálu, ale i např. směšovač pro druhou zvukovou normu. Mezi základní podmínky malého vyzařování patří solidní kovová skříň (problém u zařízení spotřební elektroniky), kterou nelze plnohodnotně nahradit pokoveným krytem z plastu. Je-li skříň dělená, doporučuje se pro zmírnění vyzařování styčné plochy dobře očistit a po celé délce spáry vložit měděnou fólii (tzv. gasket). Užitečné je také vnitřní stínění funkčních bloků kovovými fóliemi (též tenkým plechem). Propojovací kabely mezi jednotlivými díly mají být co nejkratší a vždy stíněné. Napájecí přívody je vhodné blokovat na obou stranách keramickými kondenzátory 100nF (TK 782), velkou úroveň rušivých signálů na ostatních propojovacích vodičích lze omezit protažením svazku vodičů nebo jednotlivých drátů feritovým toroidem a vytvořením 2 až 5 závitů (obr. 5.19). Prvním předpokladem omezení rušivého vyzařování je síťový filtr. Obr. 5.19 ukazuje, jak má být síťový filtr do skříně počítače vestavěn. Z obr. 5.20 je zřejmé zapojení typického filtru, který dnes používá většina výrobců. Obsahuje tři kondenzátory a dvojitou proudově kompenzovanou tlumivku. Kondenzátor C3 potlačuje symetrickou složku, kondenzátory C1, C2 a tlumivka zabraňuje šíření nesymetrické složky rušení. Je-li filtr umístěn ideálně, je účinný až do 100 MHz. Příkladem provedení je filtr na obr. 5.21. Je konstruován

68


jako jednofázový s maximálním proudem 6 A ve společném pouzdře se síťovou zástrčkou IEC (obr. 5.23). Kovový kryt umožňuje ideální spojení se skříní rušícího zařízení. Podobný filtr má i televizor TESLA Color 110 (obr. 5.22). Filtr WN 852 02 (TESLA) je rozměrově podstatně větší, má však dobré elektrické vlastnosti. Je uložen v krabici ze zinkohliníkové slitiny a ucpávkovými přírubami. Bezpečnostní kondenzátory jsou spojeny s krabicí filtru (obr. 5.25). Popsané filtry vyhoví u těch přístrojů, které jsou umístěny v kovové skříni a mají klasický (tj. nespínaný) síťový zdroj. Spínané zdroje vyžadují náročnější odrušení. Na obr. 5.26 a 5.27 jsou odrušovací filtry z výrobků firmy HYUNDAI (Jižní Korea). Filtr na obr. 5.28 může být jednodušší, protože daný fax má další odrušovací prostředky v jednotlivých blocích. Vzhledem k tomu, že v odrušovacích filtrech se běžně používá proudově kompenzovaná tlumivka, pokusíme se objasnit její funkci. Uvažujme konfiguraci podle obr. 5.29 (a odpovídající rozkreslené náhradní schéma dle obr. 5.30). Zdroj rušení produkuje vf rušivou energii, která se šíří po napájecím přívodu jako symetrická a nesymetrická složka. Symetrická složka vytváří rušivé napětí mezi oběma přívody, které vyvolává rušivé proudy tekoucí shodně s napájecím proudem. Kondenzátory C3, C4, případně samostatné tlumivky, zařazené v každém přívodu, tuto složku potlačují. Nesymetrická složka se projevuje jako rušivé napětí mezi nulovým vodičem nebo zemí a jedním nebo oběma napájecími vodiči. Na odrušení se podílejí kondenzátory C1, C2, C5, C6, protože však z bezpečnostních důvodů je jejich kapacita omezena na několik nF, není jejich účinek veliký. Volí se proto jiná cesta a nesymetrická složka rušení se potlačuje sériově zařazenými tlumivkami L1 a L2. Při jejich návrhu však narazíme na další problém.

Aby byla tlumivka účinná v celém kmitočtovém rozsahu 0,15 až 30 MHz, musí mít feritové jádro, a to nejlépe ve tvaru toroidu. Pro nejnižší kmitočty však vychází velký počet závitů a jimi protéká celý napájecí proud. Bude-li jádro nesprávně dimenzováno, přesytí se, jeho indukčnost se značně zmenší a tlumivka ztratí odrušovací účinek (obr. 5.31). U spotřebičů s velkým odběrem proudu by správně navržená feritová toroidní tlumivka vyšla neúměrně velká. Navinou-li se však obě cívky L1 a L2 na společné toroidní jádro podle obr. 5.29 a zapojí tak, aby se magnetický tok v jádře, vyvolaný napájecím proudem, vzájemně kompenzoval, může mít tlumivka velmi malé rozměry. To však není zadarmo. Ideálně navinutá proudově kompenzovaná tlumivka nebude potlačovat symetrickou složku rušení, protože ta se šíří stejnou cestou jako napájecí proud.


69

Vrátíme-li se k obr. 5.30 a sledujeme-li směr nesymetrické složky, potvrdí se, že odrušovací účinky L1 a L2 se sčítají a dvojitá tlumivka na společném jádře je pro tuto složku účinná. I při velmi pečlivém vinutí dvojité toroidní tlumivky se nedosáhne úplné kompenzace magnetického pole od napájecího proudu.

Vždy existuje rozptylové magnetické pole, které v obr. 5.30 představují rozptylové indukčnosti L3 a L4. To však nemusí být na závadu. Vhodným konstrukčním uspořádáním lze rozptylových indukčností využít ke zvětšení odrušovacího účinku pro symetrickou složku rušení. Pokud jejich indučnost nestačí, doplňuje se odrušovací obvod jen malými tlumivkami s indukčností 10 až 100 uH na feritových tyčinkách.

70


Odrušování dalších zařízení

Zdrojem rušení mohou být i zářivková svítidla, neonové reklamy a výbojky. K odrušení použijeme vhodné filtry. Dalším zdrojem rušení mohou být výboje statické elektřiny (např. u hnacích řemenů z plastických hmot). Také vedení vn a vvn může být zdrojem rušení (obvykle kapacitní výboje). Všeobecně známe je také rušení pocházející ze zapalovací soustavy zapalovacích motorů. Podrobnosti lze nalézt v [2/80] a [4/92]. Odrušování zásahem u přijímače rušení Při návrhu nových přístrojů musíme věnovat velkou pozornost možnému vnějšímu rušení. S potřebou odrušení se můžeme setkat také u přístroje již vyrobeného a příp. i používaného. Obecně můžeme potom hovořit o odolnosti přístroje vůči rušení (je tím myšlena schopnost pracovat v daném elektromagnetickém prostředí, aniž by se významně zhoršila funkce). Především je třeba si uvědomit, že opatření, která zmenšují rušivé vyzařování přístroje (viz dříve), přispívají také ke zlepšení odolnosti přístroje proti vnějšímu elektromagnetickému poli a/nebo poruchám přicházejícím po síti. Pro účely odrušování hovoříme o přijímači rušení, přičemž termín přijímač je chápán široce (nejenom jako rozhlasový nebo televizní). Při řešení konkrétního případu se snažíme nejdříve nalézt mechanismus, kterým rušení proniká do přístroje. Běžně rušivý signál proniká po síťových přívodech, bráníme se zařazením vhodného filtru. Rušivé signály mohou vnikat i cestou s užitečným signálem, např. anténním vstupem do přijímačů, vstupními přívody nebo reproduktorovými přívody do zesilovače. Při odrušování zařazujeme vhodné filtry do anténních přívodů nebo konektorů nf přívodů zesilovačů. Napájecí přívody blokujeme na obou stranách keramickými kondenzátory. Velkou


71

úroveň rušivých signálů lze omezit protažením vodičů feritovým toroidem, na rozdíl od obr. 5.19 zde není obvykle nutné vinout několik závitů, spíše se použijí 2 až 3 toroidy za sebou (nebo feritová trubička). Na obr. 5.32 je také několik příkladů odstranění rušivého ovlivňování nf stupňů vf signálem. Další informace budou uvedeny v příslušných částech skripta.

Zde ještě uvedeme poznámku k institucionálnímu odrušování rádiového příjmu. Vzhledem k častým případům rušení rozhlasového a televizního příjmu je v ČR zřízena odrušovací služba, která řeší stížnosti posluchačů. V praxi této služby se rozlišují pojmy rušení a rušivé ovlivňování. Podstata rádiového rušení spočívá v tom, že rádiový příjem na daném kmitočtu je omezován elektrickým zařízením, jehož vf energie spadá do vf přenosového kanálu. Při rušivém ovlivňování elektrická zařízení (hlavně vysílače) omezují příjem ve své blízkosti, aniž by jejich pracovní kmitočet ležel v příjímaném kanálu. Rušený příjem může být způsoben nedostatečnou odolností nebo jiným funkčním nedostatkem přijímacího zařízení. V této souvislosti ještě poznamenejme, že rádiový příjem může být omezen nejen provozem elektrických zařízení, ale i tzv. rádiovým zastíněním, kdy je příjem omezen v důsledku překážky mezi vysílací a přijímací anténou, čímž dojde ke zhoršení odstupu mezi užitečným a rušivým signálem.

6.1

Elektrostatické výboje

Nebezpečí ze statické elektřiny je známé již dávno [ST 8/65]. Elektrostatické problémy se objevují takřka ve všech odvětvích. Nejvíce jsou vidět v textilním, papírenském a tiskařském průmyslu, jakož i všude tam, kde se zachází se snadno výparnými hořlavinami a jednak se snadno zápalnými jemnými prachy (uhlí, mouka, cukr). Vznik statických nábojů a případných jisker je v praxi záludný a těžko předvídatelný. Objevují se i bez zjevného tření (např. při čerpání benzínu - proto používané kanystry nemají být z plastických hmot). Novou oblastí jsou destrukční vlivy statické elektřiny na spolehlivost a parametry polovodičových součástek, ta nabývá s rozvojem mikroelektroniky stále více na významu. Hlavním problémem zde je elektrické nabíjení osob. Poznamenejme, že v elektronice se přetěžování součástek vlivem elektrostatických výbojů (a i jiných rychlých přechodných jevů) označuje jako stres. Značný vliv v této oblasti má zejména rozsáhlé (a stále rostoucí) používání nových nových druhů umělých vláken a hmot (oblečení, podlahy, dekorace, nábytek, koberce apod.),

72


zvláště při používání ústředního topení, které zajišťuje trvale teplý a suchý vzduch v prostorách, kde se provozují elektronická zařízení (sklady, dílny, byty apod.). Značný význam má měrný elektrický odpor jednotlivých látek - obr. 5.33. V elektronice se tato problematika označuje jako ESD (electrostatic discharge), příklady vidíme na obr. 5.34.

a) Podmínky určující velikost náboje Elektrické náboje vznikají (resp. oddělují se) při některých fyzikálně chemických procesech. Zvláštní význam má případ dotyku a následujícího oddálení dvou materiálů, z nichž alespoň jeden je izolant. Velikost náboje je přímo úměrná kvalitě opracování povrchu, rychlosti oddalování a velikosti styčné plochy. Elektrické náboje vznikají dále při tření dvou látek o sebe, při dělení materiálů, drcení, mletí, rozprašování, změně skupenství, průtoku potrubím, výtokem kapalin a plynu z potrubí, při plnění a vyprazdňování nádob, pohybu obuvi po podlaze, tření šatů o tělo a o nábytek apod. Vzniklé náboje se shromažďují na předmětech, které mají vysoký odpor vůči zemi. Současně s procesem nabíjení obvykle probíhá i proces vybíjení, a to přes svodový odpor do země. Jako příklad uveďme vzrůst náboje při chůzi člověka po koberci ze syntetických materiálů, kdy napětí může dosáhnout až hodnoty 30 kV - obr. 5.35. Pohyby člověka na židli (nekovové) v oděvu ze syntetických tkanin vyvolá vznik napětí až 10 kV, napětí řádu kV stačí vyvolat pouhé pohyby člověka takto oděného. Lidské tělo je z hlediska elektrostatistiky vodičem proto, že při napětí vyšším než 50 V dochází k elektrickému průrazu položky, takže se na celkovém odporu těla výrazně nepodílí - obr. 5.36.


73

Kapacita lidského těla se obvykle pohybuje mezi 100 až 500 pF, při napětí 10 kV a kapacitě 200 pF je tedy náboj člověka roven 2 µC. Vliv vlhkosti vzduchu na rychlost vybíjení náboje lidského těla ukazuje obr. 5.35. Při dotyku nabitého lidského těla s uzemněným vodičem dojde k rázovému vybití, energie je dána známým výrazem

1 CU 2 2 (7.21) V našem případě (C = 200 pF, U = 10 kV) je W = 10 mJ. Typický průběh rázového vybití lidského těla (U = 5 kV) ukazuje obr. 5.37. Z obrázku je zřejmé, že (při napětí 5 kV) se strmost náběhu vybíjeného proudu pohybuje mezi 0,5 až 50 ns a jeho špičková hodnota může být až 60 A. Špičkový výkon pak může dosáhnout i řádů jednotek až desítek kW. W=

b) Přetěžování polovodičových součástek statickou elektřinou Pro toto přetěžování (a pro podobné přechodové děje s rychlostmi řádově us a většími) se v literatuře ujímá pojem "stres". Jde o přetěžování součástek, jehož následkem jsou mikroprůrazy funkčních oblastí aktivních prvků IO nebo odpaření tenké vrstvy Al spojující (či spoluvytvářející) funkční oblasti. Náchylnost k závadám IO se zvyšuje při jejich nedokonalé výrobní technologii (základní materiál IO je nehomogenní, okraje elektrod elementů a spojů čipu neodpovídají přesně předloze apod.). Nehomogenity mají za následek mikroprůrazy v důsledku lokálních změn gradientu intenzity elektrického pole. Nerovné okraje spojů a elektrod tranzistorů způsobí nehomogenní proudové rozložení (zesilovací činitel tranzistoru je v různých místech různý), tj. růst proudu v místě s větším zesilovacím činitelem až na hodnotu, která přetížené místo nadměrně ohřeje (až k bodu varu či k odpaření tenké Al vrstvy). Velmi rychlý průběh výboje vyžaduje uvažovat i rychlost šíření impulsu po vedení (zemnícím vodiči). Je-li např. uvažovaná doba 10 ns a rychlost šíření po vedení 20 cm/ns, pak je uzemňovací vedení délky větší než 1 m účinné jen tehdy, je-li jeho charakteristická impedance menší než cca 200 Ohm.

74


Zacházení s elektrostaticky citlivými součástkami. Moderní polovodičové součástky, zejména vyrobené technologií MOS, v diskrétní nebo integrované formě, mohou být elektrostatickým napětím při dotyku nabitého povrchu zničeny. Takové součástky označujeme jako elektrostaticky citlivé. Za napětí, ohrožující funkci součástek, považujeme ss napětí 50 V nebo střídavé napětí s vrcholovou hodnotou nad 50 V nebo efektivní hodnotu nad 35 V. S elektrostaticky citlivými součástkami mají pracovat pouze oprávnění pracovníci ve vyhrazeném prostoru a v předepsaném oděvu. Vyhrazený prostor je prostor, v němž je omezen vznik elektrostatického napětí pod hodnotu napětí, ohrožujícího funkci součástek. Podrobně je otázka zacházení s elektrostaticky citlivými součástkami řešena v BS 5783 "British Standard Code of Practice for Handling of Electrostatic Sensitive Devices" z roku 1984 a v NT 8551 "Předpisy pro zacházení s elektrostaticky citlivými součástkami", platné od r. 1987, ze které budeme dále čerpat. NT 8551 určuje technické požadavky na dokumentaci a konstrukci pro vyhrazený prostor, oblečení pracovníků, dodávání, balení, skladování, zpracování, měření součástek, oživování a opravy zařízení, provoz ve vyhrazeném prostoru. Prostředky, zajišťující ochranu součástek, jsou podle ČSN 34 1382 tříděny na elektrostaticky vodivé, které nechrání před úrazem elektrickým proudem o průchozím nebo povrchovém odporu menším než 50 kW, elektrostaticky vodivé s odporem 50 kW až 1 MW, které lze užít jako součást elektrostatického svodu a antistatické s odporem 1 až 1000 MW, které se nenabíjejí, ale nemohou být součástí elektrostatického svodu. Označení součástí, zařízení a pracovišť citlivých na elektrostatický náboj udává norma NT 1051. Základní výstražný symbol podle této normy ukazuje obr. 5.38. Zacházení se součástkami a jejich skladování. Součástky mají být co nejdéle (do okamžiku montáže) ponechány v původním elektrostaticky vodivém obalu výrobce nebo dodavatele. Správný obal musí zabraňovat hromadění statické elektřiny. Může být ze speciální elektrostaticky vodivé hmoty, kovové fólie nebo se zkratovacími spojkami. Jednotlivé součástky se z balení, v němž jsou dodávány, oddělují včetně ochranného obalu, mimo vývody součástky. Citlivé součástky mají být skladovány odděleně od ostatních součástek. Nesmí se používat běžné polyetylénové sáčky (mají povrchový odpor větší než 1011 W). Oblečení pracovníků. Vrchní oděv má být z elektrostaticky vodivých nebo alespoň antistatických materiálů a nemá být vlající (raději kombinézy, než pracovní pláště). Vyhovující jsou látky bavlněné a lněné. Obuv má být elektrostaticky vodivá s průchozím odporem 5.104 až 106W. Rukavice, pokud musí být použity, mají být bavlněné. Pracoviště. Na pracovištích se používá nábytek a podlahová krytina elektrostaticky vodivé. Všechny předměty jsou vhodným způsobem připojeny do společného referenčního bodu. Doporučuje se větší vlhkost (>60%) a užití ionizátorů vzduchu. Na elektrickou instalaci jsou přísné požadavky. Podstata spočívá ve vytvoření dokonale izolačně odděleného síťového rozvodu ve vyhrazeném prostoru. Napájecí napětí je odděleno ochranným oddělovacím elektrostaticky stíněným transformátorem. Páječka nesmí být transformovaná. Musí být na malé napětí a hrot musí být přes rezistorovou sérioparalelní kombinaci 100 kW, složenou ze čtyř rezistorů, připojen izolovaným lankem ke společnému referenčnímu bodu. Pro udržení elektrostatického napětí blízkého k nule používají pracovníci elektrostaticky vodivý náramek s rezistorovou kombinací 100 kW. Připomínáme, že síťový rozvod vyhrazeného prostoru nelze improvizovat a musí být proveden přesně podle NT 8551, aby nemohlo dojít k úrazu elektrickým proudem.


75

Před vstupem do vyhrazeného prostoru se pracovník zbaví případného elektrostatického náboje vybitím rezistorovou kombinací 100 kW. Pracovníci musí mít patřičné školení. Při montáži se doporučuje rozmísťovat citlivé součástky jako poslední. Součástky se vyjímají z obalů, umístěných na elektrostaticky vodivé ploše jednotlivě, bezprostředně před montáží, uchopením za pouzdro. Holé vývody se nesmí dotknout žádného nevodivého předmětu (zvl. ne prstů rukou). Vývody součástek mají být zkratovány, a to i během montáže. Doporučuje se používat zkratovací konektory. K čištění se nesmí používat utěrky z textilu nebo plastu ani štětce. Nářadí se odkládá na elektrostaticky vodivou plochu stolu. Citlivé součástky nezkoušíme ohmmetrem. Při užití (provozu) však již musí být hotové výrobky odolné proti působení elektrostatické elektřiny, která má ke svému vzniku v současných bytových, kancelářských a laboratorních prostorách velmi vhodné podmínky. Je to dáno širokým použitím plastů, tkanin z umělých hmot, malou vlhkostí v prostorách s ústředním topením atd. Hotový výrobek musí vestavěné elektrostaticky citlivé součásti chránit vhodným zapojením, konstrukcí a zapouzdřením (krytováním) - viz později. Poznámka: Tyto zásady musíme úměrně dodržovat i v improvizovaných podmínkách, např. v amatérské praxi. Např. praktici někdy před vyjmutím součástky do sáčku dýchnou.

76


7 ELEKTRICKÁ KONSTRUKCE 7.1

Součástky a jejich vlastnosti

Při návrhu elektronických přístrojů je třeba mít podrobnou představu o vlastnostech a činnosti součástek a obvodů. Správná volba použitých součástek a dodržení aplikačních pravidel je nezbytnou podmínkou úspěšné konstrukce. Pro volbu typů součástek je mnoho hledisek. Je požadovaná funkce, cena, dostupnost, parametry, rozměry, atd. Podrobné údaje o jednotlivých součástkách poskytují příslušné konstrukční katalogy výrobců. Ovšem obecné základní vlastnosti jednotlivých skupin prvků je třeba znát (pamatovat si) a využívat je. Vlastnosti součástek je třeba znát i při opravách přístrojů nebo jejich úpravách či modernizaci. Je zapotřebí rozumět funkci obvodu, vědět, proč je použita ta či ona součást a jak ovlivňují její vlastnosti celkovou funkci obvodu. Velký pokrok se v posledních letech dosahuje nejen u aktivních součástek, ale i u součástek pasivních, kde vývoj je zaměřen na zmenšení rozměrů při zlepšení užitných vlastností, delší životnost, přizpůsobení montážní technice, která rovněž prodělává vývoj (nástup povrchové pájivé montáže), a dosažení nízké ceny. Podrobné informace o součástkách nalezneme v katalozích výrobců. Celkový přehled lze získat v práci [21] a některé další informace v [22] až [282].


7.2

77

Konstrukce signálových spojů

Při realizaci zařízení musíme velkou pozornost věnovat konstrukci spojů mezi součástkami a vzájemné poloze součástek. Vlivů, které mohou ovlivnit nebo dokonce ohrozit elektrickou funkci přístroje či zařízení je celá řada, avšak nejčastější příčinou jsou nežádoucí vazby mezi jednotlivými stupni a funkčními celky. Ke správnému pochopení zásad elektrické konstrukce je třeba si především uvědomit rozdíly v účincích mezi stejnosměrným signálem, signálem síťového kmitočtu a vysokofrekvenčním signálem. V zařízeních, která pracují se stejnosměrnými signály, příliš nezáleží na tom, jak jsou součástky a vodiče vůči sobě vzájemně uspořádány a jednotlivé prvky lze téměř libovolně sestavovat do různých bloků podle potřeby a dbát na úhlednost zapojení. Naproti tomu u zařízení pracujících se signály o vyšších kmitočtech je základní podmínkou nutnost dosáhnout při daném kmitočtu, daných rozměrech a dané součástky základně co nejmenšího vzájemného působení mezi jednotlivými částmi zařízení. Vzájemné ovlivňování se může nežádoucím způsobem projevit v kterékoli části zařízení, kde se pracuje se zesílením signálu. Může se uplatnit ve vysokofrekvenčních, mezifrekvenčních či nízkofrekvenčních obvodech a může působit i přes několik stupňů zařízení, pokud pracují na stejném kmitočtu a nejsou od sebe dostatečně vzdáleny nebo stíněny. Specifickým způsobem se projevuje vzájemné ovlivňování v číslicových obvodech. Při konstrukci je potom třeba dodržet řadu opatření, která se týkají způsobu provedení spojů mezi jednotlivými obvody, způsobu umístění těchto obvodů v systému, vlastností napájecích zdrojů systému, jeho zemnění, stínění, popř. dalších podrobností konstrukčního uspořádání systému. Nutný rozsah takových opatření není jednoznačný, ale záleží velmi na druhu systému. Obecně lze říci, že roste se zvyšováním pracovního kmitočtu.

7.2.1

Konstrukce spojů

V zařízení je možno rozlišit obvykle dvě soustavy spojů (vodičů). Je to soustava napájecího rozvodu a soustava signálových spojů (nazývaná také soustavou funkčních spojů). Na obě soustavy jsou kladeny rozdílné požadavky. Soustavy napájecího rozvodu si povšimneme později. Nyní probereme některé vlastnosti signálových spojů, způsoby jejich realizace a související doporučení pro realizaci. V praxi se používá pro rozvod signálu řada způsobů: a) Jednodrátové vodiče. Používají se běžné druhy měděných spojovacích drátů nebo lanek o průměru asi 0,3 až 0,5 mm v obvyklé izolaci (měkčený PVC, silikon, teflon aj.). Někdy se užívají i vodiče holé (tj. bez izolace), obvykle pocínované, nebo s pájitelnou smaltovou izolací. Jednoduchý vodič může být i stíněný (viz později). Jednodrátový vodič má z hlediska vztahu k zemnící rovině 3 varianty: volný vodič (nedefinovaně vzdálený od zemnící roviny), vodič v blízkosti zemnící roviny a vodič v páskové vedení (nebo můžeme přímo říci páskové vedení).

78


b) Dvojlinka, trojlinka a plochý kabel (který nahrazuje klasické svazky jednodrátových vodičů). c) Kroucený dvojitý vodič (kroucený pár, kroucená dvojlinka). Je realizován pomocí dvou zkroucených jednodrátových vodičů. Obvykle jedno otočení proběhne v délce 1 až 2 cm. Jinak je třeba zkroucený vodič řešit podle požadavku na charakteristickou impedanci, neboť pro vf signály se zkroucený vodič chová jako vedení. Užívá se v telefonních kabelech i v digitální technice. Pro svoji odolnost proti rušení (viz později) je v mnoha případech dobrou (a levnější) náhradou koaxiálních kabelů.V literatuře je označován názvem twisted pair, zkráceně twist. Na větší vzdálenosti se užívá ve stíněném provedení. d) Koaxiální kabel. Nejčastěji se používá miniaturní (tenký) koaxiální kabel s polyetylenovým nebo teflonovým dielektrikem. Koaxiální kabel je z řady příčin nejlepším druhem vodiče pro delší spoje. Pro značnou cenu a problémy s připojováním (nelze použít techniku ovíjených spojů) se však používá jen tam, kde je to nezbytně nutné a nelze jej nahradit zkrouceným dvojitým vodičem. Je třeba rozlišovat mezi koaxiálním kabelem a stíněným vodičem (viz. obr. 6.5). Stíněný vodič nemá definován vztah mezi vnitřním vodičem a stíněním. Stínění bývá často násuvné (je vytvořeno na izolační bužírce, někdy i samonosné), nemá vnější izolaci. e) Plošné spoje. Klasické je použití neohebných plošných spojů (desek). Ohebné plošné spoje (film wire) se používají v řadě aplikací namísto plochých vodičů a nahrazují i klasické plošné spoje pro montáž součástek (většinou při nedostatku místa - letectví, kosmický výzkum, fotoaparáty). f) Optické spoje, což je speciální problematika. Při volbě použitých signálových spojů vycházíme z následujících hledisek: 1. Signálové (elektrické) parametry: charakteristická impedance, útlum signálu a interakce s okolím (rušení a přeslechy). 2. Konstrukční složitost a cena. Z hlediska buzení a příjmu se v praxi užívají dva systémy spojů: nesymetrické (nevyvážené, jeden vodič je uzemněn) a symetrické (vyvážené, rozdílové). Volíme je především z hlediska odolnosti proti rušení. Materiál pro vlastní vodiče je výhradně elektrolytická měď, povrchově často upravená pocínováním. Smyslem povrchového pokrytí je lepší technologická zpracovatelnost. Pro vedení nepohyblivá (nenamáhaná na ohyb a krut) se používá vodič v průřezu homogenní (plný), nejčastěji kruhového profilu. Ploché tvary mají své zdůvodnění v parametrech elektrických i mechanických. Pro ohebné kabely je třeba použít (zpravidla kroucené) lanko z řady tenkých vodičů (tzv. licna).


79

80


Materiál izolantu zahrnuje širokou škálu zejména plastů, které se liší vlastnostmi elektrickými (svod, dielektrická konstanta, elektrická pevnost), mechanickými (pevnost, ohebnost), odolností proti ohřevu (při pájení) a taky cenou. Signálové spoje uvažujeme v rámci jedné desky plošných spojů, mezi deskami (kabeláž) a spoje v částech bez plošných spojů. Při šíření elektrických signálů (elektromagnetické vlny) po metalických spojích dochází obecně ke třem nežádoucím jevům. 1. K útlumu signálu (část jeho energie se mění v teplo nebo jinou formu energie, které není přiřazena informace), 2. K disperzi (dílčí harmonické vlny se šíří různou rychlostí, což vede k deformaci signálu, změně jeho časového a prostorového rozložení, 3. K rozptylu energie signálu do okolního prostoru. Poslední jev znamená kromě poklesu intenzity signálu i nárust rušení. U optických spojů jsou významné jen první dva jevy.

U signálových spojů požadujeme, aby se signál šířil po předepsaných trajektoriích (směrové vedení) a aby jeho vedení v prostoru bylo možno technologicky jednoduchými prostředky zaručit. Ideálně by měla být intenzita signálu různá od nuly (u digitálních obvodů dokonce rovná jen dohodnutým úrovním pro 0 a 1) jen v místech na spojové cestě, v ostatních místech prostoru nulová. Spojová cesta (spoj) je charakterizována odlišnými látkovými parametry prostředí (vodivost, index lomu, permitivita aj.) Směrové vedení elektromagnetických vln v prostoru lze zajistit tím, že se vlna šíří v prostoru mezi dvěma vodiči s nulovým odporem (bezeztrátové vedení). Relativně dobrého vedení signálu v prostoru lze dosáhnout koaxiálním uspořádáním spoje. Za určitých podmínek se tomuto uspořádání blíží 2 zkroucené vodiče - twist. V integrovaných obvodech a deskách PS nelze jednoduše koaxiální provedení ani zkroucenou dvojlinku použít; snadno se ale realizuje páskový nebo válcový vodič nad zemí nebo mezi


81

ekvipotenciálními rovinami. U těchto uspořádání není ovšem intenzita signálu v okolí spojové cesty nulová, takže montážní hustota je v důsledku rušení omezena. Další nepříznivý faktor u všech spojů (vedení) jsou odrazy, k nimž dochází vlivem nedokonalého přizpůsobení (např. digitální obvody jsou nelineární, proto přizpůsobení obecně není možné). Odrazy zvyšují úroveň rušení. Při konstrukci zařízení s integrovanými obvody má konstruktér elektrické části velmi usnadněnou práci tím, že přebírá hotovou a velmi výkonnou stavebnici logických členů. Problémy se však objeví na jiném místě: jaké zvolit provedení spojů, aby bylo využito vlastností logických členů z hlediska jejich vysoké rychlosti a nedošlo k znehodnocení jejich vlastností vlivem přeslechů, odrazů a vnitřního rušení na velkém množství dlouhých spojů.

7.2.2

Klasifikace spojů v digitálních systémech

Požadavky na spoje vyplývají z vlastností číslicových signálů. Horní mezní kmitočet ve spektru impulsových signálů s dobou hran tr je běžně určován jako: fmax = 0,35/tr Tento vztah je odvozen z integračního článku RC, kde 2pfmax = 1/RC, tr = 2,2RC. Spoj musí přenášet ideálně, tj. s nulovým útlumem a fázovým posuvem úměrným kmitočtu, všechny kmitočty až do fmax, aby nedošlo ke zkreslení tvaru impulsu. Pokud je délka vlny l min odpovídající kmitočtu fmax alespoň 100-krát větší než fyzikální délka přenosové cesty h, stačí spoj realizovat jednodrátovým vodičem vedeným vzduchem, který nemá definovanou vzdálenost od zemnícího vodiče a tudíž nemá definovanou impedanci (případ soustředěných parametrů). Jelikož lmin = v/fmax, kde v je rychlost šíření signálu (v £ 0,3 m/ns), je kritická doba náběhu 0,35 35 = .hmax = 116.hmax [ns, m] (6.1) tr = f max 0,3 Tato závislost je znázorněna na obr. 6.9 v logaritmických souřadnicích. U obvodů TTL je tr = 10 ns, takže propojování "vzduchem" vyhoví dle (6.1) do délek několika cm (funkční vzorky malých celků z několika IO). Nad přímkou v obr. 6.9 jsou problémy se spoji minimální, vyhovuje konvenční propojování bez definované impedance.

82


Používají se běžné druhy měděných spojovacích drátů o průměru d = 0,4 až 0,5 mm. Pod přímkou se dostáváme do oblasti rozložených parametrů, kde je nutné použít spojů s definovanou impedancí - vedení. Vedení nezkresluje příliš tvar impulsů, pouze je zpožďuje. Současně se přiblížením signálového a zemního vodiče k sobě do malé definované vzdálenosti zmenší plocha smyčky tvořené těmito vodiči, takže se i výrazně zmenší přeslechy z podobných sousedních smyček. Kdyby se v oblasti pod plnou přímkou na obr. 6.9. nepoužilo propojení pomocí vedení, chovaly by se běžné spoje zcela nevyhovujícím způsobem - zkreslení impulsů by bylo nepřípustně velké. Při analýze vlivu spojů na celkovou činnost zařízení je důležité trvání hran přenášených impulsů v relaci k celkovému zpoždění vedení T. Je-li T kratší než délka hrany tr, zaniknou odražené vlny již v době této hrany. V tomto případě stačí vedení popsat soustředěnou kapacitou C = T/Zo (když RG > Zo , RZ > Zo ) nebo indukčností L =Zo.T (když RG < Zo , RZ < Zo ), anebo jejich kombinací, kde RG a RZ jsou odpory zdroje signálu a zátěže na vedení a Zo je charakteristická impedance vedení. Taková vedení nazýváme krátkými. Ve většině případů je není nutno zakončovat. Obvykle se mezní délka krátkého vedení hmax bere tak, aby doba šíření tam a zpět byla právě rovna délce hrany, tr = 2 t hmax (6.2) kde t je zpoždění na jednotku délky. Přímka (6.2) rozděluje oblast krátkých a dlouhých vedení; na obr. 6.9 je vynesena čárkovaně pro t = 5 ns/m, což je typické zpoždění většiny vedení. Pro obvody TTL je tr = 10 ns, takže hmax = 1,0 m, zatímco u obvodů ECL bude hmax = 0,1 m. 7.2.3

Vedení

Signálové spoje (vodiče) je třeba v mnoha případech (jsou-li elektricky "dlouhé") posuzovat jako vedení. Z hlediska analýzy i syntézy lze použít poznatky známé z vysokofrekvenční techniky, tedy z techniky analogových obvodů. V technice digitálních obvodů však řada aspektů nabývá většího, někdy naopak zanedbatelného významu. Vedením nazýváme soustavu dvou (nebo více) vodičů, jejíž jeden rozměr (délka) je podstatně větší než ostatní rozměry. Vlastnosti vedení závisejí na jeho tvaru a geometrických rozměrech i na vlastnostech prostředí (dielektrika), obklopujícího vodiče, především na jeho permitivitě e=eoer a permeabilitě m=momr, kde 10−9 36.π µ0 = 4π .10−7 H/m

ε=

F/m

jsou permitivita a permeabilita vakua, er mr jsou relativní parametry prostředí.


83

Vedení představuje systém s rozloženými parametry; indukčnost, kapacita, odpor a svodová vodivost jsou rozloženy spojitě podél vedení, udáváme proto jejich hodnoty na jednotku délky (L, C, R, G). Vedení se popisuje buď těmito prvky náhradního schématu R, L, C a G (obr.6.10), jež označuje jako primární veličiny, nebo charakteristickou impedancí Zo a mírou přenosu gama (zvaná též konstanta šíření). Reálné složce míry přenosu říkáme měrný vlnový útlum nebo též konstanta útlumu (dB/km), imaginární složka se nazývá měrný fázový posuv nebo též fázová konstanta (rad/km). Tyto veličiny se nazývají sekundární a jsou uvedenými vztahy vázány na veličiny primární. Vedení dělíme na elektricky krátké, dlouhé a nekonečně dlouhé také podle útlumu (obr. 6.11).

Z hlediska aplikací (vedení zajišťuje přenos signálu mezi vysílačem a přijímačem, které jsou umístěny na jeho koncích), tj. z hlediska kvality přenosu signálu, definujeme tzv. signálové parametry vedení (odvislé od elektrických parametrů): zkreslení, zeslabení a zpoždění signálu podél vedení a interakce okolí (rušení). Zkreslení signálu způsobuje deformaci časového průběhu signálu (měřeno porovnáním výstupu a vstupu). Je zapříčiněno jednak odrazy signálu na nepřizpůsobených koncích, eventuálně nehomogenitách samotného vedení (energie signálu se v místě nepřizpůsobení nepředá, ale odrazí), jednak vlivem ztrát (energie signálu je převedena na teplo, zejména v odporu vedení). Ztráty ve vedení v prvé řadě způsobují frekvenční omezení signálu - mezní přenášený kmitočet je určován délkou vedení. Vliv odrazů na zkreslení signálu je odvislý od vzájemného poměru celkového zpoždění na vedení a charakteru samotného odrazu. Kvalitativní odlišení dvou mezních případů je nejlépe patrné při nespojitém charakteru budicího signálu. V jednom krajním případě nelze na výstupu nespojitosti prakticky pozorovat (jako by vedení frekvenčně omezovalo; i zde je mezní frekvence odvislá od délky vedení), v opačném případě jsou na výstupu patrné dílčí skokové změny až do ustálení. Po zkreslení signálu je třeba uvažovat vedení s rozloženými parametry, odrazy se zpravidla vyšetřují na bezdrátovém vedení. Tato analýza však nemá smysl tehdy, jeli délka náběžné i sestupné hrany reálného sigálu delší než doba každého z výše uvedených přechodných dějů. Zpoždění signálu podél vedení je dáno konečnou rychlostí šíření elektromagnetického signálu (interval mezi vysláním a přijetím jmenovité hodnoty). Pro vodič i zemnicí rovinu umístěné ve vakuu (vodič od zemnicí roviny "dostatečně" vzdálen) je rychlost šíření největší (odpovídá rychlosti šíření světla c). Reálné prostředí má permeabilitu µ = µr.µ o a permitivu 1 ε = εr.εo, ε 0 µ0 = a εr.µ r>1. Zde je rychlost šíření menší. Celkové zpoždění signálu od c

84


vysílače k přijímači, umístěných na opačných koncích vodiče, je pak určené nejen celkovou délkou vodiče, ale také charakterem zkreslení (např. počtem odrazů potřebných k dosažení jmenovité úrovně). Pro určení zpoždění signálu je opět třeba uvažovat vedení s rozloženými parametry. Rušení signálu je superpozice rušivých složek cizím elektromagnetickým polem (tj. buzeným od jiného zdroje než je připojen na sledované vedení). U "dosti krátkého" vedení lze pro usnadnění výpočtu uvažovat soustředěné parametry vedení i parazitních vazeb. Zeslabení signálu (útlum) je zmenšení úrovně nebo logického zdvihu signálu. U dlouhých vedení se předpokládá, že signál vysoké i nízké úrovně na přijímací straně může být mimo "běžné" toleranční pásmo. Zeslabení signálu a zkreslení vlivem ztrát spolu úzce souvisí. Vyšetřuje se na velmi dlouhém vedení s rozloženými parametry. Elektrické parametry vedení jsou určovány na jednotku délky - odpovídá to jednak jejich spojitému rozložení podél vedení, jednak lze snadno určovat charakteristické zpoždění t (jako zpoždění signálu vztažené na délkovou jednotku). Parametry homogenního bezdrátového vedení jsou jednoznačně určeny geometrickým uspořádáním a dále relativní permitivitou µr a permeabilitou µr prostředí, ve kterém se vodič nachází. Při uvažování ztrát je podstatný měrný odpor vodiče r, svod dielektrika je zpravidla zanedbatelný. Pro drtivou většinu aplikací je také mr = 1. Zanedbáme-li ohmické parametry homogenního vedení R a G, což je oprávněno zejména u krátkých vedení, dostáváme bezeztrátové vedení, charakterizované parametry L, C a popřípadě též charakteristickým odporem Z o = L / C a zpožděním na jednotku délky t, které jak dále uvidíme je = LC . Dá se ukázat, že u vedení s homogenním dielektrikem jsou kapacita a indukčnost vedení reciprokými funkcemi geometrických rozměrů průřezu vedení. Je-li indukčnost L = m.F(x,y), kde F je bezrozměrná funkce geometrických rozměrů, pak kapacita je C = e/F(x,y), takže jejich součin LC a tedy i zpoždění

τ = LC = εµ = ε o µo ⋅ ε r µ r =

ε r µr

= 3, 3 ε r µ r [ns/m] (6.3) c je na rozměrech (na geometrickém uspořádání) nezávislé a je určen pouze vlastnostmi 108 m/s je rychlost šíření elektromagnetických vln ve vakuu. dielektrika kde c = 1/ L o o ¡3 ½ Vlivem rozložených kapacitních zátěží s celkovou hodnotou Cext se měrné zpoždění zvětší na hodnotu t'

τ ′ = L(C + C ext / h ) = τ 1 + C ext / h ⋅ C Charakteristický odpor Zo je Z0 =

kde η0 =

L = C

µ0 .F = ε0

µ0 = 377Ω ε0

µr µ µ0 µ r . .F = η 0 .F = 377. r .F( x , y ) εr εr ε0 εr

(6.4)

je vlnová impedance vakua. Pro většinu dielektrik je r = 1.

Parametry obvykle používaných vedení jsou uvedeny na obr. 6.12. Měrné zpoždění lze ve všech uvedených případech počítat jako = 3,3 ½ L ef ns/m, jelikož mr = 1. V praxi bývá eef = 5 až 8. Pouze v případě 1, 6 a 7 (na obr. 6.12) je dielektrikum homogenní, v ostatních případech nehomogenní. Používáme proto efektivní relativní permitivity eef.


85

Vodič ve větší vzdálenosti od země reprezentuje vedení o velké charakteristické impedanci, které je velmi citlivé na přeslechy (velká plocha smyčky). Vodič by měl být blízko země, aby Zo bylo malé. Typické vedení typu drát ve vzduchu nad zemí s Zo = 100 W, H/d @1,3 má L = 3,6 nH/cm a C = 0,3 až 0,4 pF/cm. Kapacita je malá ve srovnání s kapacitou zátěží (8-10 pF na vstup hradla). Proto se uplatňuje hlavně indukčnost spojů. Hlavním konstrukčním prvkem pro realizaci funkčních spojů a umístění IO jsou laminátové desky. Nevýhodou běžně používaných dvoustranně plátovaných desek je nedefinovaná vzdálenost od zemnícího vodiče; spoje jsou totiž umisťovány na obou stranách desky a chybí souvislá zemní rovina. Při délce spojů v rámci desky o rozměrech 100 x 200 mm (kdy

86


nejdelší spoj bude vždy kratší než 300 mm) a standardní řadě obvodů TTL lze toto propojení ještě připustit. U rychlejší řady S-TTL však spoje již vyžadují homogenní mikropáskové vedení realizované s pomocí dalších vnitřních, pokud možno souvislých, kovových vrstev. Signální vodič pak tvoří se souvislými rovinami buď nesymetrické nebo symetrické vedení. Nejuniverzálnější druh vedení používaný pro delší spoje je kroucená dvojlinka, twist. S běžnými izolovanými vodiči lze získat impedanci Zo kolem 100 W, s tenkou izolací až 50 W. Tolerance Zo ve svazcích bývá kolem 8%. Kroucená dvojlinka je málo citlivá na přeslechy, jejich kompenzace je tím lepší, čím lépe se kroucené dráty vzájemně dotýkají. Počet zkrutů na jednotku délky nemá při dotyku výrazný vliv na charakteristickou impedanci (Zo = 70 - 120) W, ovlivňuje hlavně měrné zpoždění. Poněkud větší útlum kroucené dvojlinky proti koaxiálnímu kabelu nevadí při délkách použití do několika metrů. Doba šíření je v rozmezí 4 až 5,25 ns/m ± 5%. Dobře se kroucená dvojlinka hodí pro ovíjené spoje. U většího počtu paralelních spojů je nutno dbát na dovolené meze přeslechů. Není např. možné spojovat kroucené dvojlinky v těsné svazky, neboť pak míra přeslechů překročí přípustné hodnoty. Používají se proto ploché ohebné kabely, které jsou mechanicky úhlednější a levnější na instalaci. Tyto kabely se vyrábějí buď s kruhovými nebo plochými vodiči. Dielektrikum bývá různé, od PVC až po telefon. Charakteristická impedance ná užší tolerance než u kroucených dvojlinek. Dá se použít řada různých konfigurací (obr. 6.13). V nejjednodušší verzi sdílí sousední signálové vodiče zemní vodič. Přeslechy lze dále snížit použitím oddělených zemních vodičů nebo ještě dále přidáním zemních vodičů nebo zvětšením rozestupů mezi trojlinkami. U sdílených zemních vodičů je úroveň přeslechů až pouhých 1,5%, se dvěma zemními vodiči mezi signálovými vodiči i méně než 1%. Ploché kabely s vodiči o kruhovém průřezu mají rozsah charakteristických impedancí od 50 do 200 W , s plochými vodiči nebývá však Zo menší než 90 W. Výhodou plochých vodičů je lepší chlazení, které dovoluje pro daný proud použít 2-3 krát menší rozměr než u kruhového průřezu. Také u kmitočtů nad 1 GHz je plochý vodič výhodnější, má při stejném průřezu asi 2 krát větší povrch než vodič kruhového průřezu. Vyskytují se také ploché kabely vytvořené z řady kroucených dvojlinek (zalisovaných např. do polyethylenového pásu nebo příčně protkaných jako textilní stužka). Rozteč vodičů v plochých kabelech bývá přizpůsobena konektorům, nejčastěji bývá 1,25 mm (1,27 mm vychází-li se z palcové míry). Nejlepší z hlediska přeslechů, ale také nejdražší vedení pro delší spoje je koaxiální kabel. Používá se miniaturní koaxiální kabel o celkovém průměru 3 až 3,5 mm s polyethylenovým nebo teflonovým dielektrikem. Koaxiální kabely lze spojovat v těsné svazky. Útlum je menší než u ostatních druhů vedení. Doba šíření je asi 4 - 4,5 ns/m. Charakteristická impedance bývá opět v rozmezí 50 až 200 W.


87

Poslední poznámka se bude týkat provedení rozvodu řídicích a synchronizačních signálů v číslicových zařízeních, kdy je na jeden zdroj (vysílač) napojen větší počet přijímačů. Vlastní spoj je realizován jako ostatní funkční spoje nejlépe mikropáskovým vedením. Zátěže jsou umístěny buď podél vedení nebo vějířově (obr. 6.14). Nemají-li u rozvodu s odbočkami vznikat značné odrazy, musí být impedance zátěže mnohem větší než charakteristická impedance vedení. Postupné odrazy podél vedení v místech připojení jednotlivých zátěží a tvar signálu na těchto zátěžích je úloha řešitelná pouze na číslicovém počítači. Nejhorší poměry jsou v místě první zátěže od zdroje, neboť na ní se uplatní všechny odrazy a časový rozptyl odrazů bude největší. Vějířový rozvod je vhodné použít tam, kde přijímače mají nízkou vstupní impedanci a na rozvodu s odbočkami by vznikaly příliš velké odrazy. K přijímačům je ev. možné připojit přizpůsobovací odpor optimální velikosti, zatímco odpor zdroje by měl být Rg = Zo/n. Jsou-li spoje krátké nebo dlouhé je důležité především v impulsních a digitálních obvodech. U krátkého spoje odražený signál zanikne ještě v době trvání hrany budicího signálu. Termín "krátký vodič" je vázán na vzájemný poměr jeho délky a doby náběhu signálu tr. "Délka l v palcích nesmí přesáhnout dobu náběhu tr měřenou v ns. Pro obvody typu TTL (tr = 20 ns) je většina vodičů na desce krátkých (1 < 50 cm). Pro rychlejší obvody (STTL, ECL) je však třeba uvažovat kritickou délku 10 cm. Všechny vodiče, které nejsou krátké, je třeba ošetřit z hlediska odrazů a přeslechů.

7.3 Rozvod napájení Jak již bylo uvedeno, spoje v elektronických přístrojích jsou dvojího druhu. Po signálových spojích se předává informace, zatímco napájecí vodiče přivádějí k prvkům energii ze zdrojů konstantních napětí. V případě zdroje jednoho napětí se napájení přivádí k prvkům pomocí přímého a zpětného vodiče; je-li napájecích napětí několik, spojují se zpětné vodiče do jednoho společného zemního vodiče (s určitými riziky - viz později). Napájecí rozvod se obvykle skládá ze dvou částí. Jednou částí je vedení napájecího napětí od zdroje k jednotlivým dílům systému nebo k jednotlivým montážním deskám. Přechod k těmto částem se obvykle děje pomocí vhodných konektorů, které musí mít zanedbatelný přechodový odpor a musí být dimenzovaný tak, aby byly schopny přenést značné proudy (někdy se kontakty konektorů spojují paralelně). Druhou částí je pak vedení napájecího napětí k jednotlivým obvodům.

88


Napájecí rozvod má mít obecně co možná malou impedanci; zejména zemní vodič. Impedance vedení má především odporovou a induktivní složku. Z pohledu minimální impedance jsou optimální rozvodové pásnice obdélníkového profilu (obr. 6.15), které jsou typické pro rozvod v rámu. Pásový rozvod má příznivé vlastnosti nejen proto, že samotný profil zajišťuje minimalizací indukčnosti (osamoceného) vodiče, ale umožňuje také snadnou montáž dvojice vedení, což k minimalizaci indukčnosti napájecí smyčky rozvodu jen přispívá. Poznámka: Pro lepší představu, proč obdélníkový profil má menší hodnotu vlastní indukčnosti než stejný průřez kruhového tvaru je postačující zakreslit siločáry magnetického pole několika rovnoběžných vodičů protékaných stejnými proudy: Siločáry mezi vodiči se vzájemně ruší. Pro homogení montáž se dvojice pásnic izoluje pouze tenkou izolační vrstvou, tzv. páskové vedení. Páskové vedení má velmi malou charakteristickou impedanci Zo a je tedy pro rozvod napájecích napětí nanejvýš vhodné. Nedodrží-li se malá impedance napájecích vodičů může být ohrožena správná funkce digitálních i analogových obvodů. Na ohmickém odporu rozvodu vzniká ss úbytek napětí, který snižuje napájecí napětí digitálních obvodů vzdálenějších od zdroje; úbytek na zemním vodiči navíc snižuje odolnost proti rušení v úrovni L. U analogových obvodů vede nenulový odpor napájecích vodičů ke vzniku parazitních vazeb (viz. kap.6.4). Kromě těchto statických rušivých napětí vznikají provozem digitálních obvodů v napájecím rozvodu dynamické (impulsní) poruchy vlivem špiček v odběru proudu. Rozvod napájecího napětí musí mít proto i malou impedanci pro vf signály. Jde hlavně o indukčnost přívodů. Indukčnost napájecí soustavy je dána výhradně geometrickou konfigurací jednotlivých částí. Proto se snažíme, aby napájecí a zemní vodič vedly blízko sebe, aby plocha smyček napájecích obvodů a tím jejich indukčnost byla malá. Smyčky se pak ještě zmenšují zapojením kondenzátorů, které působí na vysokých kmitočtech jako zkrat a tím zmenšují velikost smyček. Pro tento účel je třeba vybrat kondenzátor s malou seriovou indukčností a odporem na vysokých kmitočtech. Z tohoto důvodu se užívají tantalové elektrolytické kondenzátory nebo se běžné elektrolytické kondenzátory přemosťují keramickými kondenzátory o velikosti desítek nF. Napájecí a zemní vodič vedené blízko sebe


89

lze pak chápat rovněž jako vedení s určitou rozložnou indukčností a kapacitou (včetně zmíněných blokovacích kondenzátorů). V první části rozvodu požadavek malé impedance realizujeme kromě již uvedených pásnic použitím dostatečně tlustých měděných vodičů (viz obr. 6.16a), v některých případech pásem oboustraně plátovaného plošného spoje (obr. 6.16b - je to varianta pásnicového rozvodu), šířky cca 10 mm. Při konstrukci složitých digitálních zařízení s velkou hustotou součástek vzrůstají nároky především na kvalitní rozvod zemních vodičů. Je to dáno tím, že rušivé napětí na zemním rozvodu může snadno dosáhnout rozhodovací úrovně klopených obvodů a změnit jejich stav. Proto je někdy u těchto zařízení zemní vodič tvořen tzv. potenciálovou mříží (obr. 6.16c). Ve druhé části napájecího rozvodu na deskách plošných spojů se musíme zabývat dynamickým rušením vlivem indukčnosti napájecích vodičů a rychlých změn v odebíraném proudu. Záporné napěťové špičky na sběrnici +UCC jsou při tom méně nebezpečné než kladné napěťové špičky na zemním vodiči, které mohou snadno překročit hodnotu prahového napětí (1,35 V). Jde o proudové špičky při nabíjení parazitních kapacitorů z napětí logické "O" na "l", změny v odběru při změně stavu (ICC(0) ¹ ICC(1)), proudové špičky při průchodu vstupního napětí rozhodovací úrovní (1,35V) a konečně i přechodné proudy do vedení. Nemáli následkem takto vzniklých proudových špiček dojít k rušivým úbytkům napětí na napájecím rozvodu, je třeba v maximální blízkosti integrovaných obvodů připojit kondenzátory, které potřebný proud po jeho krátkou dobu trvání zajistí. Jsou to vlastně individuální zdroje napájecího napětí pro jednotlivé IO nebo malé skupinky IO. Uvažujeme-li např. proudovou špičku DICC = 50 mA po dobu Dt = 20 ns a připustíme-li rušivé napětí DUCC = 0,1 V, vychází hodnota kapacity 10 nF. Přívod napětí od takového kondenzátoru k digitálnímu obvodu musí mít malou impedanci a nesmí být příliš dlouhý. Jinak ⎛ ∆i ⎞ se totiž zase uplatní indukčnost přívodu ⎜ L ⎟ . ⎝ ∆t ⎠ Použitý kondenzátor musí mít sám zanedbatelnou indukčnost (keramický). Přibližně se můžeme řídit pravidlem, že na každé synchronně pracující hradlo je třeba počítat s kapacitou 10 nF (5 nF na asynchronně pracující). Nejlépe je umístit několik blokovacích kondenzátorů (např. o velikosti 68 nF) v pravidelných vzdálenostech po celé desce. Kromě toho je ještě třeba na vstupu desky blokovat napájení větším kondenzátorem (10-50 uF), nejlépe tantalovým (vyznačuje se malou parazitní indukčností). Tyto kondenzátory potlačují kmitavé děje při změnách odběru desky (obr. 6.17), omezují také případné rušivé signály, které se indukují do první části rozvodu. Napájecí přívody desky jsou reprezentovány prvky R, L. Aby přechodný děj při změně proudu desky dI měl aperiodický charakter, je třeba volit CB ³ 4 L/R2. Při konstrukci napájecího rozvodu na deskách se vyskytuje v praxi několik řešení, jejich společným znakem je dosažení co nejmenší impedance (malého odporu a indukčnosti)

90


napájecího a zemního vodiče. V zásadě platí, že čím je systém rychlejší, tím je konstrukce desek náročnější. Optimální napájecí rozvod je na čtyřvrstvých deskách plošných spojů (obr. 6.18c). Na rozvod jsou vyčleněny dvě vnitřní vrstvy. Ponechává se vodivá celá plocha desky (až na izolační prstence). Výhodou je také, že vnější (signálové) vrstvy jsou stíněny a signálová vedení mají definovány zemnící rovinu. Vzájemná kapacita vnitřních vrstev je řádu nF a zpravidla nejsou potřebné blokovací kondenzátory. Tzv. nepravé čtyřvrstvé desky používají pro rozvod napájení páskové sběrnice (tzv. hřebínky), umístěné vně desky (ze strany součástek). Běžné uspořádání je znázorněno na obr. 6.19 - toto uspořádání zjednodušuje pouze spoje, ale nikoliv problematiku rušení (hřebínky jsou daleko od sebe). Lepší uspořádání má páskové sběrnice těsně vedle sebe (oddělené jen izolací). Páskové sběrnice mohou být vedené i pod pouzdry IO (obr. 6.18a,b). Ovšem nesprávné čtyřvrstvé desky nejsou vhodné pro strojové osazování a pájení. Na montážní úrovni bloku (modulu) je možno analogicky použít vodivou plochu, ke které se připojují zpětné vodiče a zemní špičky všech konektorů. Signální spoje vedené těsně nad touto rovinou mají charakter vedení, což je rovněž žádoucí. Složitější je realizace rozvodu napájení v jedné nebo dvou vrstvách. Možné řešení jsou na obr. 6.20. K zajištění malé impedance je nutné zamezit vzniku impedančních smyček. To je možné při důsledném souběžném rozvodu napájecích větví, jak je znázorněno na obr. 6.20a (tzv. dvoukmenový rozvod). Možné umístění pouzder IO je vyznačeno čárkovaně. Pouzdro umístěné napříč vodičů nedovoluje větší průřezy. Rozvod lze snadno modifikovat na síťové uspořádání, viz obr. 6.20b. Jiné možné umístění pouzder je na obr. 6.20c. V tom případě se však vyžaduje důsledné používání blokovacích kondenzátorů. Zapojení uvedené na obr. 6.20d je ze všech uvedených po elektrické stránce nejkvalitnější, zajímá všek relativně velkou plochu. Typografickým zjednodušením varianty c) v uspořádání uvedeném jako e) je sice rozvod realizován v jediné vrstvě, úplně se však ztrácí výhoda důsledného dvoukmenového rozvodu. Na jednu stranu plošného spoje (stranu součástek) se umístí širší vodiče pro rozvod napájení (a také signálové vodiče v tomto směru) a na druhou stranu plošné ve směru kolmém. Tento rozvod je znám od roku 1965 pod názvem "Weinberger layout" a byl navržen pro rozvod napětí na čipu IO. Na obr. 6.20g je nakresleno chybné umístění blokovacích kondenzátorů pro tuto variantu, kdy vzniká velká smyčka a blokování je neučinné.


91

92


7.4 Ochrana proti pronikání nežádoucích signálů (parazitní jevy a jejich potlačení) Při návrhu elektronických zařízení se zabýváme vždy v prvé řadě návrhem obvodů a funkčních dílů zařazených do hlavní cesty primárního signálu. V průběhu dalšího konstrukčního a vývojového propracování návrhu musíme však řešit ještě úlohu další, stejně důležitou: zajistit, aby se signál nešířil jinými cestami než je třeba, a zabránit dalším nežádoucím signálům, polím a radiačním vlivům v jejich rušivém působení. Tato obecná úloha se nám pak v praxi rozpadá na řadu konkrétních problémů: - odstranění nežádoucích galvanických vazeb (conductance interference) na napájecích a zemních vodičích, - odstranění induktivních a kapacitních cest nežádoucího přenosu signálu (radiated interference), - odstranění vlivů nežádoucích elektromagnetických polí - odstranění vlivů magnetických polí stálých a nízkofrekvenčních, - odstranění vlivů vnějších rušivých signálů, přicházejících po přívodech napájecího napětí, - odstranění termoelektrických napětí, přechodových odporů apod. Je třeba znát tyto jevy, jejich příčiny a následky a konstrukci přístroje od počátku navrhovat tak, aby byly potlačeny na co nejmenší míru. Tím omezíme dlouhé a časově náročné laborování na nesprávně pracujících vzorcích, případně nutnost větších úprav vzorků, než se dosáhne požadované funkce a parametrů. Všechny tyto jevy jsou v jádře jednoduché a dají se řešit pomocí základních vztahů z teoretické elektrotechniky a teorie obvodů. V dalších odstavcích si připomeneme jejich zákonitosti a to v souvislosti s konkrétními praktickými úlohami a potřebami. Poznamenejme ještě, že studium těchto parazitních jevů je také důležitou částí elektromagnetické kompatibility, proto jsou již zmíněny v kap. 5. Na obr. 6.21 je pokus zachytit souvislost mezi jednotlivými parazitními vazbami a cestami na jejich odstranění.

V jednotlivých kapitolách uvidíme, že celým komplikovaným výkladem parazitních jevů s táhne problematika správného zemnění. Navíc z praktických důvodů budou problémy induktivních a kapacitních přeslechů znovu probírány v kapitole o vázaných vedeních.


93

Jevy vyvolané nenulovým odporem spojů

Nenulový odpor spojů (signálových i napájecích) event. jejich impedance (indukčnost) je zdrojem mnoha problémů. Jednak se nepříznivě projevují (nebo mohou projevovat) úbytky napětí na vodičích (výstupní obvody zesilovačů, přechodové odpory), jednak vznikají tyto parazitní vazby: - vazba signálových a napájecích obvodů na společném rezistoru, - vazba signálových obvodů na společném rezistoru, - vazba přes napájecí rozvody a zdroje. 1. Vazba obvodů na společném rezistoru. Odpor vodičů může způsobit nežádoucí vazby. Zvláště je to zřetelné u vodičů, přes které tekou napájecí proudy, a to především zemních vodičů (obr. 6.22). Je třeba si uvědomit, že zem není totéž co nulový potenciál. Půl metru měděného drátu o průměru 0,5 mm má odpor 45 mW a proud 5 mA na něm vyvolá napěťový úbytek 225 mV. Je-li tento úbytek na výstupní straně zesilovače, obvykle nevadí. Objeví-li se však na vstupních obvodech (obr. 6.23a), způsobuje - rušivé ss napětí, je-li rušivý úbytek stálý, - přídavný šum, mění-li se náhodně, - zápornou nebo kladnou zpětnou vazbu, je-li nějak úměrný zpracovávanému (vstupnímu) signálu, tj. vyskytne-li se v obvodu část zemního vodiče společná pro vstupní i výstupní obvod zesilovače. Ochrana před touto vazbou je v tom, že nedovolíme, aby různé proudy (vstupní a napájecí, vstupní a výstupní) procházely stejnou částí společného vodiče. Rušivý napěťový úbytek ur, vyvolaný průtokem cizího proudu přes společný zemní vodič, se odstraní změněným uzemněním (obr. 6.23b). Na obr. 6.24a je ukázáno, jak špatným zeměním mohou vzniknout nežádoucí vazby ve vícestupňovém zesilovači. Napájení v bodech A a B není vhodné. Vidíme, že střídavý okruh třetího stupně je uzavřen přes části zemního vodiče 1, 2, 3, které jsou společné pro tranzistory T1 a T2, ... Je třeba, bby proudy stupňů s vyšší úrovní signálu neprotékaly vstupními obvody. Takové řešení je na obr. 6.24b. Obecně můžeme říci: signálovými vodiči má procházet jen proud signálu (pokud možno jen jednoho), napájecí obvody mají mít pokud možno samostatné vodiče. V rozsáhlejších zařízeních se vyplatí paralelní rozvod signálové a výkonové země (obr. 6.25c, 6.26b). Obě země se pak propojí na zemní svorce napájecího zdroje.

94


U digitálních obvodů procházejí zemním vodičem při spínání hradel tytéž špičky jako napájecím vodičem (viz později). Při přechodu digitálního obvodu ze stavu H do L se vybíjí mimo to to přes zemní vodič i parazitní kapacitor, jehož kapacita je dána součtem kapacity spojů a vstupní kapacity členu, který je z tohoto obvodu buzen. Vybitím tohoto kapacitoru se proud společným zemním vodičem zvětší na dobu asi 10 ns na trojnásobek až čtyřnásobek klidové hodnoty, může být až 20 mA u jednoho logického členu. S počtem synchronně pracujících obvodů se tento proud opět zvětšuje a může pak způsobit další úbytek napětí na společném zemním vodiči. Takovým úbytkem pak může nepřípustně narůst úroveň na vstupech obvodů připojených přímo na zemní vodič. Požadavky na malou impedanci jsou tedy u společného zemního vodiče ještě přísnější než u vedení napájecího napětí. Obdobné problémy přináší spínání výkonových členů připojených k digitálním obvodům. Kromě rozdělení země na digitální a výkonovou se přijímají i takové úpravy zapojení, které snižují prudké měny odběru z napájecího zdroje (na obr.26 "předžhavení" žárovek).


95

Složitý systém je možno rozdělit na dílčí části, které vykonávají určitou účelovou činnnost. Typické zařízení průmyslové regulace se může např. skládat z těchto dílů: zdroj signálu, který je zpracováván (snímač, čidlo), přizpůsobovací obvod (např. zesilovač s tvarovačem signálu, převodník), číslicový systém (logické členy, paměti, čítače, převodníky kódů), zesilovač (např. výkonové spínací tranzistory, tyristory, lineární zesilovače) a výkonový orgán (relé, stykač, ventil, signalizace atd.). Doporučuje se, aby každý z těchto nebo podobných dílů byl řešen jako samostatný blok, opatřený vlastním zdrojem. Zásadně není vhodné, aby z napájecího zdroje číslicové části byly napájeny ještě jiné díly, zejména elektromagnetické součástky (relé, stykače, motory) a polovodičové spínače. Stejně tak není vhodné, aby z napájecího zdroje analogové části byly napájeny číslicové obvody. Všechny díly řetězce zařízení (příp. i jejich stínící skříně) je třeba spojit do společného bodu, který se uzemní. Svod do společného bodu a svod zemnění je třeba provést vodiči o extrémně malé impedanci (tlusté měděné vodiče, měděné pásy, lana apod.). Jako společný bod se obvykle volí vstupní zemní svorka výkonově nejvíce namáhaného napájecího zdroje. Poněvadž je zemnění u každého dílu samostatné, nemohou se úbytky vzniklé na zemnících spojích projevit pro sousední díly rušivě. Někdy je účelné rozdělit rozsáhlé zařízení na několik sekcí, které nemají společné zemnění a které jsou signálově vázány způsobem nevyžadujícím galvanické propojení jejich společných (zemních) vodičů. Signálová vazba je v těchto případech zprostředkována obvykle magnetickým polem (nízkofrekvenční popř. impulsový transformátor), elektromechanickými prostředky (elektromagnetické relé) anebo světelnými paprsky (optoelektronický vazební člen, optron). Tímto způsobem se za cenu větší složitosti zařízení obcházejí potíže spojené s propojováním zemních vodičů především v soustavách prostorově značně rozlehlých a propojovaných dlouhými signálovými kabely. Každá ze sekcí zpracovávajících signál může přitom být připojena na libovolný "zemní" potenciál. Taková sekce (část) zařízení, která je jak napájením, tak i signálem galvanicky oddělena od ostatních částí zařízení, se často označuje jako "plovoucí" sekce (část). 2. Vazba přes napájecí rozvody a zdroje. Odpor a impedance přivodů k napájecím zdrojům a také odpor (impedance) vlastního zdroje (především elektrolytického kondenzátoru na výstupu) mohou být dalším zdrojem nežádoucích vazeb. Obtíže jsou

96


způsobeny tím, že výstupní proud zesilovače musí vždy protékat smyčkou, uzavřenou přes napájecí zdroj. Proud vyvolává úbytky na odporech napájecího vedení, které jsou superponovány na napájecí napětí a mohou se přenášet do nežádoucích míst zapojení. Abychom se zbavili těchto obtíží, snažíme se zmenšit možnost výskytu nežádoucí vazby některým z následujících opatření: a) citlivé vstupní stupně napájíme ze samostatných zdrojů nebo stabilizátorů, b) každý zesilovač napájíme po samostatném vedení od napájecího zdroje, c) každý zesilovač napájíme ze samostatného zdroje, d) pro střídavé signály použijeme transformátorovou vazbu. Volba vhodného opatření závisí na složitosti a citlivosti zařízení. Ve velkých a náročných přístrojích se nedá šetřit na napájecích zdrojích, jejich provedení a stabilizaci, má-li být plně využito dosažitelných vlastností. Stále více se používají zesilovače (včetně integrovaných obvodů), které jsou svým principem širokopásmové. Jejich vlastnosti jsou definovány při napájení ze zdrojů s malým vnitřním odporem. Běžné stabilizátory napětí mají pro kmitočty vyšší než 100 kHz výstupní impedanci indukčního charakteru, která se proti impedanci na nižších kmitočtech zvětšuje. Je to způsobeno zmenšením zisku v elektronické části stabilizátoru, který již nestačí udržet malý výstupní odpor zdroje, a indukčním charakterem reaktance elektrolytických kondenzátorů na vyšších kmitočtech. Také přívody od zdroje delší než 10 cm se mohou projevit u širokopásmových zesilovačů svým indukčním charakterem. Abychom se vyhnuli nekontrolovatelným vazbám na výstupní impedanci zdroje na vyšších kmitočtech, blokujeme vývody napájení každého operačního zesilovače (co nejblíže pouzdru) keramickými kondenzátory s kapacitou 100 nF (kapacita 10 nF může vyvolat rezonanci s indukčnostmi přívodů v kritické oblasti 1 až 10 MHz a způsobit rozkmitání zesilovače přes napájecí zdroje), obr. 6.28, příp. u hybridních operačních zesilovačů se doporučují tantalové kapacitory s kapacitou 1 µF. U obvodů s diskrétními součástkami se obvykle blokuje napájení jednotlivých funkčních celků elektrolytickými kapacitory, náročnější celky pak kapacitory tantalovými. Mimořádně závažná je otázka napájecích rozvodů pro digitální obvody, které při spínání hradel a vybíjení kapacitních zátěží vyvolávají v napájecích rozvodech proudové špičky. Podle impedance napájecího rozvodu vyvolávají tyto proudové špičky i změny napětí na napájecích svorkách součástek (obr. 6.29). Poznamenejme, že v literatuře se pro "namáhání" součástek přechodnými ději s rychlostmi řádově µs a většími ujímá název "stres". K omezení těchto stresových změn je třeba v těsné blízkosti integrovaných obvodů připojit do napájení kapacitory, které představují zkrat pro vysoké kmitočty (obr. 6.30). Doporučená


97

kapacita blokovacího kapacitoru je 1 až 10 nF na jeden obvod. Při návrhu desek plošných spojů pro číslicové systémy se doporučuje, aby bylo blokováno bezindukčními kapacitory s kapacitou 10 až 100 nF (keramika) u každých 5 až 10 pouzder integrovaných obvodů. 3. Úbytky napětí na vodičích mohou být na závadu, i když se nejedná o zemní vodič. Typickým příkladem je zpětnovazební zesilovač podle obr. 6.31. Podle připojené zpětné vazby mohou nastat dva základní případy: a) zpětná vazba je vedena z bodu připojeného co nejblíže k zátěži, obr. 6.31a. Je potlačen vliv impedance přívodů. b) zpětná vazba je vedena z vnitřního bodu zesilovače, zátěž je oddělena oddělovacím rezistorem Rv, obr. 6.31b. Toto řešení se používá u koncových stupňů generátorů k dosažení definovaného výstupního odporu na výstupních svorkách. Rv obvykle slouží také jako ochrana zesilovače.

Na 6.32

obr. je

98


konkrétní zapojení s operačním zesilovačem, které realizuje principy podle obr. 6.31. Výstupní odpor Ro je dán vztahem (pro obr. 6.32a) Ro ≅

Rv ⎛ R 2 ⎞ ⋅⎜ ⎟ − A ⎜⎝ R1 ⎟⎠

Např. pro Rv = 10 W, A = -105 a R2/R1 = 10, je Ro = 1 mW pro zpětnou vazbu vztaženou až na výstupní svorky. Je-li Rv mimo smyčku zpětné vazby, pak určuje převážnou část výstupního odporu celého obvodu. Proto, chceme-li definovat výstupní signál zesilovače nebo např. výstupní napětí stabilizátoru v určitém bodě, vedeme zpětnou vazbu z tohoto bodu (obr. 6.33). 4. Přechodové odpory se vyskytují u rozpojitelných spojů, nejčastěji u přepínačů a relé. Činí problémy, protéká-li jimi větší proud. V měřící technice se proto užívá čtyřdrátového připojení rezistorů s malým odporem nebo bočníky k ampérmetrům typu Ayrton-Perry. Velmi závažná je také problematika čištění, konzervace a mazaní kontaktů přepínačů (čelních i smykových) a relé. Materiálem kontaktů jsou slitiny stříbra s mědí nebo niklem a další měděné slitiny, které se často postříbřují. Za skladování nebo provozu se kontakty po určité době pokryjí černou nevodivou vrstvičkou oxidů nebo sirníků stříbra, popřípadě mědi. Toto černání je působeno oxidem siřičitým, jímž je znečištěna každá průmyslová atmosféra, nebo sirovodíkem. K čištění se v praxi používá nejčastěji benzin, trichloretylén nebo tetrachlormetan. Tato rozpouštědla sice kontakty částečně vyčistí, současně je však i vysuší, a to je nežádoucí zejména u smykových kontaktů, které pak nejsou vůbec mazány. Potom dochází ke zvýšenému odírání stříbrného povlaku přepínačů a u potenciometrů ke zvýšenému odírání odporové dráhy (což se potom projevuje tzv. chrastěním). Proto je lépe používat přípravků typu KONTOX a RENOL, které mají účinky čistící, mazací a konzervační. 7.4.2

Termoelektrická napětí

Při zpracování velmi malých stejnosměrných napětí se mohou rušivě projevit termoelektrická napětí. Vznikají na místě styku dvou různých kovů vlivem teploty. Teplotní rozdíl může být způsoben ohřevem ztrátovým výkonem použitých součástek, ale také např. třením v přepínači při přepínání. Termoelektrická napětí vztahujeme proti mědi a jsou přibližně -0,5 µV/K pro zlato, stříbro, manganin,-2,5 µV/K pro mosaz a fosforbronz, -3,2 µV/K pro cín, ale např. -41,5 µV/K pro konstantan. Vliv termoelektrického napětí potlačujeme použitím vhodných materiálů a zamezením teplotních rozdílů v citlivé části obvodu. 7.4.3

Reaktance vodičů

Dosud probírané parazitní jevy můžeme v podstatě považovat za "jevy s odporovým charakterem", a to dvojího druhu: jednak jsou založeny na existenci parazitního odporu vodičů (kterým protéká jeden proud), jednak na existenci parazitní odporové vazby (vodičem s nenulovým odporem protéká více proudů). Podobně existují parazitní reaktance vodičů


99

(indukčnost vodiče, kapacita a vzájemná indukčnost mezi vodiči), které mohou vést ke vzniku parazitních vazeb. Příkladem může být indukčnost vodičů, které vadí na vysokých kmitočtech a také např. u napájecích vodičů digitálních integrovaných obvodů (jak již bylo uvedeno). Parazitní kapacity vůči zemi mají za následek pokles zesílení na vyšších kmitočtech. Pokud bude existovat parazitní kapacita mezi vstupem a výstupem invertujícího zesilovače, uplatní se Millerův jev. V praxi proto na vysokých frekvencích zkracujeme přívody součástek jen na nezbytnou délku, volíme krátké spoje, zapojujeme několik rezistorů paralelně, neužíváme drátové rezistory. Snaha zmenšit Millerovu kapacitu vedla k vývoji nových aktivních prvků (např. pentody místo triody), tranzistorů řízených polem se dvěma elektrodami G, speciálních typů bipolárních tranzistorů se zmenšenou kapacitou kolektor-báze (jako např. KF167 a KF173 aj.) nebo zapojení, v nichž je vliv nežádoucí kapacity potlačen (např. kaskódové zapojení stupně s uzemněným emitorem a uzemněnou bází). Možností, jak zmenšit vnější parazitní zpětnovazební kapacity (za cenu zvětšení méně nebezpečných kapacit proti zemi), je použít stínění (viz dále). Problematiku kapacitních a induktivních vazeb mezi vodiči probereme vzhledem k jejich závažnosti samostatně v následujících dvou kapitolách (a potom zmíníme ještě v souvislosti s vázanými vedeními). Pro správný odhad vlivu parazitních reaktancí je třeba umět odhadnout řádově parazitní vlastnosti vodičů. V tab. 6.1 jsou uvedeny tyto orientační údaje pro měděné vodiče podle [58]. 7.4.4

Parazitní kapacitní vazba

Existuje-li mezi dvěma vodiči prostor, kudy mohou procházet siločáry elektrostatického pole, pak je možno též definovat kapacitu mezi nimi. Tato kapacita se pak může uplatnit jako

100


přenosová cesta signálu z jednoho vodiče na druhý. Kapacitní vazby vznikají mezi vodiči vedenými blízko sebe, hlavně pak mezi vodiči vedenými ve větší délce paralelně, např. ve svazcích vodičů, v kabelech nebo na deskách plošných spojů. Obr. 6.34 ukazuje kapacitní vazbu mezi dvěma volnými vodiči (abychom potlačili úvahy o možné induktivní vazbě, není napájený vodič uzemněn). Jde ukázat, že pro parazitní přenos napětí (přeslech) platí U2 jωR2 C12 = ≅ jωR2 C12 (6.5) U 1 1 + jωR2 (C12 + C 2G ) Důležitý je vztah pro přenos při nízkých kmitočtech, kdy podle obr. 6.34c můžeme tento přenos popsat proudovým zdrojem j C12 U1 Vidíme, že rušivé napětí na obou koncích ovlivňovaného vodiče má stejnou polaritu. To je typický rys kapacitní parazitní vazby (na rozdíl od induktivní). V praxi je také častý případ, kdy se váže zdroj rušivého napětí, pracující na kmitočtu wo, s laděným obvodem naladěným rovněž na kmitočet wo Potom jde ukázat, že přenos rušivého napětí je vyjádřen výrazem K = QC12/C2G, kde C2G je kapacita v paralelním laděném obvodu LC. Ze vztahu (6.5) je zřejmé, že pro zmenšení parazitní kapacitní vazby je třeba - udržovat vazební kapacitu C12 co možno nejmenší, - udržovat ekvivalentní odpor zátěže R2 též co nejmenší. Na obvodu podle obr. 6.35 lze ukázat, jak i malé parazitní kapacity již mohou zhoršit vlastnosti zesilovače. Uvažujme vstupní obvod zesilovače, který má zpracovat vstupní signál 10 mV s odstupem alespoň -60 dB. Odpor zdroje signálu uvažujme např. 10 kW. Odstupu -60 dB od 10 mV odpovídá největší přípustný rušivý signál 10 uV. Zkusme zjistit, jaká může být největší kapacita mezi napájecími obvody, v nichž je napětí 10 V/50 Hz, aby byl dodržen odstup -60 dB. To znamená, že 10 V z napájecího zdroje může vyvolat na 10 kW vnitřního odporu zdroje úbytek napětí nejvýše 10 uV. Úbytku 10 mV na 10 kW odpovídá proud 1 nA. Reaktance kapacity, kterou protéká při kmitočtu 50 Hz proud 1 nA, musí být 1010 W. Z toho vyplývá, že kapacita C = 1 / ωX C může být až 0,3 pF. Vidíme, že přípustná kapacita je velmi malá i u zesilovače s běžnými středními impedancemi. Proto se většinou v náročnějších vstupních obvodech neobejdeme bez speciálních opatření, popsaných dále. Výše uvedené se týkalo kmitočtové oblasti. Dále je třeba se zabývat kapacitní vazbou v časové oblasti, při uvažování pulsního signálu. Ze vztahu (6.5) plyne, že rušivé napětí je úměrné časové derivaci vstupního napětí; objeví se tedy jen při časových změnách vstupního signálu (při změnách logických úrovní digitálního signálu). Obvykle se uvažuje aproximace lichoběžníkovým signálem s délkou hrany tr. Rušivý signál narůstá i klesá exponenciálně se stejnou časovou konstantou τ = R2 (C12 + C 2G ) . Pro praxi je důležité, že digitální obvody jsou většinou nízkoohmové, takže s kapacitním rušením počítáme jen u vodičů v tzv. třetím stavu. Z praxe je známo, že kapacitní přenosové cesty se omezí jednak umístěním rušeného okruhu co nejdále od okruhu rušícího, jednak použitím kovového stínění. Vestavění stínící přepážky z mědi nebo hliníku představuje účinné přerušení cesty rušivého signálu, ale bývá prostorově náročné. Použití stínících krytů nebo stíněných vodičů je z hlediska účinnosti


101

rovnocenné, avšak zpravidla dochází ke zvýšení kapacit stíněných prvků proti zemi, což může nepříznivě ovlivňovat funkci zařízení ( např. snížení mezního kmitočtu). Na deskách plošných spojů a v plochých kabelech z důvodů stínění vedeme často mezi "živými" vodiči vodiče uzemněné. V některých případech je stínění neproveditelné, např. uvnitř aktivních prvků apod. V takových případech je třeba pomoci tzv. neutralizací, tj. umělým zavedením stejně velké kapacitní vazby opačně působící. K tomu je ovšem nutné, aby alespoň jeden z obvodů, buď vstupní nebo výstupní, dával souměrné napětí. V obvodech určených pro přenos úzkého pásma kmitočtu je možné neutralizovat vliv vazební kapacity paralelně zapojenou cívkou, naladěnou do rezonance na středu pásma; pak souměrné napětí není nutné. V každém případě a při návrhu jakéhokoli zařízení je však nutné posoudit všechny možnosti kapacitních vazeb mezi jednotlivými stupni zařízení, vyčíslit přípustné velikosti vazebních kapacit a podle toho pak rozhodovat o zásadním rozložení součástí a způsobech stínění. Obvykle stíníme nejpečlivěji vstupní obvody s nejnižší úrovní signálu, a pak obvody s největší úrovní, kde je nebezpečí vyzařování. 7.4.5

Parazitní induktivní vazba

Každý vodič protékaný proudem vytváří magnetické pole; je-li v jeho dosahu jiný vodič, vytváří společná část magnetického pole mezi nimi vzájemnou indukčnost. Ta se ovšem uplatňuje též jako cesta nežádoucích přenosů signálu (a to samozřejmě za předpokladu, že jde o časově proměnný proud, obvykle střídavý). Princip vazby ilustruje obr. 6.37.

102


Ve vodičích, které jsou v časově proměnném magnetickém poli, se indukuje napětí, vzrůstající se zvyšováním kmitočtu. Je-li takový vodič součástí uzavřené smyčky, prochází touto smyčkou střídavý proud takového směru, že magnetické pole vyvolané tímto proudem, působí proti původnímu poli (princip vzájemné indukčnosti). Φ M 12 = 12 Vzájemnou indukčnost můžeme definovat vztahem I1 Potom indukované napětí v rušeném obvodu (smyčce) bude di (t ) u 2 (t ) = M 12 2 dt U 2 = jωM 12 I 1 nebo pro případ harmonického napětí

(6.5)

Jde ukázat, že platí M12 = M21 = M a z rovnic podle druhého Kirchhoffova zákona pro obě smyčky dostaneme pro harmonické signály U2 =

jωM / R2 1 + jωL2 / R2

(6.6)

kde R2 = R21+R22. Formálně jde o stejný vztah jako platí pro kapacitní vazbu (6.5). Ovšem v tomto případě jsou napětí na rezistorech R11 a R22 opačné polarity. Jak již bylo uvedeno, induktivní vazbu pozorujeme tam, kde rušící proud protéká smyčkou a rušený obvod obsahuje také smyčku (prostorově blízkou). Vazba je tím silnější, čím je větší plocha obou smyček. Induktivní vazba však také vzniká, když přijímací smyčkou prochází rozptylové magnetické pole transformátoru nebo tlumivky. Induktivní vazba se uplatňuje nejvíce v obvodech s malými impedancemi. Podobně jako v předchozím případě, také zde můžeme těmto vlivům čelit jednak stíněním, které působí jako zkratový závit a zmenšuje činitel vazby, jednak účelným rozmístěním obvodů. Hlavní zásadou je ovšem takové vedení spojů, aby plochy vymezené každým proudovým obvodem (smyčkou) byly co nejmenší, tj. spoje co nejkratší a co možno blízko sebe, pokud patří k téže proudové smyčce. Na obr. 6.38 je znázorněna induktivní vazba na deskách plošných spojů. Jako stínění zde působí uzemněný vodič mezi dvěma souběžnými vodiči. Souvislá zemnící plocha výrazně zmenší vazbu magnetickým polem.


Obr. 6.38. Parazitní induktivní vazba na deskách plošných spojů

103

104


Např. na obr. 6.32b musí být co nejmenší plocha smyčky 1-2-3-4-5-1. Každá změna magnetického pole, procházející smyčkou, je zesilovačem zpracovávána jako vstupní signál. Proto se má vést zpětnovazební vodič 1-2 přes R2 blízko s vodičem 4-5. Na obr 6.39a vidíme, že smyčka ve vstupním obvodu vlivem nesprávného umístění kapacitorů C1 a C2 je velká. Správné řešení ukazuje obr. 6.39b.

Při hledání přijímacích smyček si musíme uvědomit, že každý proud teče uzavřeným okruhem (nezapomenout na zemní a napájecí vodiče), tedy zpětné vodiče mají vést v těsné blízkosti vodičů přívodních (a z hlediska parazitní zpětné vazby by zemní část smyčky měla být samostatná, neměl by tu protékat žádný jiný proud). Na DPS se napájecí vodiče navrhují co nejširší, vedou se planparalelně nebo těsně vedle sebe, jejich součástí jsou blokovací kondenzátory. Na obr. 6.40 vidíme, jak v napájecích obvodech pro dvě a více desek plošných spojů mohou vzniknout smyčky. Plocha smyčky S by měla být co nejmenší. Obdobně velikost společné impedance Z2 (na ní může vzniknout parazitní galvanická vazba). Velmi důležitá je problematika uzemnění stíněných vodičů. Zde se držíme zásady, že spojnice stínícího pláště se zemí nesmí tvořit uzvřenou smyčku a musí být co nejkratší. Viz příklad na obr. 6.41a,b. Pro magnetické stínění ovšem musí být spojeny oba konce se zemí. Nebo může jít o spojení přes napájecí síť (viz kapitola o souosé tlumivce). Druhou zásadou je pak patřičná vzdálenost mezi obvody, které nemají na sebe působit. Další možnost snížení vazby je takové uspořádání obvodů, aby jejich magnetická pole probíhala vzájemně kolmo; tato možnost se ovšem nedá realizovat na běžných jednovrstvových plošných spojích (je to typické pro transformátory a tlumivky, zde se navíc snažíme potlačit jejich rozptylová pole použitím hrníčkových nebo ještě lépe toroidních jader). Poslední možností je pak řešení podobné neutralizaci, kdy jeden z obvodů v části působící vazbu rozdělíme na dvě stejné části a spoje prokřížíme, aby se indukční účinky obou částí vzájemně rušily. Zde je třeba zdůraznit použití kroucené dvojlinky (obr. 6.42).


105

V těchto dvou kapitolách jsme uvažovali kapacitní a induktivní parazitní vazbu odděleně. V praxi působí obě společně. Záleží na geometrické konfiguraci (C12 a M) a na odporech vodičů, která z těchto vazeb se více projeví. Poznamenejme, že v řadě případů, musíme tyto vazby vyšetřovat jako vazby vázaných vedení (kap. 6.7). Na nižších kmitočtech lze mnoho obtíží odstranit užitím symetrického vedení signálu a diferenciálních zesilovačů.

Metoda je založena na použití diferenčního stupně na vstupu příjmače. Symetrický přenos se realizuje dvěma vázanými vedeními, přičemž užitečný signál je diferenční a veškeré rušení, i kapacitní, má charakter součtového signálu (obr. 6.43). Induktivní rušení je reprezentováno zdroji napětí u1 = u 2 , kapacitní rušení je reprezentováno zdroji u4 (C1 = C 2 ) . Při úplné symetrii nevyvolá rušení diferenční signál. Příjmač zesiluje diferenční signál ( Ad 〉〉1) a A zeslabuje součtový signál ( As 〈1) . Činitel potlačení součtového signálu H = d bývá u As diferenčních zesilovačů typicky 80 dB.

106


Stíněný vodič v magnetickém poli Jak bude později uvedeno, často se užívá stíněných vodičů. Je-li stínící obal ("punčoška") na obou koncích uzemněna, působí jako elektromagnetické stínění. Situaci ilustruje obr.6.44. Účinnost stínění závisí na zpětné cestě proudu (zemí, stíněním). Obě smyčky (vnitřní vodič, stínění) mají svoji indukčnost (Li,Ls) a existuje také jejich vzájemná indukčnost M. Dá se ukázat, že platí M = Ls. Z uvedeného vztahu plyne, že v případě, že RG = 0 (ideální země) se pro kmitočty vyšší než (RG + Rs)/Ls všechen proud vrací stíněním. Obr. 6.43. Symetrické vedení signálu Kmitočet Rs/Ls se nazývá mezním kmitočtem stínění.

Na DPS se nevyhneme paralelně vedeným spojům. U nízkoimpedančních obvodů (např. digitálních obvodů) se bude objevovat rušení (přeslechy) převážně prostřednictvím vzájemné indukčnosti. Velikost přenosu se zmenšuje s poklesem charakteristické impedance obou vzájemně vázaných vedení. Charakteristická impedance je tím menší, čím menší je vlastní indukčnost a čím větší je vlastní kapacita na jednotku délky vedení, čili čím větší je šířka spojové dráhy. Proto není vhodné užívat zbytečně úzkých spojů, pokud to vzhledem k okolnostem není zcela nevyhnutelné. Velmi účinného zmenšení vzájemné induktivní vazby mezi signálovými spoji lze dosáhnout umístěním vodivé roviny rovnoběžně s rovinou spojů, ve vzdálenosti od roviny spojů rovné nejvýše dvojnásobku šířky mezery mezi spoji. Působí zde dva vlivy současně: jednak zmenšení charakteristické impedance jednotlivých vedení


107

zvětšením kapacity na jednotku délky, jednak zmenšení vzájemné indukčnosti soustředěním elektromagnetického pole signálu do prostoru mezi spojem a vodivou rovinou. 7.4.6

Filtrace napětí ve vodičích

Rušivé signály mohou do zařízení vnikat vstupními vodiči, napájecími vodiči (ze síťového rozvodu nebo z jiných obvodů téhož zařízení), výjimečně také po výstupních vodičích. Proto bývá nutné opatřit tyto vodiče filtry zadržující nežádoucí pásmo kmitočtů. Návrh filtrů zde nebudeme uvádět, je již znám z teorie obvodů. Zde stačí připomenout, že obvykle užíváme RC nebo LC nesouměrných filtrů v zapojení T nebo p s charakterem dolní propusti, jednočlenných až tříčlenných, podle požadovaného činitele útlumu rušivého signálu. U síťových přívodů užíváme často filtrů souměrných, zejména tam, kde vytváříme pro zemnění přístrojů zvláštní zemní systém, nespojený přímo s nulovým vodičem sítě. Pokud je kmitočet rušivého napětí různý od kmitočtů pracovních (užitečných) signálů, můžeme i zde navrhnout a realizovat potřebné filtry např. typu pásmových propustí a zádrží. Je-li však rušivý kmitočet přímo v pásmu signálů pracovních, je nutné především zabránit jeho vniknutí do vstupního signálu. K tomu nám slouží opět stínění a zemnění. Typickým příkladem rušivého signálu přicházejícího po vstupních vodičích je příchod vf signálu na vstup nf zesilovačů. Pokud je amplitudově modulován, může se usměrnit nelinearitou vstupního tranzistoru a z reproduktoru slyšíme signál silného místního vysílače. V jiných případech může jít o rušení TV přijímačů jiskřením komutátorových motorů apod. Nelze také zanedbávat parazitní vazby, kterými přichází rušivé signály mimo zpracovávané pásmo kmitočtů. Moderní (i nízkofrekvenční) křemíkové tranzistory, ať již v diskrétní formě nebo jako součást integrovaného obvodu, mají mezní kmitočty řádu desítek až stovek MHz. Vstupní obvody citlivějších zařízení obvykle pečlivě stíníme (viz další kapitolu). Praktické a často užívané jsou filtry RC na vstupu citlivých obvodů. Skládají se z rezistoru, zařazeného v sérii se vstupem a všech kapacit proti zemi (včetně parazitních), uplatňujících se za tímto rezistorem. Máme-li odstranit vf nežádoucí rušení z nf nebo ss vstupních přívodů, nestačí přívody spojit mezi sebou nebo se zemí kondenzátorem, představujícím pro vysoké kmitočty malou impedanci. Na vstupní vedení musíme pohlížet jako na vf vedení, v němž se energie šíříelektromagnetickým polem okolo vodičů. Jakákoli nehomogenita vedení, např. zmíněným blokováním vodičů, způsobí odrazy vf energie a její šíření v různých formách po celém obvodu. Přitom nežádoucí vf energie proniká do přístroje nejen ze strany vstupů, ale pozornost je nutno věnovat i napájecímu rozvodu. Na obr. 6.45 je filtr zamezující pronikání nf rušení do přístroje. Charakteristická impedance napájecích a vstupních vedení bývá 50 až 1000 W. Pro 1 MHz pak součástkám na obr. 218 odpovídá L = 10 µH a C = 1 nF. K blokování se používají průchodkové kondenzátory, upevněné v kovové stínicí stěně. Tato stěna se nemá používat současně k zamezení šíření vf signálů a k elektrostatickému stínění signálu. Správné je použít dva paralelní stínící systémy; první proti vf rušení a druhý pro signálové stínění.

108


Vf stínění může být uzemněno v několika bodech, kdežto signálové stínění pouze v jednom bodě (viz dále). Filtry RC se také užívají v napájecím rozvodu, kde oddělují jednotlivé stupně nebo jejich skupiny (obvykle první stupeň zesilovače a zbývající obvody). Čím jsou pracovní kmitočty vyšší, tím menší sériovou indukčnost smí mít použité filtrační a zemnící kondenzátory, ovšem tím menší může být jejich kapacita. Proto užíváme kondenzátorů keramických pro VKV v průchodkovém provedení (protože jednotlivé stupně jsou odděleny stínícími přepážkami). Obdobnými filtry také řešíme opačnou úlohu, tj. zabránění odchodu rušivého signálu z obvodu nebo z celého zařízení. V prvním případě často filtrujeme vývody ze stíněných částí, abychom zabránili pronikání rušivého signálu ven (do jiných obvodů). V druhém případě jde o již zmíněné odrušování. Poznámky k návrhu filtrů Návrh filtrů zde nebudeme probírat, ovšem je třeba připomenout nutnost jejich pečlivého návrhu a především vlastního sestavení. Zvláštní pozornost si zasluhují tlumivky. Jak je známo, mají tlumivky vlastní rozloženou kapacitu a vlastní rezonanční kmitočet. Proto impedance tlumivky má induktivní charakter pouze do určitého kmitočtu, od něhož má potom charakter kapacitní. Tento kmitočet je vlastní rezonanční kmitočet tlumivky. Vlastních rezonančních kmitočtů zjistíme na určité tlumivce několik, proto filtr s tlumivkami může být na některých kmitočtech neúčinný.

Aby byl filtr účinný v celém potřebném pásmu kmitočtů, nemáme volit jeho indukčnosti příliš velké. Volíme proto takové tlumivky, jejichž vlastní rezonanční kmitočet leží výše než nejvyšší kmitočet filtrovaný. Pro kmitočty v oblasti horního konce krátkých vln a vln metrových se používají jednovrstvové cívky s malým průměrem, které mají minimální kapacitu. Je-li tlumivka navinuta na tělísku z izolátoru, je (v souhlase s pokusy) její vlastní vlnová délka lo dána vztahem λo ≈ 3 ⋅ l kde l je délka vodiče vinutí.

(6.7)


109

Často se používají jednovrstvé cívky, navinuté na tyčince z feromagnetického materiálu (práškové železo, ferit). Tyto tlumivky mají při stejné indukčnosti podstatně menší rozměry než tlumivky vzduchové, bez jádra. Při konstrukci tlumivky nesmíme zapomínat na délku přívodů, která se připočítává k celkové délce vinutí [viz vztah (6.7)]. Na kmitočtech blízkých vlastnímu rezonančnímu kmitočtu tlumivky nezlepší funkci sériové spojení tlumivek; naopak, toto spojení může vést ke zmenšení podélné impedance filtru. Aby tento jev nenastal, je zapotřebí k oběma koncům každé tlumivky připojit svodový kondenzátor. Jako příčné větve filtru se používají kondenzátory s pokud možno minimální impedancí. Při výběru kondenzátoru není důležitá jenom kapacita, nýbrž i parazitní indukčnost, neboť za určitých podmínek se tato indukčnost uplatňuje více než žádoucí kapacita kondenzátoru. Pro nízkofrekvenční oblast a pro oblast dlouhých vln vyhoví každý svitkový kondenzátor. V oblasti vln krátkých a velmi krátkých pracují uspokojivě kondenzátory slídové, keramické, speciální bezindukční svitkové a kondenzátory ze syntetických folií. V této oblasti kmitočtů se používají průchodkové kondenzátory (keramické a svitkové), které nemají přívody. Při filtraci v široké oblasti kmitočtů se používá několik kondenzátorů různých typů, spojených paralelně. Stejný útlum lze získat různou velikostí indukčností a kapacit filtru. Při racionálním výběru indukčnosti a kapacity se vychází z předpokladů, že a) konstrukce tlumivek je jednodušší a levnější pro malé proudy, b) konstrukce kondenzátorů je jednodušší a levnější pro malá napětí. Z toho vyplývá, že pro filtrování obvodu s velkým proudem při malém napětí se hodí filtr s malými indukčnostmi a velkými kapacitami. Pro filtrovaný obvod s vysokým napětím se naopak hodí maximální přípustné indukčnosti a malé kapacity. Při návrhu schématu a konstrukce filtru usilujeme o nejmenší počet součástek. Je to nutné jak z ekonomických důvodů, tak i proto, že každá zbytečná součástka, pájecí bod, kontakt, izolátor, snižují spolehlivost přístroje, neboť čím je víc součástek, tím větší je pravděpodobnost, že dojde k poruše některé z nich. Správné sestavení filtrů je nejdůležitější. Při špatné montáži i velmi složitý filtr netlumí filtrované napětí. Jako příklad probereme nesprávně sestavený dvoučlánkový filtr (obr. 6.47), pracující na kmitočtu f0 = 6 MHz přitom L1= L2 = L = 100 µH; C1 = C2 = C = 50 000 pF; vnitřní odpor generátoru R1 = 100 W. Vypočítáme útlum b=

Z2Z4 Z6 = ω 5C 3 L2 Ri ≈ 1010 Z1Z 3 Z 5

tzn. útlum filtru na kmitočtu 6 MHz je 200 dB. V praxi zjistíme útlum mnohem menší, což je způsobeno některou z níže uvedených chyb. 1. Celé filtrované napětí je přivedeno k obvodu a, b, c. Má-li spoj b-c délku 30 mm, je jeho indukčnost rovna přibližně 0,03 µH a reaktance ωLC = 1Ω . Jestliže při vnitřním odporu zdroje 100 • zanedbáme reaktanci kondenzátoru 0,5 W, je úbytek napětí na spoji b-c 1% napětí generátoru. Toto napětí se přivádí kondenzátorem C3 (jehož reaktanci lze zanedbat) na výstup filtru. Potom je útlum filtru jen 40 dB. Vinou jediného nesprávně voleného spoje klesá útlum filtru až o 160 dB, což ovšem nelze připustit.

110


2. Mezi tlumivkami L1 a L2 je induktivní vazba. Proud procházející tlumivkou L1 vybudí v tlumivce L2 přídavné napětí a útlum filtru dále klesá. 3. Mezi body A a D s největším potenciálním rozdílem je parazitní kapacitní vazba, která také zhoršuje účinnost filtru. Snadno vypočítáme, že při parazitní kapacitě 5.10-3 pF (5 fF) klesne útlum filtru o 60 dB. 4. Kondenzátory v příčných větvích filtru, zvláště kondenzátory, se kterými jsou spojeny delší vodiče, nejsou správně zamontovány. Protože reaktance kondenzátorů je 0,05 W a reaktance 10 mm spojovacího vodiče je 0,3 W, postačí spoj délky 20 až 30 mm, aby se zvětšila impedance kapacitní větve a zhoršil se útlum filtru (obr. 66). 5. Vodič f-h, zamontovaný podle chybných úvah o zmenšení proudu, procházejícího kostrou přístroje, prochází v blízkosti bodů s velkým vysokofrekvenčním potenciálem. Vzhledem ke kapacitní vazbě se ve vodiči indukuje střídavé napětí, procházející přímo na výstup filtru. Tak se dostává na vysokofrekvenční potenciál nejen vodič vedoucí proud, nýbrž i vodič spojený s kostrou. Obr. 6.49 znázorňuje správnou montáž dvoučlánkového filtru, bez popisovaných vad. Tato konstrukce může při správném výběru tlumivek a kondenzátorů a při respektování parazitní kapacity mezi vstupem a výstupem filtru zajistit útlum vysokofrekvenčního napětí v řádu 120 až 160 dB. Při montáži filtrů a také při montáži celých přístrojů se dost často obvody spojují s kostrou v jednom bodě (obr. 6.50), a to podle chybného názoru, že kostrou přístroje nemá procházet proud. Jak je známo, následkem povrchového jevu procházejí kostrou přístroje proudy po povrchu a za stejných podmínek jako vodičem. Proto takové uspořádání nepředstavuje žádné zlepšení. Abychom naopak mohli spojit všechny součástky s kostrou v jediném bodě, musíme prodloužit vývody kondenzátorů, což zhoršuje účinnost filtru. V literatuře vůbec, zvláště v radioamatérské, se často doporučuje uzemnit různé výhodné kombinace v jednom bodě. Ve většině případů tyto kombinace nemají účinek, neboť je téměř nemožné určit hlavní směr proudu v přístroji (tj. proudu, procházejícího vodiči a součástkami) a směr proudu, vznikajícího parazitními vazbami. Proto je základním pravidlem montáže připojit součástky a vodiče v nejbližším bodě. Při připojování ke kostře se nesmí zapomenout na indukčnost pájecího očka, ať je vytvořeno jakkoli. Tato indukčnost může vyvolat nevypočitatelnou a nežádoucí vazbu typu znázorněného na obr. 6.47 (spoj b-c), proto má mít každý spoj s kostrou své vlastní pájecí očko. Z hlediska správného sestavení filtru je tedy radno připomenout tyto zásady - vývody součástek volit co nejkratší, - příčné kondenzátory filtrů zapojovat tak, aby indukčnost spojů společná různým článkům filtru, byla co nejmenší (obr. 6.48, 6.49), - uzemňování a stínění jednotlivých článků filtru provést tak, aby nevznikaly společné proudové cesty nebo aby byly co nejkratší, - cívky různých článků filtru vzájemně stínit nebo otočit tak, aby vzájemná vazba byla co nejmenší (viz obr. 6.49), - hrubý návrh filtrů tohoto druhu (příčkových článků LC) vychází z poznatku, že útlum jednoho článku filtru s rezonančním kmitočtem f0 při kmitočtu f je přibližně U2 f2 = 2 U1 fo celkový útlum se pak rovná součinu dílčích útlumů jednotlivých článků.


111

6.4.7 Souosé tlumivky

Kovové skříně přístrojů, napájených ze sítě, jsou přes síťové přívody spojeny se zemí. Při tom většinou svorka nulového potenciálu přístroje bývá spojena s kovovou kostrou přístroje. Spojíme-li takové dva přístroje mezi sebou, vznikne zemní smyčka ze síťových přípojek a zemních spojů v cestě signálu (obr. 6.51). Smyčka má malé impedance a velkou plochu. Nejsou-li oba přístroje napájeny z jedné síťové rozvodky, rozměry smyčky se ještě podstatně zvětší. Zemní smyčkou obvykle protéká indukovaný rušivý proud. Může to být např. proud indukovaný rozptylovým magnetickým polem transformátoru do uzavřené zemní smyčky, nebo proud způsobený filtračními kondenzátory v síťových přívodech, tedy proud o kmitočtu 50 Hz. Dále to může být rušivý proud zemními obvody vznikající ve výkonovém stupni některého z přístrojů, tedy s kmitočtem odlišným od kmitočtu sítě. Všechny tyto vlivy znázorňuje zdroj UG. Matematicky lze situaci podchytit takto: 1.Uvažujme, že zemí protéká proud IG, který na odporu RG odpovídající části země vyvolá rušivé napětí. 2. Uvažujme, že rušivé magnetické pole B = B0 exp(jwt) prochází smyčkou, kde se indukuje napětí U G = jωBo A ⋅ cos(Θ ) ⋅ exp( jωt ) , kde A je plocha smyčky a Q je úhel pod kterým siločáry protínají smyčku. Výsledky rozboru jsou na obr. 6.51. Rušivé napětí se objevuje jako symetrické (common mode), proto k jeho odstranění můžeme použít symetrického přenosu, optoizolačního prvku nebo použít souosé tlumivky (common mode choke). Mezi přístroji A-B na obr.156 je dvouvodičové vedení, vytvářející cestu pro přenos signálu. Toto vedení (nejčastěji je to souosý kabel) navineme na jádro s velkou magnetickou vodivostí. Volba materiálu jádra závisí na kmitočtu rušivých proudů, protékajících zemními spoji. Při síťovém nebo nízkofrekvenčním rušení je nejvhodnější jádro z permalloye, při vyšších kmitočtech vyhoví ferit. Pro nižší kmitočty se snažíme navinout na jádro co nejvíce závitů, u vysokých kmitočtů může pomoci i jediný průvlek kabelu feritovým kroužkem. Vznikne zapojení naznačené na obr. 6.52. Vinutí souosým kabelem vytváří vlastně transformátor s převodem 1:1, jehož primární vinutí je tvořeno uzemněným pláštěm kabelu, sekundární vinutí tvoří vnitřní vodič kabelu, přenášející užitečný signál. Rušivé napětí uG, mezi konci primárního vinutí se přetransformuje do sekundárního vinutí a mezi svorkami 3-6 se neprojeví. Země 1 a 2 jsou tedy střídavě odděleny. Předpokladem správné funkce je, že reaktance primárního vinutí na kmitočtu rušení je podstatně větší než odpor zemní smyčky. Popsaného principu souosé tlumivky je možno využít i uvnitř složitějšího přístroje, tvořeného několika funkčními bloky. Je však nutno vždy uvážit, že tento princip může pomoci jen tam, kde se uplatňuje rušení vznikající ve smyčce s malou impedancí. Je-li např. rušení způsobeno nedokonalým stíněním obvodu s velkou impedancí, je použití souosé tlumivky neúčinné. Jednou z aplikací je připojení zátěže ve vysokofrekvenčních aplikacích. Zde se (obr.6.53a) jen část proudu vrací pláštěm kabelu, zbytek se vrací různými parazitními cestami. Při použití vyrovnávacího transformátoru 1:1 musí celý proud téci zpět pláštěm kabelu (obr.6.53b). Poznamenejme, že stejného principu (cívka z koaxiálního kabelu, nyní však bez jádra) se užívá u anténních svodů k potlačení nesymetrických proudů.

112



113

7.5 Přenos impulsů vedením Přenos impulsů elektricky dlouhým vedením je složitý děj - vedení způsobuje zpoždění signálu, dochází k odrazům, vedení se nabíjí a vybíjí, někdy se objevují přeslechy z jiných vedení. Bohužel v mnoha případech se použití vedení (dlouhých spojů) nelze vyhnout. Přivedeme-li na vstup vedení impuls, neobjeví se na výstupu vedení okamžitě, ale až po určité době - dojde ke zpoždění impulsu. U koaxiálních kabelů je možné počítat s největší dobou zpoždění asi 5 ns na metr délky, u krouceného dvouvodiče je zpoždění asi o 20 % větší. Za vedení musíme považovat i plošné spoje, protože již u dvouvrstvé desky s hustě rozmístěnými spínacími saturačními logickými obvody je dostatek plošných vodičů s malou impedancí proti zemi, tedy vodičů představujících dobrou aproximaci zemnicí vrstvy. U vícevrstvých desek, u kterých obvykle bývá jedna celá vrstva u kterých obvykle bývá jedna celá vrstva vyhrazena zemnění, je souvislost s vedením zcela zřejmá. Typická hodnota kapacity činí řádově 0,1 pF na 1 cm délky vodiče, hodnota indukčnosti řádově 1nH/cm. Např. pro C = 0,6 pF/cm a L = 4 nH/cm je Zo = 80 • a zpoždění t = 5 ns/m. Zpoždění doby průchodu signálu u desek plošného spoje s uzemňovací vrstvou lze orientačně určit z grafu uvedeného na obr. 6.54. Přenáší-li se signál prostřednictvím vedení, dochází k přenosu signálu bez odrazu jen v těch případech, kdy vedení je zakončeno rezistorem s odporem rovným charakteristické impedanci vedení Zo. V ostatních případech dochází k odrazům. Vlastnosti odraženého signálu záleží na impedanci vedení a na druhu zakončení vedení. Signál odražený na výstupu vedení se vrací na vstup vedení, odtud zpět na výstup atd. Velikost odraženého signálu se postupně zmenšuje, až je zanedbatelně malá. Odražené signály se superponují s užitečným signálem a zkreslují jeho tvar. Toto zkreslení může dosáhnout takové velikosti, že signál může překročit na určitou dobu rozmezí povolených napěťových úrovní. Fyzikální podstatu odrazu signálu na vedení lze (značně zjednodušeně) vysvětlit z chování sériového RLC obvodu na obr. 6.55. K nejrychlejšímu ustálení výstupního napětí u (po sepnutí spínače S) dojde na mezi aperiodicity, kdy napěťové a proudové poměry v obvodu zajišťují v celém sledovaném časovém intervalu rovnost energií WC na kondenzátoru a WL na induktoru. Podmínkou u L tedy je, aby i 2 L = u 2 C , tj. 1 = R = . C i Je-li L / C 〈 R , přebytek energie na kondezátoru je příčinou napěťového překmitu. Část energie WC se musí vracet do induktoru. Naopak pro L / C >R musí být chybějící energie kondenzátoru průběžně hrazena z přebytku na induktoru (opět na úkor zátěže).

114


Lo = Z o charakteristickou impedancí Co vedení (viz později), a situaci, kdy Zo > R odpovídá překmit proudové i napěťové vlny, pro Zo < R je narůstání výstupního napětí i proudu postupné. V obou případech dochází jen k částečnému předání energie do zátěže R - na nepřizpůsobeném zakončení se nepředaná energie vrací vedením ve formě odražené proudové a napěťové vlny. V ideálním případě přizpůsobeného zakončení se do zátěže předá celková energie dílčího obvodu LoCo v intervalu τ = Lo C o úměrnému jedné periodě kmitání nezatíženého obvodu. Tolik pro náš

U vedení s rozloženými parametry je hodnota

jednoduchý model. Pro další výklad uvažujeme bezeztrátové homogenní vedení (odpor nulový, svod nulový). Za tohoto předpokladu bude analýza přenosu impulsů jednoduchá. Na obr. 6.56 je elementární výsek délky Dx homodenního bezeztrátového vedení s vyznačenými proudovými i napěťovými poměry při přenosu signálu.

Charakteristická impedance vedení je určena Z o =

Lo a charakteristické zpoždění t je Co

definováno zpožděním signálu na jednotku délky a platí τ = Lo C o . Pro zvolené jednotky délky x a času t takové, že

dx 1 = , platí v souřadnici x = konst ± t / τ dt τ

d (u + Z o i ) = 0 pro x = konst + t / τ (6.8) dt d (u − Z o i ) = 0 pro x = konst − t / τ (6.9) dt Součet (u+Zoi) se nazývá přímá vlna, při šíření ve směru x se její velikost nemění (nejsou ztráty!). Rozdíl (u-Zoi) je tzv. zpětná vlna, její velikost se nemění při šíření ve směru -x. Odvození vychází ze základních vztahů proudu a napětí na elementárním úseku ∂i ∂u ∂u ∂i = − Lo (6.10) = −C o ∂x ∂t ∂x ∂t Platí di ∂i ∂i dx du ∂u ∂u dx = + ⋅ a = + ⋅ dt ∂t ∂x dt dt ∂t ∂x dt

∂i ∂u a vyjde ∂t ∂t di ∂i dx 1 ∂u du ∂u dx 1 ∂i = ⋅ − ⋅ , = ⋅ − ⋅ dt ∂x dt Lo ∂x dt ∂x dt C o ∂x

Po dosazení do (6.10) za

(6.11)

Po zavedení hodnot Zo, t a vzájemným odečtením (6.11) se určí

d ∂i ⎛ dx 1 ⎞ ∂u ⎛ dx 1 ⎞ (u + Z o i ) = Z o ⋅ ⎜ − ⎟ + ⎜ − ⎟ dt ∂x ⎝ dt τ ⎠ ∂x ⎝ dt τ ⎠

(6.12)


115

d (u − Z o i ) = − Z o ∂i ⎛⎜ dx + 1 ⎞⎟ + ∂u ⎛⎜ dx + 1 ⎞⎟ (6.13) dt ∂x ⎝ dt τ ⎠ ∂x ⎝ dt τ ⎠ Rovnice (6.12) a (6.13) korespondují s (6.8) a (6.9). Na obr. 6.57 je vyznačen celý úsek vedení délky l mezi body A a B (A - začátek, B - konec vedení).

Celkové zpoždění signálu mezi body A, B je T = 1 ⋅τ . Pokud tedy přímá vlna startuje v A v čase t-T, dorazí do bodu B právě včase t. Obdobně i pro vlnu zpětnou. S ohledem na (6.8) a (6.9) platí pro přímou vlnu z A do B:

u + Z o i x ,t −T = u + Z o i x +1,t

(6.14)

a zpětnou vlnu z B do A

u − Z o i x ,t = u − Z o i x +1,t −T neboli

(6.15)

u B (t ) − u A (t − T ) = − Z o ⋅ [i B (t ) − i A (t − T )]

u A (t ) − u B (t − T ) = Z o ⋅ [i A (t ) − i B (t − T )]

(6.16) (6.17)

pro u,i(x+1,t)=uB, iB(t) a u, i(x,1)=uA, iA(t) formálního přepisu na konci a začátku vedení. Grafická interpretace (4.7) a (4.8) se nazývá Bergeronův diagram. Rovnice (4.16) a (6.17) jsou vhodné pro výpočet přechodných dějů na počítači. Z rovnic (A) a (B) můžeme také konstatovat náhradní obvod vedení podle obr. 6.58. Napěťové zdroje e1(t) a e2(t) jsou závislé na předchozích hodnotách proudů, napětí nebo napětí zdrojů e1 t = u 2 − Z o i2

t −T

= e2 − 2 Z o i2

t −T

e2 t = u1 + Z o i1 t −T = e1 + 2 Z o i1 t −T

7.5.1

(6.18) (6.19)

6.5.1 Metoda Bergeronova diagramu

Uvažujeme situaci podle obr. 6.59. Vedení má charakteristiku impedanci Zo a celkové zpoždění t. Z hlediska vedení je obvod na začátku vedení vysílačem, obvod na konci vedení příjmačem. Z rovnic (6.16) a (6.17) je vidět, že v rovině u-i leží body odpovídající starým a novým hodnotán proudů a napětí na přímkách se sklonem ± Zo. Z toho plyne jednoduchá

116


grafická konstrukce přechodného děje (tzv. Bergeronův diagram): je-li vedení zakončenonesetrvačnými (lineárními nebo nelineárními) dvojpóly A, B (obr. 6.67), stačí vynést jejich voltampérové charakteristiky v souladu s orientací proudů a napětí podle obr. 3.5 a potom z bodu daného počátečními podmínkami přejít po paprscích se sklonem střídavě ± Zo, jejichž sklon se mění v průsečících s charakteristikami zakončovacích dvojpólů, do průsečíku charakteristik, který odpovídá ustálenému stavu (obr. 6.60). Časové průběhy napětí ua a ub snadno sestrojíme časovým rozvinutím Bergeronova diagramu. Na obr. 6.61 - 6.65 jsou odvozeny časové průběhy napětí výstupu vysílače a vstupu příjmače při sepnutí spínače v čase t = 0 pro různé podmínky. Z grafické analýzy vidíme, že kmitové průběhy dostáváme pro případ, že R1 < Zo < R2 nebo R1 > Zo > R2 a monotonně narůstající průběhy pro případ R1 < Zo, R2 < Zo nebo R1 > Zo, R2 > Zo. Je zřejmé, že na velikosti Zo závisí charakter ustálení signálu nejen kvantitativně, ale i kvalitativně. Nejmenšího zpoždění výstup - vstup je dosažen při Z = R1 (přizpůsobení na začátku - viz. obr. 6.66a anebo při Z = R2 (přizpůsobení na konci - viz. obr. 6.66b). Z toho ovšem k ustálení na začátku kabelu při nepřizpůsobeném konci dojde až po době 2 t . Naopak mnohonásobke m T je doba TK = (TK = k.t, k >> 1) potřebná k ustálení napětí na obou koncích vedení pro hodnotu Zo >> R1, R2 (viz obr.


117

4.8) Zkreslení signálu způsobené mnohanásobnými odrazy se ovšem nemůže projevit, je-li délka náběžné/sestupné hrany (tr/tf) podstatně delší než doba t přeběhu signálu z jednoho konce vedení na opačný. Jednoduchý vodič (např. volný drátový spoj) v nedefinované vzdálenosti od zemnící roviny (H >> d - viz obr. 4.1) má τ → 1 / c (tj. 3,3 ns/m). Nárůst signálu na konci vodiče se kvalitativně téměř neliší od frekvenčního omezení jednokapacitního článku. Pomalý nárůst je dán velkým počtem odrazů (koeficient k řádově desítky až sta). Krátký vodič (vedení) má definovanou hodnotu vzdálenosti H od zemnící roviny (např. plošné spoje), vlivem vloženého izolantu je typicky t @ 5 ns/m a Zo se pohybuje v rozmezí 50 až 200 W. Vedení je zpravidla nepřizpůsobené a je možné bez újmy na rychlosti několik málo odrazů (k<10). Poznámka: Užitečnou pomůckou pro snadné odvození kritické délky krátého vedení je pravidlo, že délka l [inch] nesmí přesáhnout dobu náběhu tr [ns] (tr < tf) - pro typické hodnoty vychází k=8. Jednoduchý vodič bez frekvenčního omezení signálu má kritickou délku desetkrát menší. Všechny vodiče, které mají délku větší než odpovídá krátkému vedení, je třeba ošetřit z hlediska odrazů. Takovéto přizpůsobené zakončení je charakteristické pro dlouhé vedení. Konstrukčním provedením je dlouhé vedení vždy homogenní dvojice vodičů (signálový a zemnící) s definovanou hodnotou Zo. Je-li v popisu chování vedení třeba uvažovat i ztráty, hovoří se někdy o velmi dlouhém vedení.

118


Pro úplnost se ještě zmíníme o vypnutí vedení (vysílače), viz. obr. 6.68. Odrazy na vedení a časový průvěh napětí ukazuje obr. 6.69. Půjde-li o vedení přizpůsobené na konci, napětí okamžitě klesne na nulu. Dále častým případem v praxi je buzení ze dvoustavového vysílače -tj. je střídavě připojováno nulové napětí (zkrat) a nenulové napětí, obr. 6.70. Konkrétně se takto chovájí výstupy digitálních obvodů (v příští kapitole budeme zkoumat včetně uvažování nelinearit). Situaci ilustruje obr. 6.71, kde je zachyceno vybíjení vedení. 7.5.2

Metoda Bergeronova diagramu pro nelineárně zakončené vedení

Přednosti Bergeronova diagramu vyniknou při nelineárních charakteristikách vysílače resp. přijímače. Zde se budeme zabývat případem, kdy vedení je buzeno a zatěžováno digitálními obvody (obr. 6.72). Budeme uvažovat digitální obvody typu 74AS, závěry jsou samozřejmě platné obecně. Na obr. 6.74 je grafická analýza přechodných dějů na začátku a na konci vedení, budičem (vysílačem) i přijímačem je běžné hradlo TTL. Vstupní i výstupní charakteristiky mají orientaci zvolenou tak, aby bylo možné časové průběhy kreslit v ustálené konvenci (časová osa vodorovně). Spojovací vedení na uvedeném obrázku má Zo = 50 W. Z obr. 5.5 a 5.6 lze učinit některé praktické závěry. Nejprve si všimněme přechodu L ® H. Optimální hodnota je Zo = 50 až 100 W (kolem 90 W pro TTL, kolem 50 W pro AS), tato hodnota je optimální i z hlediska realizovatelnosti. V tomto případě se jedná o přizpůsobení na začátku vedení. Napětí na vysílacím hradle má prodlevu trvající dvojnásobek průchodu signálu vedením. Proto není vhodné připojovat na vysílací hradlo další logické členy - neměly by v době prodlevy žádnou odolnost proti rušení. Příliš malá anebo příliš velká hodnota Zo je příčinou mnohonásobných odrazů, jak je uvedeno na obr. 6.76.


119

120



121

122


Obr. 8.75. Odrazy na vedení pro přechod a) L → H a b) H→ L

Obr. 8.76. Mnohonásobné odrazy na nepřizpůsobeném vedení (přechod L→ H) Na opačný přechod (H ® L) má impedance Zo malý vliv, výstup vysílače je totiž nepřizpůsoben. Výstupní i vstupní impedance hradla TTL ve stavu L je výrazně menší než ve stavu H a současně obojí přizpůsobení není takto jednoduše možné. Dále je pro tento přechod typický záporný podkmit na vstupu přijímacího hradla, jehož velikost (asi -1,5 V) je určena substrátovou diodou na vstupu. Podkmit by mohl být nebezpečný v případě ostatních vstupů připojených na + UCC. (Přechody EB těchto vstupů by v záporném překmitu (podkmitu) mohly být namáhány napětím vyšším než odpovídá jejich průraznému napětí - tj. standardní připojení nepoužitých vstupů na UCC není vhodné). Proto se raději vstupy přijímacího hradla spojují paralelně a ještě se připojuje ochranná spínací dioda (KA 206, KA 207), která zápornou špičku omezí asi na 0,8 V. Některé typy integrovaných obvodů mají přímo tyto diody zabudovány uvnitř (74S).


123

Po záporném podkmitu se na vstupu přijímacího hradla může objevit překmit (na obr. 6.75b není), který může znamenat snížení imunity, případně chybu přijímacího hradla. Z grafické analýzy lze také snadno najít velikost přechodných proudů nabíjejících a vybíjejících vedení. Na obr. 6.77 vidíme proudy nabíjecí (i01 při přechodu L ® H) a vybíjecí (i10v, i10p vysílače a přijímače při přechodu H -> L). S ohledem na relativně velké amplitudy těchto proudových špiček (s dobou trvání 2T) je potřeba impedanci i plochu odpovídajících proudových smyček minimalizovat zapojením blokovacích kondenzátorů. Blokovací kondenzátor C1 na vysílací straně má typickou hodnotu 100 nF, navíc je třeba oboustranné připojení zemnícího vodiče k zemnícím (napájecím) svorkám hradel. Amplitudu proudů na straně vysílače lze zmenšit sériovým rezistorem R - to ovšem za cenu zhoršení úrovně L. Na přijímací straně je vhodné ke vstupu zapojit spínací diodu D, obvody v Schotkyho provedení ji již mají na čipu. 7.5.3

Zakončovací (přizpůsobovací) články pro vedení

Spoje mezi obvody TTL o délce větší než asi 1 m (twisty, ploché kabely a pod.) musí být přizpůsobeny pro oba přechody signálu, aby se vyloučily odrazy. Vlivem odrazů může totiž docházet k dočasnému zvýšení úrovně L nebo snížení úrovně H o nepřípustnou hodnotu. Při délce spojů 1 m je doba "stupínků" napětí již 10 ns, takže takové dočasné výkyvy začínají být nebezpečné i z hlediska statické odolnosti proti rušení. Záleží také na zatížení vedení, při malém zatížení je nutno ošetřit i kratší spoje (0,7 m). Zhruba se vedení, která je nutno zakončovat, kryjí s oblastí dlouhých vedení na obr. 6. Jednoduché zakončení vedení pomocí rezistoru R = Zo na zem, obr. 6.78a nelze použít, když je vedení buzeno běžným hradlem. Výstup v úrovni H by byl totiž zatížen odporem Zo, čímž by došlo k poklesu úrovně H pod minimální přípustnou hodnotu 2 V, potřebnou na vstupu přijímacího hradla. Stačí však použít hradlo následované tranzistorem (75451) s externím rezistorem (20 W na +5 V) a bude vše v pořádku. Další možnost, připojení rezistoru na +5 V místo na zem na konci vedení by představovalo mezní zátěž výkonového hradla v úrovni L a nelze je proto rovněž doporučit. Situaci při přizpůsobení pomocí rezistoru ukazuje obr. 6.79. Používáme-li na začátku i konci vedení logická hradla, je vhodné nezatěžovat výstup vysílacího hradla v úrovni H, kde je zatížitelnost malá, ale raději v úrovni L. Použijeme-li např. děliče R1/R2, obr. 6.78b., můžeme jeho napětí naprázdno nastavit na hodnotu typické úrovně H. Současně pro přizpůsobení je třeba, aby R1||R2 = Zo. Máme tedy dvě podmínky (Zo = 100 Ω):

R1R2 = 100 Ω R1 + R2

U CC ⋅

R2 = 3,5 V R1 + R2

(6.20)

Vzhledem k normalizovaným hodnotám odporu je nejlépe vybrat R1 = 180 W, R2 = 220 W takže R1||R2 = 99 W a napětí naprázdno je 2,75 V. Ve stavu L teče do výstupu vysílacího hradla proud kolem 2,5 V/100 W = 25 mA, takže je nutné použít výkonového hradla, které má zatížitelnost 48 mA. Uvedený odporový dělič zajistí dokonalé přizpůsobení vedení s Zo =100 W (pro obvody 74N) a odstraní všechny překmity i prodlevu na začátku vedení při změně L ® H.

124



125

126


Nevýhodou děliče R1/R2 je trvalý odběr 12,5 mA ze zdroje UCC = +5 V a snížení logického zisku o 17-20. Situaci na vstupu příjmacího hradla ukazuje obr. 6.80. Obvody TTL mají dosti velkou šumovou imunitu (obr. 6.81), lze tedy volit neúplné (částečné) přízpůsobeví, volit rezistory s větším odporem, čimž dojde k úspoře napájecího R − Zo příkonu a také logického zisku. Dobře lze připustit činitel odrazu 20 %, tj. = 0,2 , R + Zo


127

z toho R = 1,5 ⋅ Z o . Průběhy napětí pro toto nepřizpůsobení 20% jsou na obr. 6.82. Pro obvody TTL se užívalo částečné přizpůsobení děličem 390/470 W (snížení logického zisku jen o 8-10) anebo dvou diod dle obr. 6.78c. Diody sice nezabrání odrazům, ale omezí je na přijatelnou míru. Na rozdíl od odporového děliče však v žádném stavu nerozptylují výkon a nesnižují logický zisk, což může být někdy důležité.

Zakončení vedení pomocí seriového rezistoru na začátku, obr. 6.78d, nevyžaduje užití výkonového hradla. Seriový odpor včetně výstupního odporu hradla má být roven Zo. Změnu (posuv) charakteristik vysílacího hradla ukazuje obr. 6.83. Nevýhodou tohoto přizpůsobení je zvýšení úrovně L a snížení logického zisku (N = 4). Při překlopení vysílacího hradla se šíří po vedení signál poloviční amplitudy a po odrazu na konci (rozpojený obvod) se teprve

128


amplituda zdvojnásobí na plný logický rozkmit. Zakončení na začátku vedení je vhodné jen u kratších spojů, jinak dáváme přednost děliči R1/R2 na konci vedení. Na obr. 6.78c je zakončovací článek pro vedení, jehož funkcí je nepřipustit na vstupu přijímacího hradla záporná napětí. Používá se k tomu dvou diod, jedné jako spínače s úbytkem napětí 0,7 V, druhé jako zdroje napětí 0,7 V, kterým se úbytek na spínači


129

kompenzuje. Záporné podkmity jsou tak likvidovány a kladné překmity po přechodu H -> L sníženy. Podobně jako v případě na obr. 6.78c, nejde však o přizpůsobení vedení.Úroveň H je také možno vyrovnat na 2,6 - 2,8 V pomocí čtyř diod zapojených v serii ke vstupu přijímacího hradla. To má význam tehdy, když se na úrovni H objevují kmity. Hrany impulsů se přitom nezhorší. Následující obrázky ukazují Bergamontovy diagramy pro různé druhy přizpůsobení, a to pro obvody 74AS00. Obr. 6.90 a 6.91 ukazují přizpůsobování obvodů ECL.

130

7.6


Rušení v digitálních systémech

Elektronické přístroje pracují se signály, které by se měly šířit po předepsaných trajektoriích. Energie elektrických signálů se však šíří v prostoru mezi vodiči a není tudíž zcela přesně lokalizována. Může tedy docházet k různým nežádoucím interakcím s dalšími vedeními nebo součástkami. Jde o problematiku elektromagnetické kompatibility (jak již bylo uvedeno). Přenos rušivého signálu mezi dvěma vedeními závisí na vzájemném poměru vazební a vlastní kapacity vedení (vůči zemi) při přenosu napěťového signálu anebo poměru vzájemné a vlastní indukčnosti při přenosu signálu proudového. Přenesenému rušivému signálu se pak říká kapacitní resp. induktivní přeslech. Pokud je být zdrojem rušení silnoproudé vedení, je rušení typicky jednosměrné. Rušení je důsledkem šíření energie prostřednictvím elektromagnetického pole, určeného vektory E, H elektrického a magnetického pole. Vektorový součin S=ExH je mírou vyzařování energie do daného prostoru a nazývá se Poytingův vektor. Výkon, který pronikne do daného objemu je určen integrálem Poytingova vektoru po celém povrchu tohoto objemu. Převažuje-li v součinu složka intenzity magnetické nad elektrickou, je zdrojem rušení rušivý proud, v opačném případě jde o napěťové rušení. Průniku energie lze zabránit pomocí stínění, což je uzavření prostoru do elektricky vodivého krytu (známá Faradayova klec). Povrch vodivých těles je ekvipotenciální plochou a uvnitř (ideálního) dutého vodiče není elektromagnetické pole. Je-li opatřen rušený vodič vodivým (kovovým) pláštěm, je vodič odstíněn i tehdy, když tento plášť není uzemněn. Na kapacitě mezi vodičem a stíněním nebude žádné napětí. Jiná situace je u stínění rušícího vodiče, které (pokud není uzemněno) nemá nulový potenciál, ale potenciál určený poměrem kapacity stínění k rušícímu vodiči a kapacity stínění k okolí. Vzhledem k tomu, že signálový vodič může plnit obojí funkci (rušící i rušený), je žádoucí stínění vždy uzemnit. Vhodným stíněním vodiče je např. plášť koaxiálního kabelu. Z konstrukčních důvodů je však třeba používat i jiné typy vedení, které nejsou stíněny. V tomto případě je třeba rozlišit, zda vazební indukčnosti resp. kapacity jsou soustředěny do krátkého úseku vedení (tj. na délce, kdy se ještě neuplatní zpoždění signálu), anebo v opačném případě rozloženy podél dlouhého vedení (tehdy jsou vedení vázaná). U krátkého vedení stačí vyšetřovat amplitudu a časový průběh přeslechu, u vázaných vedení je třeba vyšetřovat amplitudu a časový průběh přeslechu, u vázaných vedení je třeba vyšetřovat navíc odrazy na nepřizpůsobených koncích a eventuálně stanovit, jak jim zabránit. Cílem dalších podkapitol je analýza přeslechů a rušení v číslicových systémech, problematika vazebního media, tj. způsob přenosu rušivého signálu (induktivní, kapacitní nebo galvanická vazba) a způsoby potlačování rušení. Téma je důležité zejména pro návrh a oživování číslicových systémů. 7.6.1

Přeslechy u jednoduchých spojů

Krátké funkční spoje v rámci jedné desky integrovaných obvodů představují buď vodiče s proměnnou vzdáleností od zemního vodiče nebo krátká nezakončená vedení s dobou šíření signálu T<

131

Uvažujeme okruhy dvou různých signálů podle obr. 6.92 a nechť K a M je celková vzájemná kapacita a indukčnost obou okruhů. Budeme hledat poruchu v pasivním okruhu vyvolanou signálem v aktivním okruhu. Pro jednoduchost budeme analyzovat kapacitní a induktivní rušení odděleně a zanedbáme zpětný vliv pasivního okruhu na aktivní (přeslech je proti signálu malý). Náhradní schema pro kapacitní rušení je na obr. 6.93. Rezistoryna vstupu i výstupu hradla uvažujeme lineární RB (blízký) a RD (daleký). Nahradíme-li zdroj napětí ua v sérii s kondenzátorem K ekvivalentním zdrojem proudu, získáme obvod podle obr. 6.93b. Kapacita C' označuje součet vazební kapacity K a vlastní kapacity pasivního okruhu proti zemi včetně parazitních kapacit na vstupu a výstupu hradel.

Přeslechové napětí up = uB = uD je na obou rezistorech RB a RD stejné polarity. Podobně pro induktivní přeslech máme náhradní obvod na obr. 6.94a a po transformaci zdroje proudu ia na zdroj napětí získáme ekvivalentní obvod podle obr. 6.94b. Záměnou konců rušícího vedení lze zjistit, který přeslech dominuje (u kapacitního přeslechu je přeslechové napětí uB i uD stejné polarity, u přeslechu induktivního polarity opačné). Obrátí-li se popsanou záměnou konců vedení polarita mapětí uB i uD, převažuje

132


přeslech induktivní, v opačném případě je přeslech kapacitní. Průběh napěťového a proudového přeslechu popisují diferenciální rovnice up du p du (6.21) + (K + C) ⋅ K⋅ a = dt RB RD dt

di p dia = ( RB + RD ) ⋅ i p + ( L + M ) ⋅ (6.22) dt dt kde C, L, K a M jsou dány primárními parametry a délkami aktuálních úseků vedení.

M⋅

Průběh přeslechového napětí up u kapacitního přeslechu a přeslechového proudu ip u induktivního přeslechu je shodný (rovnice (6.21) a (6.22) mají kvalitativně shodné řešení) a pro lineární náběh odpovídajících veličin ua, ia v aktivním obvodu je znázorněn v obr. 6.95. Největší hodnotu dosahuje přeslechový proud či napětí na konci náběžné hrany průběhu aktivní veličiny. V mezním případě, když je doba náběžné hrany delší než trojnásobek časové konstanty náhradních obvodů, bude téměř dosaženo ustáleného stavu, takže ∆i 1 i p max = M a ⋅ t h RB + RD u p max = K

∆ua ⋅ (RD RB ) th

(6.23)

(Stejný výsledek získáme pro L' = C'= 0). Jelikož u všech logických obvodů je Rvst >> Rvyst, platí RB RD ≅ Rvýst

RB + RD ≅ Rvst

(4.2)

takže maximální hodnoty přeslechových veličin jsou ∆ia i p max = M th Rvst u p max = K

∆ua ⋅ Rvýst th

(6.25)

Pro obvody TTL můžeme použít Rvst = 1 kW , Rvyst (0) = 15-30 W, Rvyst (1) = 100-200 W. Při úrovni H na pasivním okruhu bude tedy up < 0 a hodnota |umax| zhruba 10-krát větší než při úrovni L na pasivním okruhu a up > 0. Záporný kapacitní přeslech je tedy mnohem nebezpečnější než kladný. Pro konečné zhodnocení vlivu rušení by bylo nutné uvážit šířku rušících impulsů Dt v obr. 6.95 a přihlédnout k dynamické odolnosti proti rušení. U obvodů TTL ani impulsy amplitudy větší než 400 mV nemusí vadit, jsou-li dostatečně úzké.


133

Zůstaňme však raději u pesimističtějšího odhadu a požadujeme, aby rušivá napětí byla menší než statická odolnost proti rušení obvodů TTL, tj. 400mV. Vychází t t 0,4V K〈 h ⋅ M 〈 h ⋅ 0,4V (6.26) Rvýst ∆ua ∆ia Bereme-li Rvýst = 150 W, ua = 3,5 V, th = 10 ns, Dia = n . 1,6 mA, dostáváme K < 7,6 pF, M < 2,5 mH/n. Z rozboru také plynou následující podmínky, které jsou příznivé při vzniku přeslechu: - kapacitní přeslech: velký rozkmit napětí ua, malé C, velké Zo, velké RB - induktivní přeslech: velký rozkmit proudu ia, malé L, malé Zo, malé RD Zatím jsme uvažovali oba přeslechy izolovaně. Ve skutečnosti dochází k oběma současně a vhodný náhradní obvod se soustředěnými parametry, který by věrně modeloval situaci neexistuje. Často se celkový přeslech bere jako součet dříve odvozených dílčích přeslechů. Nejhorší případ vzniká při úrovni H na pasivním okruhu a změně H -> L v aktivním. Pak je up < O, Dia > 0 a ip > 0 v obr. 6.94a, takže na rezistoru RB se sčítají přeslechová napětí up a RBip záporné polarity. Je-li tedy RB = Rvst (tzv. nesouběžné zapojení), může být výsledný přeslech na vstupu blízkého hradla pasivního okruhu 1 u p max + RBi p max = (M∆ia + K∆ua Rvýst (1)) (6.27) th Při souběžném zapojení (RB = Rvyst, RD = Rvst) se na vstupu hradla pasivního okruhu přeslechly částečně kompenzují, takže jde o příznivější případ. Jelikož parametry M a K jsou při dané konfiguraci spojů přímo úměrné délce spojů, lze pro zadanou velikost přeslechového napětí najít z rovnice (4.5) maximální přípustnou délku spojů. U obvodů TTL je kapacitní rušení vzhledem k malému výstupnímu odporu hradel obvykle zanedbatelné (snad jen s výjimkou hradel s otevřeným kolektorem, když je použito většího externího odporu), ale významný je induktivní přeslech. Ke zmenšení induktivního rušení je třeba omezit propojování jednoduchými vodiči na délku 20 cm, resp. do 50 cm, pokud jde vodič těsně nad zemí (platí i pro plošné spoje). Pro delší spoje je nutno použít plochý kabel, kroucenou dvojlinku (do 3 m), nebo koaxiální kabel (do 30 m), kde je induktivní přeslech víceméně potlačený (nejlépe u koaxiálního kabelu). Základní způsoby potlačení přeslechu jsou - vedení spojů v sousedních vrstvách ve směrech na sebe kolmých - používají souběžného zapojení obvodů - zvětšení vzdálenosti mezi paralelními vodiči - zmenšení délky paralelních úseků vodičů - změnšení společné plochy signálových smyček Poslední vazební impedance, na které může vznikat rušení, je ohmický odpor společných vodičů dvou nebo více signálních okruhů, nejčastěji zemních nebo napájecích vodičů. Např. již proudový impuls o velikosti 100 mA vyvolá na odpor 4 W úbytek 400 mV, který může způsobit chybné překlopení hradla. Proto je nejlepším řešením souvislá zemnící rovina a funkční spoje umístěné v jiné rovině (rovinách). Totéž co bylo řečeno o zemním vodiči, platí i o napájecím vodiči +UCC. Podrobněji bylo o napájecím rozvodu pojednáno v kap. 6.3.

134

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 7.6.2

Přeslechy u vázaných vedení

Uvažujeme přenos signálů po dvou blízkých vedeních, přičemž vzájemné ovlivňování nelze vyšetřovat metodou soustředěných parametrů. Uvažujeme také, že vedení jsou bezeztrátová. Poznámka: Interakci většího počtu vedení s vedením jediným pak lze určit prostou superpozicí. Tomuto zjednodušení dobře odpovídá i uspořádání plochého kabelu, který je v konstrukci číslicových zařízení stále více prosazován.

Na obr. 6.96 je elementární výsek délky x dvojice 1, 2 (homogenních, rozměrově shodných) vázaných vedení. Parametry K, C, M a L jsou uvažovány na jednotku délky vedení. Základní vztahy na elementárním výseku lze popsat soustavu diferenciálních rovnic (C' = C + K značí paralelní kombinaci měrné kapacity vlastní a vzájemné): ∂i1 ∂u ∂u ∂i2 ∂u ∂u = −C ′ 1 + K 2 = −C ′ 2 + K 1 ∂x ∂t ∂t ∂x ∂t ∂t ∂u 2 ∂i ∂i ∂u1 ∂i ∂i = −L 1 − M 2 = − L 2 − M 1 (6.28) ∂x ∂t ∂t ∂x ∂t ∂t Sečtením a odečtením těchto rovnic vyjde ∂ (i1 + i2 ) ∂ (u1 + u2 ) = −(C ′ − K ) ⋅ ∂x ∂t (6.29) ∂ (i1 − i2 ) ∂ (u1 − u2 ) = −(C ′ + K ) ⋅ ∂x ∂t

∂ (u1 + u2 ) ∂ (i + i ) = −( L + M ) ⋅ 1 2 ∂t ∂t ∂ (u1 − u2 ) ∂ (i + i ) = −(L − M ) ⋅ 1 2 ∂x ∂t

Srovnáme-li rovnice (6.29) s rovnicemi ( ), vidíme, že místo dvou vázaných vedení stačí uvažovat dvě jednoduchá nevázaná vedení, ve kterých se nešíří reálné signály, nýbrž tzv. diferenční (d) a součtový (s) signál

Návrh a konstrukce elektronických přístrojů us = u1 + u2, ud = u1 - u2,

135 is = i1 + i2 id = i1 - i2

Analogicky s řešením jednoduchého (bezeztrátového) dlouhého vedení také po dvojici vedení vázaných šíří se (se zpožděním t) vlny přímé: Es = (us + Z osis ) , Ed = (ud + Z od id ) ( (6.30) zpětné:

Es = (us − Z osis ) ,

Ed = (ud − Z od id )

(6.31)

součtového a rozdílového signálu, které si zachovají svoji amplitudu. Odpovídající charakteristické impedance jsou Z od =

L−M 1 − kL = Zo ⋅ C+K 1 + kC

Z os =

L+M 1 + kL = Zo ⋅ C−K 1 − kC

(6.32) a zpoždění na jednotku délky vedení

τd = τs = kde Z o =

(L − M ) ⋅ (C + K ) = τ ⋅ (1 − k L ) ⋅ (1 + kC ) (L + M ) ⋅ (C − K ) = τ ⋅ (1 + k L ) ⋅ (1 − kC )

(6.33)

Lo / Co′ , τ = LoCo′ a kde kC = K o / Co′ značí koeficient kapacitní vazby a kde

k L = M o / Lo značí koeficient induktivní vazby.

Obecně je Zos > Zod, td ¹ ts, pouze pro kL = kC dostáváme td = ts. Celkové zpoždění obou vedení označíme td = htd, ts = hts, analogicky jako u jednoho vedení, h je délka buzeného vedení. Rychlost šíření součtového a rozdílového signálu je zpravidla různá a nemá-li na konci vedení dojít k odrazu signálu, musí být zakončení přizpůsobenou oběma signálům. Možná bezodrazová zakončení pomocí trojice rozistorů jsou na obr. 6.97. Hodnoty odporu těchto rezistorů se najdou tak, aby vztahy mezi proudem a napětím při šíření diferenčního a součtového signálu, u1 - u2 = Zod (i1 - i2) u1 + u2 = Zos (i1 + i2) platily současně i na zakončovacím obvodu. Šíří-li se vázanými vedeními pouze diferenční signál (zdroj signálu mezi body 1, 2), je i1 = -12 = i, takže na konci musí platit u1 − u2 = Z od (i1 − i2 ) = 2 ⋅ Z od ⋅ i

takže mezi body 1, 2 je zřejmě odpor (u1 - u2)/i = 2 Zod. Podobně, šíří-li se vázanými vedeními pouze součtový signál (zdroj signálu mezi spojenými body 1, 2 a zemí), je u1 = u2 = u a na konci vedení musí platit

136


u1 + u2 = 2 ⋅ u = Z os (i1 + i2 )

takže mezi spojenými body 1,2 a zemí je odpor u/(i1 + i2) = Zos/2. Z uvedených podmínek dostaneme pro dvě varianty článek p a T, vztahy uvedené na obr. 6.97.

Jestliže vázaná vedení nejsou zakončena uvedenými články, objevují se odrazy a také konverze jednoho signálu na druhý. Např. jestliže diferenční signál dosáhne konce vedení, vznikne jak diferenční, tak součtový odražený signál a oba se šíří různou rychlostí zpět na začátek vedení. Pro přenos údajů na delší vzdálenosti používáme diferenční signál, rušení má charakter součtového signálu. Jde o tzv. symetrický přenos údajů, zatímco přenos pomocí jednoduchého vedení se označuje jako nesymetrický. Uspořádání vedení a obvodů při indikaci přeslechů na vstupu do přijímače je na obr. 9.98a u přímého a na obr. 6.98b u zpětného přeslechu. Průvod přeslechů u vázaných vedeních je v podstatě týž, jako u vedení se soustředěnými parametry. Jsou způsoby signálovou změnou u1, i1, která se šíří podél rušícího vedení a vlivem vazby obou vedení se přenáší i do vedení rušeného. Ve fázi se signálem vedení rušícího (ve směru šíření vlny u1 + Zo .i1) tak vzniká přímý přeslech, v opačném směru přeslech zpětný. Vzhledem k tomu, že skutečné (měřitelné) hodnoty napětí a proudů na vedení jsou u1 = (us + ud)/2 u2 = (us - ud)/2 i1 = (is + id)/2

i2 = (is - id)/2

(6.34)

je třeba k jejich určení znát hodnoty součtového (us, is) a rozdílového (ud, id) napětí i proudu v daných souřadnicích času a délky.


137

Poznámka: Vlivem vzájemné vazby napětí u1, u2 a proudu i1, i2 obou vedení dojde při libovolné změně (napětí či proudu) k interakci s ostatními signály. Prvotní příčinou takové změny je buď signálová změna u1, i1 anebo odraz signálů us, ud, is, id na nepřizpůsobeném konci. Při odrazu v důsledku uvedené vazby pak dochází i ke vzájemné konverzi mezi součtovým a rozdílovým signálem, vznikají podružné součtové a rozdílové signály. Při rozdílné rychlosti šíření (td ¹ ts) je však jejich vznik vzájemně časově posunut. I při relativně jednoduchém výpočtu jsou poměry na vedeních natolik nepřehlené, že řešení v celém časovém intervalu (až do ustálení po signálové změně u1, i1) je naopak poměrně obtížné. Naštěstí v praxi je zapotřebí znát především největší amplitudu signálu rušeného vedení, tj. zpravidla až do prvního odrazu na konci nepřizpůsobených vedení. Poznámka: Výjimečná situace vzniká např. na nepřizpůsobeném vedení délky l takovém, že zpoždění 2t = 2tl @ tr, kdy u zpětného přeslechu dochází k rezonanci se signálovou změnou.

138


Náhradní zapojení dvojice vázaných vedení (uspořádání z obr. 6.96, na koncích vedení ukončena impedancemi R1, R2, R3, R4) je na obr. 9.99. Na začátku Z i na konci K je zde dvojice vedení nahrazena bezodrazovým T článkem (podle obr. 6.98). Jedno vedení je buzeno zdrojem e; skutečná napětí u1, u2 pak určují jeho náhradu zdroji fiktivními

ed 2 = ud 1 − Z odi

ed 1 = ud 2 − Z od id 2

t − Td

es 2 = us1 + Z osis1

es1 = us 2 + Z osis 2

t − Ts

t − Td

t − Ts

Hodnoty us, ud podle (6.34) svou časovou změnou jsou prvotní příčinou vzniku (nejprve) přímé (a poté) i zpětné vlny součtového a rozdílového signálu s hodnotami určovanými (6.30) a (6.31). Poznámka: Náhradní zapojení z obr. 6.99 neplatí pro stejnosměrnou složku signálu. du ≠ 0. Předpokladem je dt Zpětný přeslech u2 (Z, t) je závislý na signálové změně e(t) (předpokládané v čase t = 0) a poměrech impedančního děliče na začátku vedení (R1, R2, Zod, Rt) Pro kC @kL @ 0 je Rt = 0 a u2 (Z, t) = 0 v celém intervalu t Î(0, ∞) Pro kC . kL > 0 je u2 (Z,t) podílem amplitudy signálu e(t). Tuto hodnotu podrží až do příchodu zpětné vlny součtového resp. rozdílového signálu. Délka pulzu zpětného přeslechu je tedy přibližně 2lt(pro běžná kC, kL << 1). Poznámka: Např. při oboustranně bezodrazovém zakončení (každého vedení samostatně bez uvažování vzájemné vazby) je R1=R2=R3=R4=Zo. Při této volbě pro kC @ 1 je Rt ≈ ¥

a

pro k L ≅ 1 je Rt ∈ Z o / 2 , ∞

(

)

u2 (Z , t ) ∈ E / 2 + 2 , E / 2 pro k L ∈ 0,1

(

)

a u2 (Z , t ) ∈ E / 2 + 2 , E / 2 pro kC ∈ 0,1

při amplitudě E signálového zdroje e. K určení počátení amplitudy přímého přeslechu je třeba určit velikost odpovídající přímé vlny ed=ud+Zod.id signálu rozdílového a es=us+Zos.is signálu součtového. Pro kC ≅ k L ≅ 0 je es ≅ ed ≅ e a u 2 (K , t ) ≅ 0 u1 (K , t ) ≅ u1 (Z , t − τ )

pro t ∈ 0, ∞ , přičemž

pro t > l×t

tj. přenos ideálním, nevázaným vedením. Pro kC ¹ kL je rychlost šíření součtové a rozdílové vlny různá a jejich superpozicí dochází k deformaci čela přenášeného signálu u1 a ke vzniku přímého přeslechu, který má tvar pulzu s polaritou závislou na charakteru vazby. Pro typické kC, kL<< 1 je Rt = 0 a Zod = Zo. Při dominující induktivní vazbě (kC < kL) platí ts > td a přímý přeslech je záporné polarity s maximem


139

u2 (K)max = -u2(K, Ts) v okamžiku t = Ts = ts.l příchodu vlny es = 0 : u2 (K)max = ed(Ts).k/2; k = R4/(R4 + Zo) Při dominující kapacitní vazbě (kC > kL) platí td > ts a přímý přeslech je kladný s maximem u2 (K)max = es(Td).k/2 v okamžiku t = Td = td.l příchodu vlny ed = 0 . Při uvedeném kC, kL << 1 je us ≅ ud ≅ u1 , es ≅ ed ≅ 2 ⋅ u1. Průběhy normovaného přeslechu u2 n =

u2 (K )max k ⋅ ∆u1

pro různé doby náběhu tr signálu u1 (v realizaci s dobou Tq = l.|ts-td| jsou vyneseny na obr. 6.100. Poznámka: Ve výše zvoleném příkladu bezodrazového zakončení je k = 1/2 a u2 (K)max = u1/2 = E/4. Z uvedené analýzy vyplývá, že v přeslechových signálech se vyskytují dva odlišné typy impulsů - zpětné přeslechy, tj. poměrně dlouhé impulsy o amplitudě úměrné součtu vazebních koeficientů (kL+kC) Na rozdíl od případu se soustředěnými parametry není amplituda těchto impulsů závislá na délce vázaných vedení. (U popisu soustředěnými parametry byla amplituda přeslechu úměrná celkové vzájemné kapacitě K nebo indukčnosti M, tedy úměrná délce spoje.). - přímé přeslechy, tj. krátké impulsy o délce přibližně rovné délce hrany tr signálu v aktivním vedení s amplitudou úměrnou délce vedení h, rozdílu vazebních koeficientů kLkC a nepřímo úměrné délce hrany tr. Zpětné přeslechy lze potlačit konstrukčním zajištěním "malé" hodnoty kL + kC (např. vzdáleností obou vedení). Přímé přeslechy jsou závislé na délce vedení jak amplitudou, tak šířkou přeslechového pulzu (obojí v přímé úměře). Je tedy nutno délku vedení udržet co nejkratší. Z rozboru plyne, že lze stanovit jistou délku lkrit, kdy pro l > lkrit s délkou l dále narůstá pouze šířka pulzu, amplituda je na délce nezávislá. Kritická délka je přímo úměrná hodnotě tr/(kL-kC), tr doba náběhu rušícího pulzu. Z toho je vidět, že je nevhodné užívat rychlejší rodiny digitálních obvodů (AS, ECL) než je pro dané zařízení potřeba (neboť s kratšími hranami vzrůstá amplituda přímého přeslechu).

140


Jiná možnost je zařídit rovnost vazebních koeficientů kL = kC (tj. Td = Ts), kdy tyto impulsy zcela vymizí. Např. u plošných páskových vedení toho lze dosáhnout pokrytím tištěných spojů další vrstvou dielektrika. Na obr. 6.101. jsou typické průběhy napětí na aktivním a pasivním vedení při převládajícím induktivním přeslechu. Ještě ukážeme, že absolutní hodnotě k L − kC , k L , kC 〈〈1 je úměrný rozdíl zpoždění Tq.

Tq = l ⋅ τ s − τ d = l ⋅ τ

(1 − k L ) ⋅ (1 + kC ) − (1 − kC ) ⋅ (1 + k L ) ≅ τ ⋅ 1 / 2 ⋅ (1 − k L + kC ) − (1 − kC + k L )

Při přenosu informace na větší vzdálenost je třeba volit vedení mezi nimiž navzájem existují jen malé induktivní vazby - např. kroucené dvojlinky nebo koaxiální kabely. U koaxiálních kabelů jsou přeslechy téměř úplně odstraněny, ovšem tyto kabely jsou relativně drahé. Hodí se proto jen pro největší rušení. Jinak vesměs vyhovují kroucené dvojlinky nebo plochý kabel. Jsou levnější a lépe se s nimi pracuje.

Obr.6.101. Typické průběhy aktivním a pasivním převládajícím induktivním (kL=0,5, kC=0,4, Z0d=0,84, R1=0, R2=R3=R4=Z0)

napětí na vedenípři přeslechu Z0s=0,95,


141

8 MECHANICKÁ KONSTRUKCE Při návrhu mechanické konstrukce se uplatňují hlediska: provozní, výtvarné (tzv. design), technické a technologické. Zde si všimneme jen některých hlavních problémů. Konstrukční koncepce zařízení znamená v zásadě prostorové a mechanické uspořádání všech funkčních dílů zařízení ve vymezeném prostoru příp. ve vhodné skříni, kostře ap. Vyřešit konstrukční koncepci tedy znamená uspořádat účelně všechny díly zařízení a vytvořit k tomu vhodnou konstrukci nosných dílů, skříní, mechaniku ovládacích prvků, převodů, chlazení atd. Technologická koncepce zařízení pak znamená určení způsobu výroby funkčních i mechanických dílů zařízení s ohledem na minimální výrobní náklady a na technologické možnosti uvažovaného výrobního podniku. Technologická koncepce tedy úzce souvisí s konstrukční koncepcí a musí být vytvářena současně s ní. Konstrukční a technologická koncepce elektronického zařízení musí splňovat tyto požadavky: - jednotlivé funkční díly zařízení musí být umístěny v takové vzájemné poloze, která umožňuje jejich optimální funkci (minimální délka spojů) - funkční díly, které by se mohly vzájemně nepříznivě ovlivňovat, musí být vzájemně vzdáleny nebo vhodně odděleny stíněním - celkový objem zařízení má být co nejmenší - přitom však musí být jednotlivé díly dobře přístupné v zájmu snadné údržby a oprav - vnější tvar a úprava zařízení musí být přizpůsobeny požadavkům uživatele a jeho provozu (mechanická odolnost) - umístění ovládacích, signalizačních a indikačních prvků musí vyhovovat ergonomickým zásadám - odvod tepla ze zařízení musí být vyřešen s ohledem na maximální teploty okolí v místě použití - technologická koncepce musí respektovat klimatické vlivy v místě použití - konstrukční koncepce musí zajistit bezpečnost provozu zařízení (respektovat příslušné normy) - musí být respektována ekonomie výroby (využití materiálů, pracnost montáže, dědičnost součástek ap.). Z tohoto souboru požadavků je zřejmé, že celkovou konstrukční a technologickou koncepci zařízení je možno řešit až po vytvoření konstrukční koncepce všech funkčních dílů zařízení, po ergonomickém vyřešení jeho ovládacích a indikačních prvků, po vyřešení otázek odvodu tepla, potřebných stínění a po vyřešení systému bezpečnostních opatření. Při vývoji zařízení, které se funkčně príliš neliší od zařízení dosavadních, může ovšem zkušený konstruktér a technolog vytvořit celkovou koncepci zařízení předem, ale její upřesnění a detailní propracování probíhá pak současně s vývojem a konstrukcí funkčních dílů. Vytváření konstrukční a technologické koncepce probíhá obecně v těchto etapách: - soustředění vstupních informací o jednotlivých funkčních dílech a jejich rozměrech a vzájemných vztazích - soustředění informací o ovládacích a indikačních prvcích a jejich ergonomicky optimálním uspořádání na čelních plochách zařízení, a o odpovídajících ovládacích prvcích (potenciometrech, kondenzátorech ap.) ve funkčních dílech - vytvoření několika možných variant prostorového a mechanického uspořádání funkčních dílů a k nim příslušné koncepce nosných prvků, skříně a ovládacích převodů

142


- srovnávací hodnocení vytvořených variant z hlediska využití prostoru, přístupnosti, délky spojů, odvodu tepla, jednoduchostí mechan. převodů a výrobní pracnosti - volba optimální varianty příp. sestavení optimální varianty kombinací jednotlivých vhodných částí vytvořených variant, a její konstrukční a technologické propracování Při této práci se řídíme zásadami systémového iženýrství. Zvolená koncepce provedení přístroje sestává z dílčích konstrukčních řešení - přístrojové skříně - vnitřní zástavby - umístění obslužných prvků

8.1

Přístrojová skříň

Podkladem pro volbu/řešení přístrojové skříně je rozsah použití přístroje, provozní podmínky, specifické požadavky - zákaznické i promítání výsledků elektrické konstrukce (vývoje). Příklady hledisek ke kterým se přihlíží: 8.1.1

Hledisko mobility

Základní členění - stacionární, mobilní, přenosná zařízení a) Zástavba do jednotných stojanů, rámů. Přístroj řešen jako zásuvná jednotka, s jednotnou šířkou čelního (ovládacího) panelu. V přístrojové technice je nejrozšířenější použití šířkového modulu 19". Výškový rozměr je již variabilní - často v násobcích zvoleného výškového modulu. b) Samostatné přístroje. Kritériem řešení je především mechanická pevnost v závislosti na hmotnosti přístroje. Tomu odpovídají i manipulační prvky - vlastní tvar přístroje, použití držadel, úchytek u rozměrných zařízení i jeřábových ok resp. pojezdových koleček. U souborů přístrojů laboratorního typu (stolní provedení) se přístroje vestavují do skříní (jednotek) typizovaných řad/systémů přístrojových skříní. Tj. přístrojových skříní jednotného vzhledu, jednotné koncepce nabízených specializovanými výrobci. Zpravidla je možno volit z řad s odstupňovanou výškou, šířkou či hloubkou skříně.


143

Provozní hlediska

Chlazení - přirozeným prouděním vzduchu přes větrací otvory v plásti - dolních, horních či bočních stěnách je možné u přístrojů, které jsou umístěny v prostoru, který proudění nebrání a umožňuje odvedení veškerého nežádoucího tepla. Při větších ztrátových výkonech, omezené zástavbě, kumulovaných sestavách přístrojů se umístí přídavné prvky - profilované chladiče na zadní panel, využívá se nuceného vzduchového chlazení (ventilátory), příp. kapalinové chlazení. Elektromagnetická kompatibilita - u přístrojů, které jsou zdroji elektromagnetického vyzařování nebo které jsou jeho účinky ovlivňovány, se vyžadují od přístrojové skříně stínící účinky. Pro nízké kmitočty se proto jako konstrukčního materiálu používají magnety měkké oceli, jinak především z důvodů hmotnosti hliníkové slitiny. Při požadavcích na vf stínění musí být zajištěno vodivé propojení všech dílů, krytů - nepřípustná je nevodivá povrchová ochrana v místech styku; výskyt větracích otvorů s rozměry srovnatelnými s vlnovou délkou. Nelze-li docílit požadovaných stínících účinků pouze provedením přístrojové skříně, řeší se další doplňkové stínění v rámci vnitřní zástavby. Konstrukční a mechanické požadavky - přístroj musí odolávat mechanickému namáhání v souladu s jeho používáním. Jeho skříň musí svým konstrukčním řešením chránit vestavěné části a díly před vnějšími vlivy (např. před znečištěním prachem nebo mechanickým poškozením) jak při provozu ve jmenovitých podmínkách, tak i při dopravě a skladování. U přístrojů s dynamickým namáháním, požadavky na mobilitu, s nebezpečím pádu apod. se volí mechanická pevnost pro nejnevýhodnější provozní stav. Tj. tuhost konstrukce, volba konstrukčních materiálů. Odolnost proti nežádoucím poškozením/ deformacím se ověřuje zkouškami.

8.1.3

Jiné specifické požadavky

Estetické hledisko - vzhledové stránce přístrojů - tvarovému i barevnému řešení se věnuje z hlediska provozních i konkurenčních důvodů velká pozornost. Profesionálně přísluší řešení do oboru průmyslového designu, který také zahrnuje i řešení obslužných prvků vč. grafiky popisu a značek použitých na přístroji - viz dále. Doba provozu. Přístroj by měl být schopen pracovat při stanovených podmínkách a přípustné zátěži bez přerušení nejméně 8 hodin.

8.2 Přístrojová zástavba Konstrukční provedení vnitřní zástavby odpovídá charakteru přístroje a vývoji techniky. Typickými požadavky jsou: - vysoká hustota zástavby k dosažení minimálních celkových rozměrů - vnitřní elektromagnetická kompatibilita - potlačení vzájemného nežádoucího ovlivňování obvodů - snadná efektivní montáž při výrobě, demontáž při opravách, údržbě - přístup k vnitřním nastavovacím, kalibračním prvkům

144


8.2.1

Základní koncepce vnitřní zástavby

Vývoj techniky prošel následujícími stadii: a) chasis nesoucí většinu elektromechanických prvků vč. součástek upevněných na samostatných nebo skupinových pájecích bodech. Vnitřní propojení jednotlivými vodiči. b) nosný systém pro upevnění jednotlivých funkčních bloků na deskách s plošnými spoji (DPS). Vzájemné propojení kabeláží. c) použití velkoplošných desek s plošnými spoji - koncentrující prakticky všechny elektrické obvody - nebo tvořící nosnou jednotku a současně propojovací pole pro jednotlivé moduly vnitřní zástavby (DPS) - resp. kombinace - obsahuje jak elektronické obvody, tak k ní upevněné moduly/jednotky Pozn. používá se termínu matečná deska - motherboard. Specifické požadavky - např. ve vf technice - vedou na zástavbu samostatných funkčních bloků (uzavřené, stíněné jednotky) nebo samotný princip modulové stavby přístroje


145

(uživatelsky volitelná konfigurace jednotek - viz obr 7.3) - v tomto případě vertikálního zesilovače, časové základny apod.

8.2.2

Topologie vnitřní zástavby

Topologie vnitřní zástavby musí respektovat signálový tok, dostatečné odstupy zdrojů rušení (např. magnetické pole síťového transformátoru, rušivé pole obvodů číslicové techniky, vyzařování oscilátorů...), odstupy zdrojů tepla a teplotně závislých obvodů. Řešení vnitřní zástavby vychází i z designového řešení tj. z jím stanoveného rozložen ovládacích a indikačních prvků, vstupů, výstupů. Stanovuje způsob jejich upevnění a propojení. Dále je třeba sledovat některé doplňující požadavky. Především jde o přístupnost kontrolních měřících bodů a nastavovacích (příp. kalibračních) prvků. Nastavovací prvky je třeba umístit tak, aby byly dobře viditelné a především rozlišitelné, je-li jich více. Jsou-li velmi blízko sebe, je velká pravděpodobnost, že dojde k manipulaci s jiným prvkem než je potřeba. Prázdné desky. V některých zařízeních je nutné vytvořit určitý volný prostor pro budoucí rozšiřování jejich funkčních možností. Proto se ponechávají v kostře (vaně) volná místa, kam lze dodatečně osadit novou desku PS. Aby nemohlo dojít k nežádoucímu zasouvání desek do těchto neobsazených míst, je vhodné je vyplnit krytem, panelem nebo výplňovou jednotkou.

146

8.3


Volba, rozmístění a grafické označení obslužných prvků

Obsluha elektronických zařízení v podstatě řídí a kontroluje činnost těchto zařízení. Proto tyto mají na různých úrovních signalizační světla (žárovky, svítící diody), výchylkové indikátory a měřicí přístroje se stupnicemi a v poslední době i různé druhy číslicových displejů, alfanumerických a grafických zobrazovacích jednotek. Patří sem i různé druhy bzučáků, zvonků a mechanických signalizačních prvků. Všechny shora uvedené moduly můžeme nazývat souhrnně "sdělovače". Podle smyslu, kterým informace sdělovačů přijímáme, dělíme je na: optické, akustické a dotykové. Na druhé straně elektronická zařízení obsahují "ovladače", kterými obsluha zařízení zapíná, vypíná, nastavuje potřebné hodnoty veličin a reaguje na údaje výše uvedených sdělovačů. Designový návrh v této oblasti patří k nejnáročnějším tvůrčím činnostem při vývoji přístroje. Mimo designera se na něm podílí i konstruktér a vývojový pracovník. Jde o hledání optimálního řešení z hlediska: - technického - ergonomického - estetického Obor ergonomie - vědě o práci - se uplatňuje v přístrojové technice v optimalizaci uživatelských vlastností, v efektivnosti, subjektivním hledisku snadné, ale i bezpečné obsluhy. Jde o to, že téměř všechna elektronická zařízení jsou při svém praktickém nasazení obsluhována člověkem, a je účelné, aby uspořádání styčných prvků mezi zařízením a člověkem bylo přizpůsobeno co nejvíce přirozeným schopnostem a vlastnostem člověka. Je to tím důležitější, čím delší je pracovní doba člověka u těchto zařízení a čím větší je objem vzájemně předávaných informací a povelů. Přizpůsobení zařízení člověku je třeba sledovat hlavně ve třech směrech: - přizpůsobení zařízení a jeho prvků rozměrům lidského těla - přizpůsobení indikačních a ovládacích prvků lidským rukám - přizpůsobení pohybu ovládacích prvků lidským zvyklostem


147

Pokud jde o rozměry lidského těla, máme k dispozici data antropometrických tabulek. U průměrného muže máme tato data: Vstoje: výška těla 170 cm, očí 157 cm, dosah ruky od osy těla 65 cm vpřed, 87 cm na stranu, 208 cm do výšky. V sedě: výška těla 135 cm, očí 122 cm, dosah ruky od osy těla 65 cm vpřed, 87 cm na stranu, 173 cm do výšky. Optimální výška pracovní plochy 70-80 cm v sedě, 90-110 cm ve stoje, dle druhu práce. Pro ženy platí všechny rozměry zmenšené o 8%. Při návrhu indikačních a ovládacích prvků elektronických zařízení je třeba dále respektovat způsob a časovou náročnost jejich obsluhy (občas neb stále, laický nebo školený pracovník), psychologický stav pracovníka (jeho další povinnosti) a běžné zvyklosti lidí. Většina lidí např. podvědomě počítá s tím, že: - při otáčení ovládacího prvku doprava ovládaná veličina roste - při posunu ovládací páky vzhůru nebo od sebe ovládaná veličina roste - při otáčení ovládacího prvku doprava se ovládaný ukazatel pohybuje též doprava nebo nahoru - barvy signálních světel připomínají význam daný dopravními předpisy - světlé a modravé odstíny barev se podvědomě spojují s pohybem dolů - červená a žlutá připomínají teplo, modrá a bílá chlad - hlasité a kolísavé tóny a mihotavá světla budí pocit nebezpečí - řeč působí přirozeně, přichází-li zepředu v úrovni hlavy

148


- sedadla a schody budou mít všude stejnou výšku - ovládací prvky vyžadující velké síly se budou ovládat spíše nohou než rukou pevnost dorazů v mezních polohách ovládacích prvků vydrží i největší sílu, kterou jsme schopni na prvek působit. Přistupujeme-li tedy k úkolu řešit vnější úpravu elektronického zařízení, musíme především analyzovat, za jakých podmínek bude zařízení provozováno, jaké požadavky kladou lidé na zařízení a jaké požadavky klade zařízení na lidi. Je třeba poznat všechny běžné i méně běžné provozní situace, roztřídit je z hlediska četnosti a důležitosti a přizpůsobit konstrukci výrobku a jeho ovládací a indikační prvky tak, aby prvky nejčastěji potřebné byly též nejsnáze přístupné, aby všechny provozní situace byly řešitelné bez zbytečných komplikací, a aby uspořádání prvků na pracovní ploše mělo snadno pochopitelnou logiku, vyplývající např. z posloupnosti členů v přenosové cestě signálu nebo nejčastějšího pořádku obvyklých pracovních úkonů. Je třeba též brát v úvahu činitele pracovní psychologie, počítat i s únavou obsluhujícího pracovníka a zmenšovat pravděpodobnost chybných úkonů např. tím, že ovládací prvky budou označeny nejen symboly a nápisy, ale také odlišeny barevně i tvarově, že počet ovládacích prvků bude co nejmenší, že zařízení bude vybaveno pojistnými opatřeními apod. Posuzujeme též pořadí důležitosti zobrazovaných nebo indikovaných stavů, popřípadě hodnot obvodových veličin. Je nutno také zvážit, jak rychle se sledované hodnoty mění a zda je bude operátor schopen sledovat. V případě neúnosných požadavků na člověka uvážit možnosti změny koncepce zařízení. Moderní mikroprocesorová technika umožňuje


149

automatické sledování kritických veličin a stavů a jejich zapisování do protokolů prostřednictvím připojené tiskárny. Vnější úprava zařízení musí též svým stylem a estetickým řešením odpovídat prostředí, v němž bude zařízení provozováno. Charakteristické barvy a konstrukční styly zařízení např. pro účely vojenské nebo lékařské jsou dostatečně

známy a mají svůj účel. Totéž platí v menší míře o všech zařízeních ostatních, v neposlední řadě o spotřební elektronice, kde musíme brát v úvahu současný styl v nábytku, v bytovém textilu, v životním stylu různých skupin lidí atd. a okolnost, že tento styl se neustále vyvíjí a mění. U ovládacích prvků požadujeme, že musí být dobře ovladatelné, pohodlně uchopitelné a uspořádány tak, aby umožňovaly snadnou obsluhu. Mimořádný význam nabývá ergonomika při řešení složitých systémů, např. v pilotní kabině letadla. Pilot - umístění, dostupnost a provedení ovládacích prvků musí respektovat fyziologické schopnosti organismu. Podobně množství poskytovaných optických informací musí provedením indikačních prvků a jejich rozmístěním v zorném poli respektovat význam, informační hodnotu, provozní potřeby. Moderní systémy umožňují mnoho informací integrovat na obrazovku a uživatal nebo systém sám může vybírat hlavní informace (např. velín elektrárny, personální měřicí přístroj, osciloskop). I v méně náročných provozních podmínkách užití přístrojové techniky je třeba při designovém řešení přihlédnout k následujícím kritériím:

8.3.1

Kritérium četnosti manipulace

- prvky s největší četností zásahů, nejčastější manipulací mají být: - snadno přístupné (tj. na čelní straně přístroje) - rozměrově, vizuálně odlišené Příklady: a) prvek jemné regulace s nejvyšší četností použití ladění přijímače - viz obr. 7.8. Velký průměr a povrch točítka navržen pro citlivé ovládání 2 - 3 prsty pravé ruky (poloha zcela vpravo). b) jednorázově použitá přípojná místa a ovládací prvky - síťová přívodka, pojistková pouzdra, konektory, propojení apod. Jsou převážně rozmístěny na zadní stěně (zadním panelu). U přístrojů určených k vestavění do skříní nebo stojanů musí být všechny prvky určené pro ovládání přístroje umístěny na jeho čelní straně. U větších zařízení (např. elektrárna) se ovládací prvky i sdělovače zpravidla umisťují na řídicí panely nebo pult operátora. 8.3.2

Kritérium významu

- prvky s největší informační hodnotou či prioritou ovládání tvoří dominanty zorného pole Příklady: a) síťový vypínač

150


- z důvodů bezpečnosti zvýrazňován velikostí, barevným odlišením. Požadavek na rychlou identifikaci, snadné ovládání, rozlišení stavu (vypnuto/ zapnuto) i při výpadku signalizace provozního stavu - viz dále. Tlačítkové spínače - výškové rozlišení stavu zamáčknutý/ vymáčknutý a vyznačením stavu na popisu nebo viditelná značka O ve vymáčknuté/ vypnuté poloze na boční straně hmatníku. Podobně u kolébkového vypínače. Jiná verze - dvojice spřažených tlačítek se vzájemnou aretací - jedno spíná, druhé vypíná. b) Indikace provozního stavu - zejm. zapnutí přístroje. Převážně zvýrazněno barevně, jasově. Běžný provozní stav zeleně; poruchový stav, výstraha - červeně; ostatní indikace např. oranžově. Pokud je indikace zapnutí provedena signálkou, napomáhá rychlé identifikaci vypínače v ovládacím poli, je-li umístěna v jeho těsné blízkosti vč. grafického vyznačení. c) Displej multimetru - hlavní údaj tj. měřená hodnota odlišená velikostí od vedlejších údajů - zvolených jednotek, rozsahů. Podobně je dominantní obrazovka osciloskopu vůči dalším indikačním prvkům. Polohy ovládacích prvků jsou předepsány takto: - "zapnuto" nebo "start" - stisknuté tlačítko, poloha páčky nahoru, napravo nebo od sebe; - "vypnuto", "odpojeno" nebo "stop" - uvolněné tlačítko, poloha páčky dolů, nalevo nebo k sobě; - zvětšení v nastavení veličiny - pootočením ovládacích, regulačních a nastavovacích prvků ve směru hodinových ručiček; - zmenšení v nastavení veličiny - pootočením ovládacích, regulačních a nastavovacích prvků proti směru hodinových ručiček. Jsou-li polohy ovládacích prvků vyznačeny čísly nebo písmeny, musí růst čísel nebo abecední sled písmen souhlasit se zvětšováním regulované veličiny (výjimky z tohoto ustanovení jsou dovoleny jen tehdy, jsou-li stupnice kalibrovány v řadě převrácených hodnot nebo záporných čísel nebo vyžaduje-li to konstrukční řešení). Zajištění poloh ovládacích prvků: - u ovládacích prvků nesmí dojít k samovolnému přestavení nebo ke změně nastavené polohy; je účelné, aby ovládací prvky byly opatřeny zarážkami. U přepínačů musí být výrazná aretace jednotlivých poloh. Trvanlivost ovládacích prvků - musí být taková, aby vydržely při běžném používání přístroje po dobu jeho použitelnosti. Obvykle se žádá, že musí vydržet nejméně 10 000 pracovních cyklů přepnutí, změn nebo přestavení.


8.3.3

151

Kritérium kolize

při ovládání je nežádoucí kolize ovládacích prvků resp. ovládacích indikačních prvků. Příklady: a) umístění zobrazovacích a indikačních prvků (displejů, obrazovek, ručkových měřidel, signálek) nad ovládacími prvky případně stranově tak, aby při manipulaci zůstaly v zorném poli, nerzakrývány rukou. b) vzdálenosti ovládacích prvků, velikost tlačítek, hmatníků voleny tak, aby vzájemně nebránily snadné obsluze. c) umístění přípojných míst - do prostorů, kde nezpůsobují překážku v pracovním prostoru přímo ani přípojnými vodiči (konektory, kabely) Přípojná místa pro vstupní signály (např. u měřících přístrojů - tedy často používané - viz. též 7.3.1.b) mají být umístěna pokud možno vlevo na čelní straně přístroje, přípojná místa pro výstupní signály vpravo na čelní straně přístroje, pokud toto řešení nezhoršuje použitelnost nebo elektrické vlastnosti přístroje. Je-li třeba, lze přípojná místa umístit i na ostatních stěnách přístroje (např. přímé vývody u vychylovacích desek obrazovek osciloskopů, rozebíratelné souosé a vlnovodné vedení). Pokud by záměnou konektorů mohlo dojít ke škodě, musí být zajištěna jejich nezáměnnost. U konektorů vestavěných uvnitř přístroje stačí, jsou-li jednoznačně označeny. Konektorová spojení je možné kromě identifikačních označení (např. štítků) označit i barevně, např. barevnou návlečkou. Barevný odstín této návlečky na kabelovém konektoru souhlasí s barevným odstínem pole kolem panelového kolektoru. Barevné označení se nedává přímo na konektory, protože při jeho výměně by došlo ke zrušení barevného kódu. Délky vnějších přívodů musí být úměrné jejich používání, délka síťového přívodu musí být nejméně 1,5 m.

152

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 8.3.4

Kritérium subjektivního vjemu

můžeme demonstrovat na následujících příkladech: a) přiměřený mechanický odpor otočných prvků - přepínačů, potenciometrů. Tj. vhodnou volbou typu otočného prvku, točítek správné velikosti a provedení. b) prvky ovládané stlačením Přednostní ovládání nízkozdvižnými tlačítky s vjemem sepnutí/ přepnutí. Příklad koncepce vnitřní zástavby: Jako příklad uvedeme stručný popis řešení dnes již klasického počítače CRAY 1S. Integrované obvody zde použité jsou z 95% stejného typu - dvojitý NAND v zapojení ECL s dobou přenosu impulzu 750ps a se ztrátovým výkonem 2 x 60 W na křemíkovém plátku 1 mm2, v keramickém pouzdru 10 x 7 x 2 mm se 16 vývody v rastru 1.25 mm. Dále se zde požívají dvojité D-klopné obvody, registry 16 x 4 bity a paměti RAM 4 kB v keramických plochých pouzdrech s 18 vývody; rezistory se užívají tenkovrstvové s vrstvou nitridu tantalu, o rozměrech cca 1 x 2 x 2 mm a se zatížením 20 mW. Tyto součástky jsou umístěny na pětivrstvových deskách s plošnými spoji, kde na desce 15 x 20 cm je až 144 pouzder s integrovanými obvody. Svrchní a spodní strana desek obsahuje signálové spoje, mezilehlé 3 vrstvy jsou zemní a napájecí. Prokovené otvory mají vnitřní průměr 0,55 mm. Poněvadž náběhové časy impulzů jsou kratší než nanosekunda, musí být signálové spoje (pokud jsou delší než 2 cm) zakončeny charakteristickou impedancí, tj. bezodrazově. Signálové spoje mají šířky i mezery 0,2 mm, tloušťka izolantu mezi nimi a zemnící plochou je též 0,2 mm, takže charakteristická impedance je cca 60 W, a zpoždění signálu cca 60 ps/cm. Tyto pětivrstvé desky jsou spojeny po dvou do zásuvných modulů tak, že jejich spodní strany (kde nejsou součástky0 jsou přitmeleny zalévací izolační hmotou k oběma stranám střední měděné desky silné 2 mm, která slouží jako společná zemní plocha a současně zajišťuje odvod tepla do okrajů desky, které jsou chlazeny. Řadový konektor každého modulu má 2 x 96 kontaktů. Propojení modulů se provádí symetrickými zkroucenými dvojlinkami, kde vodiče mají vzájemně opačnou polaritu signálu. Tím se podstatně sníží rušivé přeslechy a vazby mezi spoji. Celé zařízení má téměř 1600 modulů, propojovací vodiče mají celkovou délku cca 100 km. Zajímavé je též řešení napájení a chlazení počítače. Každý modul zde popsaný má ztátový výkon 25 až 38 W, paměťové moduly se 64 obvody RAM 4 KB mají ztrátový výkon cca 70 W, takže celkový výkon převyšuje 100 kW. Celý tento výkon se odebírá ze sítě a prochází stabilizovaným měničem, dávajícím stabilizované napětí 200 V 400 Hz. Jednotlivé funkční díly počítače mají pak jednoduché napájecí zdroje s lehkými transformátory, usměrňovači a filtry pro 400 Hz bez stabilizace napětí. Jednotlivé moduly jsou pak zasouvány do koster z masívních dutých hliníkových profilů, které jsou protékány chladící směsí. Moduly jsou orientovány svisle s mezerami cca 1 cm. Chladící směs je udržována na teplotě cca 18°C, takže teplotra okrajů modulů nepřestoupí 25 °C a teplota pouzder IO je pak max. 55°C.


153

8.4 Klimatická a mechanická odolnost Na celá zařízení i na jejich součásti působí v provozu řada vnějších vlivů. Ke klimatickým účinkům řadíme vliv vlhkosti, prašnosti, exhalátů, extrémně nízkých nebo vysokých teplot, příp. střídání teplot. Může jít také o vliv tlaku vzduchu, deště, plísní, slaného aerosolu, písku, slunečního záření, hmyzu a různých zvířat. Patří k nim i působení větru a tvoření námraz Klimatické vlivy lze analyzovat podle míst na povrchu Země. Tyto vlivy jsou charakteristické a jen pomalu proměnné. Problémem mohou být tzv. umělé klimatické vlivy, obvykle způsobené dopravou (změny tlaku a teploty při pohybu letadla nebo družice), nebo již zmíněné exhaláty (nejenom v průmyslu, ale i v kravíně apod.), samostatnou kapitolou jsou i zařízení v armádě a námořnictvu. Působením klimatu na technická zařízení a řešením jejich klimatické odolnosti včetně třídění do jednotlivých kategorií se zabývá klimotechnologie (u nás uvedená pod normou ČSN 03 8203).

Eliminace těchto vlivů se provádí následnými opatřeními: 1. Povrchová úprava. Jedná se o nanesení chránícího povlaku - chemicky, elektrochemicky, mechanicky a termomechanicky. Do této kategorie patří například zlacení kontaktů. 2. Technologické úpravy. a) Sušení a impregnace jsou typické zejména při výrobě transformátorů. b) Zalévání (či zalisování) je použito např. při výrobě IO. c) Těsnění se používá ve spojení s rozebíratelným uspořádáním, schématicky podle obr. 7.13. d) Hermetizace je zatavení do skla. Typické použití je pro elektronky a kontakty relé. . 3. Klimatizace. Zabezpečuje pro zařízení žádoucí okolní klima - v uzavřené budově, místnosti, skříni (obecně v prostorách). Je to opatření nákladné. Pro omezení vlivu vodních par se vkládají do utěsněných prostor vysoušedla, která vážou vodní páry. Známým vysoušedlem byl porézní kysličník křemičitý (silikagel). Je schopen pojmout až 40% vody své suché váhy. Dnes se hojně užívá molekulových sít a bentonitu. Nejnáročnější je výroba zařízení pro vlhké tropické klima, jde o tzv. tropikalizaci. V posledních letech se situace zjednodušuje - jak se ustupuje od užívání organických materiálů, především na bázi papíru. Odpadá tím nebezpečí plísní, zmenšuje se vliv vlhkosti i střídání teplot. Mechanická pevnost a otřesuvzdornost Z hlediska mechanických účinků je třeba sledovat - vnitřní pnutí - manipulaci při dopravě a provozu - chvění při vlastním provozu Vnitřní pnutí je vnitřní mechanické napětí, které vzniká technologickými operacemi, zejména při deformaci a lokálním ohřevu. Vyžaduje se proto vhodná montáž pájených součástek.

154


Vliv mechanických otřesů a rázů (způsobených vnějšími vlivy při dopravě či při provozu) může být několikerý. Jejich působením může dojít k prasknutí nebo zlomení některých součástí, při provozu pak může dojít k vibracím součástí, které působí periodické změny přenosových vlastností zařízení nebo vznik rušivých signálů (tzv. mikrofoničnost). Máme-li se těmto poruchám vyhnout, musíme konstruovat zařízení tak, aby bylo jednak dostatečně pevné, jednak otřesuvzdorné, tj. aby v něm nebyla taková uspořádání (upevnění) součástí, která by byla schopna samostatného kmitání a rezonance s vnějšími otřesy. Uvádí se, že každá součást má být (pokud možno) montáží upevněna tak, aby upevnění vydrželo sílu rovnou stonásobku její tíhy. Pokud jde o otřesuvzdornost, je třeba ji zajišťovat doslova při každém konstrukčním kroku tím, že sledujeme možnosti vlastních mechanických kmitů každé součásti a jejího upevnění a volíme taková konstrukční uspořádání, která nám v daných podmínkách zaručují patřičnou odolnost. Chvění vzniká při vlastním provozu zařízení (větrání, transformátory, motory). Vliv chvění a rázů je možné do jisté míry potlačit pružným uchycením modulů například pomocí gumových tlumičů.

8.5 Chlazení polovodičových součástek a konstrukčních celků Při návrhu elektronických zařízení se musíme vypořádat s vlivem vnějších a vnitřních zdrojů tepla, přitom v naprosté většině případů půjde o chlazení součástek a konstrukčních celků. Vnější zdroje tepla jsou především klimatické podmínky, které mohou způsobovat tepelné změny v rozsahu až ± 70°C. Těmto extrémním podmínkám čelíme umístěním zařízení do uzavřených, víceméně klimatizovaných prostor s teplotou okolo 20°C. To je typické pro velké počítače, laboratorní měřicí přístroje apod. Nebezpečí nízkých teplot je především v možnosti selhání (zamrznutí) mechanických dílů zařízení. Na druhé straně kryogenní prvky musí být provozovány při teplotě blízké 0K, také některé mikrovlnné zesilovače bývají chlazeny kapalným dusíkem. Vyhřívání modulů je užíváno u krystalových oscilátorů a u zařízení pro provoz v oblastech s velkou vlhkostí, aby se zabránilo kondenzaci vlhkosti uvnitř. Snad i někdy na satelitech v kosmickém prostoru. Vnitřním zdrojem tepla je ztrátové teplo součástek, vznikající při jejich činnosti. Chlazením budeme rozumět proces odvodu tohoto tepla při provozu zařízení. "Klasické" způsoby chlazení jsou založeny na principu samovolného přestupu tepelné energie ve směru teplotního gradientu. Provozní teplota součástek a konstrukčních celků pak musí být vyšší než teplota okolí. Tento druh chlazení je v anglické literatuře označován jako "cooling" nebo "thermal management". Opačný případ, tj. kdy provozní teplota součástek je nižší než teplota okolní se nazývá "refrigerating" (tímto případem se zde nebudeme zabývat). Chlazení má rozhodující vliv nejen na funkční vlastnosti zařízení, ale i na jeho životnost a provozní spolehlivost, spoluurčuje tedy konstrukční koncepci každého elektronického zařízení, a to tím více, čím větší výkon zařízení má a čím větší je množství tepla, které je třeba odvádět. Vývojový trend směřuje k používání složitých digitálních obvodů VLSI a tyto obvody je třeba spojovat na deskách plošných spojů nebo nosičích čipů co nejkratšími plošnými vodiči (aby nevzniklo další přídavné zpoždění). Nepříznivým důsledkem je pak značné soustředění ztrátového výkonu. Obdobně se rozšiřuje používání výkonových polovodičových součástek.


155

Technické možnosti odvodu tepla se v takových případech stávají omezujícím faktorem při elektrickém návrhu. 8.5.1

Základní způsoby přenosu tepla

Teplo se přenáší z jednoho bodu prostoru do druhého vlivem rozdílu jejich teplot a to z místa vyšší teploty do místa s nižší teplotou (dle druhé věty termodynamiky). Přenos (odvod, přestup, sdílení) tepla je zásadně možný těmito způsoby : a) vedením (kondukcí), b) prouděním (konvekcí) c) zářením (radiací, sáláním) Fyzikální princip kondukce spočívá ve vzájemném předávání kinetické energie sousedících molekul. Při konvekci dochází k přemisťování zahřáté hmoty. Radiace je elektromagnetické záření. První dva způsoby jsou vázány na hmotné prostředí. Záření je možné i ve vakuu. Množství přeneseného tepla je obecně funkcí teplotního spádu DJ, činné plochy S a součinitele přenosu, specifického pro každý jednotlivý způsob. Kvalitativně pro všechny uvedené způsoby lze nalézt analogii s Ohmovým zákonem. Ve shodném pořadí výše uvedených způsobů platí : dϑ Fourierův zákon (7.1a) P = −λ ⋅ S ⋅ dx P = α ⋅ S ⋅ ∆ϑ Newtonův zákon (7.1b) P = C ⋅ S ⋅ f (∆ϑ ) Stefanův-Boltzmannův zákon (7.1c) dU I = σ⋅S⋅ Ohmův zákon (7.1d) dx W , W / (m⋅o C ), m 2 , oC / m, W / (m 2 ⋅o C ), m 2 , oC

[

]

V (7.1a), (7.1b), (7.1c) je P = dQ/dt tepelný tok plochou S při teplotním gradientu dJ/dx < 0 x1 dx se nazývá tepelný odpor, na kterém resp, teplotním spádu DJ. Hodnota integrálu Rt = ∫ λ⋅S xo x1

je při toku P úbytek teploty ∆ϑ = ∫ dϑ , měřeno mezi souřadnicemi x0, x1 předpokládaného xo

lineárního uspořádání. Koeficient l se nazývá tepelná vodivost, a je součinitel přenosu tepla. Pojem tepelného odporu je sice abstrakcí pro přenos tepla vedením, avšak v tomto pojetí je možné zobecnění i pro ostatní způsoby přenosu. Při přenosu prouděním představuje tepelný odpor hodnotu (a×S)-1 a v případě vyzařování je tepelný odpor nelineární, vyjádřený funkcí f. V praxi se na odvodu tepla podílejí různou měrou všechny uvedené způsoby. Tepelné odpory je možné řadit podle pravidel shodných pro ohmické odpory. Pro hlubší pochopení je zapotřebí jednotlivé zákony vysvětlit detailněji. Přenos tepla vedením K vedení tepla dochází uvnitř tuhého tělesa nebo na styčné ploše tuhých těles. Teplo se sdílí působením vzájemného dotyku jednotlivých molekul. V kapalinách nepředstavuje vedení tepla hlavní složku jeho přenosu.

156


Tepelný tok P[W] je určen množstvím tepla dQ [J], které projde plochou S [m2] za dobu dt [s]. Množství tepla prošlé za jednotku času jednotkovou plochou udává hustotu tepelného toku p, která je určena Fourierovou rovnicí ve tvaru: P ⎛ dϑ ⎞ (7.2) p = = -λ ⎜ ⎟ S ⎝ dn ⎠

⎛ dϑ ⎞ kde ⎜ ⎟ je gradient teploty ve směru kolmém k ploše S. ⎝ dn ⎠ Měrná tepelná vodivost l [W/m.K] je mírou schopnosti dané látky vést teplo, tj. přenášet kinetickou energii neuspořádaného pohybu mezi molekulami bez proudění látky. Je funkcí teploty a materiálu prostředí, nezávisí na gradientu teploty. Integrací vztahu (7.2) pro průchod tepelného toku jedním směrem prostředím délky l [m] o stálém průřezu S [m•] dostaneme pro rozdíl teplot vztah: l ∆ϑ = ⋅P (7.3) λ⋅S Na základě tohoto vztahu je pak tepelný odpor Rt prostředí definován rovnicí : l [K/W] (7.4) λ⋅S Fourierův zákon je speciálním případem obecné rovnice šíření tepla vedením. V třírozměrném prostředí charakterizovaným tepelnou vodivostí l, měrnou hustotou r [kg/m3] a měrným teplem c [J/(kg.K)] platí v objemu dx.dy.dz: dQe ∂ϑ = ρ ⋅C ⋅ − ∇(λ ⋅ ∇ϑ ) (7.5) ∂t dt Poznámka: Operátor Ñ v třírozměrném prostoru souřadnic symbolizuje následující operaci ∂a ∂a ∂a ∇a = + + ; Qe je teplo produkované v objemu dx.dy.dz. První člen výrazu (7.5) ∂x ∂y ∂z respektuje akumulaci tepla ve hmotě, druhý člen respektuje vlastní odvod tepla do směrů všech tří souřadnic. K prvnímu zjednodušení dojde za předpokladu, že teplo Q se šíří převážně jedním směrem. Dále je vhodné tepelný odpor i akumulované teplo diskretizovat na jednotku délky. Připadá-li na jednotku délky hmotnost m a úbytek teploty DJ, přejde obecná rovnice šíření tepla do tvaru obyčejné diferenciální rovnice dQ dϑ ∆ϑ = m⋅c⋅ + (7.6) dt dt Rt Rt =

Pokud je dQ/dt konstantní, je řešení (7.6) triviální. Plný výkon je odváděn až poté, kdy se tepelný vodič ustálí na teplotě zdroje - viz (7.1a). Z hlediska návrhu elektronického obvodu je podstatná aplikace (7.6) při analýze tepelného režimu tranzistoru v rámci čipu IO. Hmotnost m je určena křemíkovou podložkou čipu, tepelný odpor Rt reprezentuje vnitřní uspořádání a zajištění odvodu tepla z čipu do pouzdra. V dQ tomto případě je = f (ϑ ) ≠ konst. dt


157

U bipolárního tranzistoru se vzrůstající teplotou narůstá i vodivost (teplotní koeficient kolektorového proudu je záporný) a při daném kolektorovém napětí také ztrátový výkon na d 2Q 1 tranzistoru. Hranici tepelné stability představuje hodnota = . Pro hodnoty větší jak dϑ ⋅ dt Rt 1/Rt nastane tepelný průraz tranzistoru - teplota přechodu tranzistoru narůstá až do zničení tranzistoru. Vzhledem k tomu, že hmota křemíkové destičky způsobuje zpoždění 1. řádu, nedojde k tepelnému průrazu okamžitě. Krátkodobé přetížení tranzistoru nemusí tedy vést k jeho zničení. Unipolární tranzistory mají při běžných pracovních teplotách teplotní koeficient kolektorového proudu kladný. Tato skutečnost zajišťuje autostabilní režim - vzrůstáním teploty se tranzistor přivírá. Uvedené vlastnosti omezují možnost libovolného řazení tranzistorů. Bipolární tranzistory nelze snadno řadit paralelně, unipolární sériově. V ustáleném režimu přenosu tepla je dJ/dt =0 a rovnice (7.6) přejde do tvaru (7.1a). Hodnoty vodivosti l některých vybraných materiálů nalezneme v tabulce.

Přenos tepla prouděním Přenos tepla prouděním je charakterizován přestupem tepla mezi povrchem tuhého tělesa a kapalinou či plynem (chladicí medium), který je obklopuje. Volným prouděním (konvekcí) nazýváme děj, při němž dochází k pohybu jednotlivých částic chladicího media v důsledku sil způsobených rozdílem hustot teplejšího a chladnějšího místa tohoto media. K nucené konvekci dochází, použijeme-li k vytvoření rozdílu tlaků v mediu vnější zařízení, jako je ventilátor nebo čerpadlo. Hraniční vrstva plynu (resp. kapaliny) je vlivem molekulárních sil nepohyblivá a přenos tepla v ní se děje vedením. Součinitel a výrazu (7.1b) zahrnuje jednak tepelnou vodivost v této vrstvě, jednak vliv její tloušťky e. Teplotní rozdíl DJ je měřen mezi povrchem chladiče a chladicím mediem.

158


Průběh teploty a rychlosti chladicího media jako funkce vzdálenosti od ochlazované stěny tělesa pro volné proudění je schématicky znázorněno na obr. 7.13. Při samovolném proudění je pohyb chladicího media laminární a hraniční vrstva je nepříznivě tlustá. Vynuceným prouděním se tloušťka hraniční vrstvy zmenšuje až k extrémnímu případu turbulentního proudění. Poznámka: Rozeznáváme tedy dva druhy proudění. Při laminárním proudění se jednotlivé částice pohybují paralelně, tzn. vektory popisující rychlost částic jsou v každém okamžiku rovnoběžné. Ke sdílení tepla dochází vedením mezi molekulami kapaliny (plynu) a povrchem tělesa a vzájemně mezi molekulami chladícího media. Turbulentní proudění se naopak vyznačuje neuspořádaností pohybu molekul. Vznikají víry, jejichž působením se medium stále promíchává, takže se zvětšuje intenzita sdílení tepla a množství tepelné energie přenášené do míst vzdálených od chlazeného předmětu. Rozdíl teplot mezi povrchem tělesa a chladicím mediem je pro daný tepelný tok P a povrch tělesa S dán vztahem: P ∆ϑ = [K] (3.4) α ⋅S a je součinitel přestupu tepla [W/(m2.K)]. Vyjadřuje vlastnosti rozhraní dvou látek odlišných skupenství z hlediska šíření tepla, které se zde uskutečňuje převážně prouděním. Závisí na druhu látek, jejich skupenstvích, teplotách a na tvaru rozhraní. Hodnotu tepelného odporu lze pak vypočítat jako


159

1 [K/W] (3.5) α ⋅S Pro použití rovnice (7.7) k výpočtu tepla přeneseného prouděním je nutné znát velikost součinitele přestupu tepla a. Jeho velikost závisí na vlastnostech chladicího media, typu proudění, geometrickém uspořádání a jakosti povrchu. Přímé určení jeho velikosti je obtížné. V následující tabulce jsou uvedeny prakticky používané intervaly velikosti součinitelů přestupu tepla pro některá chladicí media.

Rt =

Je zřejmé, že největší účinnosti odvodu tepla z povrchu chladiče (pevné látky) lze dosáhnout při odpařování varem chladicí kapaliny. Podmínka pro vznik turbulentního proudění je vázána na vzájemný poměr rychlosti pohybujícího se media, jeho hustoty a viskozity při daném průřezu SP a kvalitě povrchu obtékané plochy. Vyjadřuje se tzv. Reynoldsovým kriteriem. Přenos tepla zářením Přenos tepla zářením ze zdroje umístěného v nekonečném vyprázdněném prostoru je přímo úměrný čtvrté mocnině jeho absolutní teploty (Stefanův-Boltzmannův zákon). Ve skutečnosti je zdroj umístěn v prostředí, které rovněž vyzařuje teplo a tepelný tok zdroje je určen rozdílem těchto dvou složek. Pro přenos zářením platí

P = c ⋅ ε ⋅ S ⋅ (T14 − T24 ), kde

T1 ... absolutní teplota vyzařujícího povrchu [K], T2 ... absolutní teplota povrchu ozařovaného [K], S ... plocha povrchu [m2], c ... konstanta 5,67.10-8 W/m2K4, konstanta e je nazývána hodnota pohltivosti (emisní schopnosti, sálavosti) povrchu relativní míra "černoty" povrchu (pro absolutně černé těleso je e = 1), některé hodnoty jsou v tabulce 7.6.

Termoelektrické chlazení Termoelektrické chlazení je založeno na tzv. Peltierově jevu. Jeho podstatou je absorbce nebo generace tepla elektrickým proudem ve styku dvou kovů s různým koeficientem termoelektrického napětí nebo polovodiči s různým typem vodivosti. Prochází-li stejnosměrný elektrický proud spojem dvou různých vodivých materiálů A a B, dochází na jednom spoji těchto materiálů (např. A-B) k pohlcování tepla, na druhém spoji (s opačným směrem průtoku proudu (tj. B-A)) k uvolňování stejného množství tepla.

160


Směr převodu tepla závisí tedy na směru průtoku proudu. (Poněvadž však tyto materiály mají nenulový elektrický odpor R, vzniká na nich též Jouleovo teplo, které se šíří oběma směry a odvádí se do okolí též oběma zmíněnými spoji.) Materiály, které se dnes nejčastěji používají, jsou v zásadě polovodivé sloučeniny typu P a typu N na bázi teluridu vizmutu a selenu a dosahují maximálního ochlazení (DJ)max = 40oC. Chladicí účinnost je tedy nižší než u chladicích soustav kompresorových nebo absorpčních, ale hlavní výhoda je v možnosti realizace malých chladicích jednotek bez pohyblivých součástí a bez kapalného nebo plynného media. Další výhoda je pak v možnosti snadné záměny směru funkce (chlazení za ohřívání) pouhým přepnutím směru napájecího proudu. Optimální hustota napájecího proudu bývá v řádu 1 A/mm2 průřezu aktivního materiálu, spád napětí na jednom článku je asi 0,08 V. Proto zapojujeme obvykle větší počet článků do série, aby napájecí napětí této chladicí baterie bylo alespoň 1-2 V a dalo se hospodárně získat z galvanických článků nebo usměrňovačů.

Schematický řez jednostupňové baterie několika článků je na obr. 7.14. Kostky z chladicích materiálů typu P a N, které jsou na protilehlých stranách pokoveny pro lepší kontakt nebo alespoň zabroušeny a leštěny, se podkládají na obou stranách plastickými vložkami z olova nebo vizmutu a propojují měděnými foliemi s dilatačními záhyby. Celá baterie se vkládá mezi dvě hliníkové desky, které jsou na styčné straně eloxované, aby byly elektricky izolovány vůči proudu, který prochází články a na volné straně jsou opatřeny žebry pro lepší převod tepla. Obě desky jsou k sobě staženy mírným tlakem pomocí pružin tepelně izolovaných, které nejsou na obrázku znázorněny (byly by totiž před a za nákresnou, aby jejich spojnice byla rovnoběžně se směrem žeber, pro nejmenší průhyb desek). Seriové řazení článků je pro znásobení napájecího napětí, Optimální hodnota procházejícího proudu Iopt je určena na obr. 7.15 tak, aby z chladného konce byl maximální odvod tepla. Efekt chlazení je zmenšován Jouleovým teplem. Převodní účinnost (činitel ochlazení) h stanoví poměr mezi odváděným teplem a přiváděnou energií. Maximum dosahuje činitel chlazení pro I -> 0. Jednostupňovou baterií lze dosáhnout h = 30% a DJ = 40°C (nikoliv současně). V současné době je však použití termoelektrických chladičů omezeno pro jejich velkou váhu, rozměry, velký příkon a cenu. Jde hlavně o chlazení polovodičových laserů. 8.5.2

Konstrukční uspořádání chlazení

Konstrukční uspořádání chlazení (chladicí soustavy) závisí zejména na následujících parametrech: 1. Hustota tepelného toku. Tato určuje odváděný tepelný výkon jednotkou plochy. Je zpravidla úměrná hustotě montáže.


161

2. Celkový odváděný výkon. 3. Provozní teplota. 4. Cena. Celkové schéma chladicí soustavy zpravidla kombinuje více způsobů chlazení. Součástka specializovaná na vyzáření (resp. jiný způsob odvodu) tepla se nazývá chladič. Volba způsobu chlazení vychází buď jednoznačně nebo s variantami. Schematické znázornění možných variant celkového chlazení je na obr. 7.16. Výjimečnou situací kryogenních prvků se na tomto místě nezabýváme. Pořadí jednotlivých variant na uvedeném obrázku 7.17 je podle dosahované hustoty tepelného toku. Kvantitativni orientaci pro volbu chlazení ukazuje obr.7.17. Přehled nejčastěji se vyskytujících případů odvodu tepla ze zařízení je uvedeno na obr.7.18. U každého způsobu je připojen řádový odhad objemové hustoty tepelného toku, se kterou lze počítat při teplotním rozdílu 40°C mezi vlastním zařízením a okolním prostředím.

Podle způsobu odvodu uvolňovaného tepla z povrchu systému a způsobu předání tepla mimo zařízení můžeme chladicí systémy rozdělit takto : a) přirozené chlazení, b) chlazení nuceným oběhem vzduchu, c) chlazení kapalinou a odpařováním kapaliny, d) termoelektrické chlazení.

162


Přirozené chlazení Přirozené chlazení elektronických součástek je nejjednodušším, spolehlivým a levným chlazením. Odvod tepla je zejména volným prouděním. Nosné desky PS a rovněž i plochy chladičů je třeba umístit svisle. Část tepla je vyzařována a je účelné tedy vhodně upravit povrch chladicích ploch. Chlazení předpokládá odvod relativně malých ztrátových výkonů (řádu jednotek až desítek Wattů), vysoké mezní teploty součástek a zpravidla i použití chladičů. Teplo se odvádí ze skříně větráním, k němuž se využívá přirozeného oběhu vzduchu ve skříni s větracími otvory. Horní a spodní kryt přístroje (obvykle i boční a zadní kryt) musí být opatřeny dostatečným počtem otvorů pro přívod a odvod chladicího vzduchu. Přístroj musí být konstrukčně řešen tak, aby byl zajištěn potřebný přívod studeného vzduchu (např. použitím nožiček). Při návrhu vnitřní zástavby ve skříni musíme dbát na to, aby desky plošných spojů, příp. použité chladiče a konstrukční prvky nebránily přirozenému proudění vzduchu a aby (pokud možno) umožnily vznik tzv. komínového efektu, který zvyšuje ventilační účinky. Především se snažíme odstranit


163

vodorovné plochy a přepážky v cestě proudícího vzduchu. Na deskách plošných spojů (nejlépe svisle umístěných) je potřeba rozměrnější součástky umístit tak, aby nebránily proudění vzduchu. Možné rozložení teplot na desce PS (dva možné návrhy) je na obr. 7.19. Při rozmisťování jednotlivých součástek je vhodné respektovat osvědčenou zásadu co nejlépe vzájemně tepelně izolovat součástky, které pracují s velkými ztrátami a součástky, které jsou citlivé na zvýšení své teploty. Postupuje se dvěma způsoby: buď se součástky s velkým ztrátovým výkonem umístí do větší vzdálenosti, aby teplý vzduch, který kolem nich proudí, neovlivňoval nepříznivě součástky citlivé na zvýšenou teplotu, nebo se výkonové součástky (tj. zdroje tepelného výkonu) umístí přímo na zvláštní kovový chladič, připevněný na šasi přístroje, čímž se jednak zlepší sdílení tepla vedením, jednak zvětší celková plocha přestupu tepla volnou konvekcí a sáláním.

V současné době je ovšem tato osvědčená zásada obtížněji aplikovatelná vzhledem ke stále rostoucí snaze umístit do daného objemu čím dál větší počet součástek. Tím se jednak zmenšuje objem chladicího vzduchu, jednak vyvolává vznik teplotních spádů, které způsobují v různých případech větší či menší obtíže. Všimněme si jako příkladu velmi často se vyskytujícího uspořádání z praktických aplikací - rovnoběžně svisle umístěných desek PS (obr.7.20a). Pomocí grafů uvedených na

164


obr. 7.20b je možno stanovit maximální oteplení vzhledem k okolnímu prostředí při zvolené vzdálenosti od sousedních desek dané výšky h a při různé hustotě tepelného toku p [W/m2]. Přitom se předpokládá, že teplo se rozptyluje na všech místech plochy desek rovnoměrně, hustota tepelného toku je tedy na obou stranách stejná (p1=p2). Dále se předpokládá, že výška desek h = 180 mm. Z naznačených průběhů vyplývá, že oteplení se rychle zvětšuje, jestliže se vzdálenost sousedních desek zmenšuje. Na druhé straně se oteplení i při různé hustotě tepelného toku p příliš nemění, jestliže vzdálenost d zvolíme dostatečně velkou, cca d ³ 20 mm. Konstrukce "malých" zařízení používá jednoúčelové skříňky nebo vychází z vhodné modulové stavebnice. Uzavření prostoru vznikne potom prostým zakrytováním standardního panelu. Pro umožnění proudění vzduchu jsou nutné ventilační otvory ve dnu a horním krytu. Markantní rozdíl v rozložení teplotního pole zcela uzavřené a ideálně větrané skříňky je na obr.7.21. Při montáži do stojanu se musí zajistit přívod chladného vzduchu ke každému zásuvnému bloku (obr. 7.22b). Musí se však dbát na to, aby spodní zásuvné bloky nebyly zdrojem nadměrného tepla, které by zbytečně ohřívalo horní zásuvné jednotky. Lepších výsledků se dá dosáhnout při použití rozváděcích plechů (obr. 7.22c), které zabraňují, aby ohřátý vzduch z dolních částí soustavy přicházel do styku s horní zásuvnou deskou. Tvar rozváděcích plechů musí být zvolen tak, aby nezhoršoval podmínky pro proudění chladicího vzduchu. Doporučuje se sklon plechů < 20°.

Odvod tepla z uzavřeného provedení elektronického zařízení Uzavřené provedení se používá tehdy, jestliže se vyžaduje stínění před elektrickým nebo magnetickým polem nebo jestliže obvody musí být chráněny před prašným nebo chemicky agresivním prostředím. Hovoříme o hermetickém uzavření. Vzduch v bezprostřední blízkosti součástek obvodu předává pohlcené teplo vnitřním stěnám krytu. Teplo se sdílí prouděním a sáláním. Stěnou krytu prostupuje teplo účinkem vedení, kdežto do vnějšího okolí se sdílí vnějším povrchem krytu opět prouděním a sáláním. Z celkového tepelného toku odváděného vnějším povrchem krytu ve tvaru krychle přechází sáláním do vnějšího okolí asi 40 až 50% tohoto toku. Odvod tepla je výrazně ovlivněn tvarem krytu. Nejvhodnější jsou plochá pouzdra (skříně), např. kryt, u něhož poměr


165

mezi výškou a délkou je 0,17, odvede do okolí o 30% více tepla než kryt tvaru krychle stejného objemu. Povrch skříně je možné zvětšit žebrováním. V praxi tedy volíme skříně tvaru rovnoběžnostěnu, jehož vodorovné stěny mají co největší plochu. K tomuto poznatku lze snadno dojít i prostým fyzikálním názorem, protože tepelný tok odváděný prouděním má snahu se pohybovat vzhůru, je pro odvedení tepla do okolí nejdůležitější horní stěna krytu. Z hlediska systému pracujícího v krytu je proto značně nevýhodné, jestliže nad touto stěnou je vedena kabeláž elektrického vedení či rúzná potrubí nebo je-li tu uložena další nosná konstrukce. V tom případě totiž dochází k tepelnému stínění horní plochy krytu. Při konstrukci přístroje určeného k provovu v uzavřené skříni musíme dbát na to, aby v soustavě nevznikla tzv. horká místa. Jejich vzniku lze zabránit několika způsoby: Výkonové sučástky se umístí pokud možno odděleně od součástek, které pracují s menšími tepelnými ztrátami. Uvnmitř uzavřeného prostoru stoupá chladný vzduch vzhůru, proto je výhodné uložit výkonové součástky do horní části krytu, kdežto ostatní rozmístit ve spodní části, kde je poměrně nízká teplota. Jestliže je z nějakého důvodu žádoucí, aby v celém uzavřeném prostoru byla pokud možno stejná teplota, rozmístí se součástky opačně, tzn. výkonové v dolní části. Z hlediska chlazení celého zařízení (skříně) i z hlediska rozložení teploty uvnitř je nejúčinnější umístění výkonových součástek přímo na stěny skříně (např. přes připevňovací chladič, viz str. ), eventuálně největší zdroje tepla pospojovat tepelným vodičem, vyvedeným na vnější chladič. Zvětší se tak množství tepla sdíleného vedením a omezí se tepelný tok, který přenáší prouděním teplo do vnitřního prostoru zařízení. Schématické znázornění je na obr. 7.23. Konečně lze využít nucené konvekce ve vnitřním prostoru. Je potvrzeno praktickými zkouškami, že ventilace uvnitř pouzdra či skříně, kde je umístěno elektronické zařízení, snižuje teplotu v bezprostřední blízkosti součástek a poněkud snižuje (asi o 10%) i průměrnou teplotu prostředí. Je-li třeba odvést do okolí přístroje větší tepelný výkon, musíme do vnitřního prostoru uložit vhodné výměníky tepla, které ochlazují pohybující se vzduch, či jiné chladicí medium. Chlazení s nuceným oběhem vzduchu Tento způsob výrazně zlepšuje chlazení a je typický u otevřených provedení elektronických zařízení. Nucenou ventilací se zvětšuje součinitel přestupu tepla prouděním a zlepšuje se výměna chladicího vzduchu v prostoru zařízení. Existuje totiž určitá hranice pro množství tepla, které může být z

166


omezeného prostoru odebráno způsobem přirozeného chlazení (více než 400 W/m2). Zmenšování rozměrů elektronických zařízení a zvětšování počtu aktivních součástek vyžaduje od konstruktérů stále častěji používat účinných nucených způsobů chlazení. Při nuceném proudění se činitel tepelného přenosu určuje aerodynamickými podmínkami obtékání tělesa a je závislý na rozdílu teplot mezi prostředím a tělesem, na rychlosti pohybu chladicího media a na jeho hustotě. Vliv hustoty v otevřených skříních nevyužijeme (v uzavřeném prostředí můžeme použít vodík, helium nebo fluorid sírový SF6, ten hlavně v silnoproudé elekrotechnice ke zhasínání výbojů), tento vliv oceníme u kapalinového chlazení (viz příští podkapitolu). Jsou tři základní způsoby proudění plynu: laminární, turbulentní a přechodový od laminárního k turbulentnímu. Činitel přenosu tepla při turbulentním pohybu chladicího vzduchu je mnohem větší než při laminárním proudění a proto je nutné dosahovat při chlazení turbulentního pohybu. K vytvoření tahu potřebného k nucenému proudění vzduchu se používají buď axiální (obr. 7.24a) nebo radiální (obr. 7.24b) ventilátory. Při návrhu je potřeba určit potřebnou konfiguraci skříně a určit průtok (m3/min) a rychlost proudícího vzduchu. Také je potřebné vědět, jaké rychlosti vzduchu jsou maximálně dosažitelné s ohledem na účinnost, ekonomická a další hlediska. Na obr. 7.25 vidíme změřenou závislost teploty přechodu Si tranzistoru v závislosti na rychlosti proudícího vzduchu. Při prvním hodnocení je zřejmé, že přínos nízkých hodnot rychlosti v je je výraznější než přínos vyšších hodnot. Při rychlosti 2 m/s se dosáhne zhruba 80% poklesu teploty přechodu. Volba větších rychlostí než 2 až 3 m/s bude v praxi s ohledem na průvodní nepříznivé okolnosti (značná hlučnost, cena) přicházet v úvahu jen ojediněle. Ovšem pouhá instalace ventilátoru - bez zajištění potřebného směrování proudícího vzduchu, zamazení nežádoucích ztrát apod. - nemusí ještě znamenat ekonomický přínos, který se očekává od nuceného vzduchového chlazení. Zvláštní pozornost se musí věnovat pečlivému těsnění proti vnikání falešného vzduchu do skříně. U jednodušších přístrojů lze použít jen jeden ventilátor, bývá umístěn v zadní části přístroje. Proud vzduchu má působit na součástky, které jsou v přístroji největším zdrojem tepla. V moderních přístrojích to bývá napájecí zdroj (viz osobní počítač). U malých přístrojů nevadí, že vynucené proudění je napříč přirozenému proudění (tj. kdy teplý vzduch stoupá nahoru). Složitější je situace u zařízení ve stojanech. Klasické uspořádání je při svislém proudění, ventilátor je společný pro rám (stojan) a je umístěn dole. Chladný vzduch nasávaný při podlaze ventilátorem (který je ve funkci kompresoru) napomáhá přirozenému proudění, viz obr. 7.27. Toto uspořádání je nevýhodné z následujících důvodů: 1. Chlazení je nerovnoměrné. Chladicí vzduch se ohřívá ve spodních partiích a část uniká netěsnostmi skříně. Rozdíl teploty horní a dolní části skříně může činit desítky °C.


167

2. Odsávaný vzduch vstupující do skříně je třeba pečlivě filtrovat. Nečistoty, které nejsou filtrem zachyceny se vlivem turbulentního proudění usazují za hranami a ostrými přechody (napříč proudění). Umístění ventilátoru nahoře (ve funkci vysavače) částečně zlepšuje nerovnoměrné chlazení, zejména se však snižuje usazování nečistot. Získání potřebného podtlaku je však oproti předchozímu případu energeticky náročnější. Používá se proto v kombinaci s ventilátorem dole (obr. 7.27b). Při velkých rozptylových výkonech je nejvhodnější používat samostatné chlazení každé zásuvné jednotky (obr. 7.28), nebo uspořádat ve stojanu rozvod chladicího vzduchu dodávaného centrálním ventilátorem tak, aby nedocházelo k jeho ohřívání v jiných zásuvných jednotkách (obdobně jako na obr. 7.22c). Chlazení kapalinou a odpařováním kapaliny Tyto způsoby se používají spíše výjimečně. Ovšem vzhledem k tomu, že se stále zvětšuje počet zařízení a součástek s velkým výkonem v daném objemu, jsou kapalinové chladiče stále atraktivnější. Jejich nevýhody jsou zřejmé - chladicí kapalina musí být přivedena ať už v otevřeném nebo uzavřeném chladicím systému. Je-li systém otevřený, musí být k dispozici stálý zdroj a jímač. Je-li systém uzavřený, musí obsahovat výměník tepla, sekundární chladič a pumpu. Nicméně však výhody ve smyslu maximálního rozptylu tepla na jednotku objemu nemohou být popřeny. Se standardním typem takového chladiče může být výkon 1 kW rozptýlen v objemu kolem 700 cm3.

168


Chlazení v otevřeném okruhu je typické např, pro polovodičové lasery, kde se užívá chlazení vodpou z veřejného vodovodu. Chlazení v uzavřeném okruhu je časté u výkonových polovodičových součástek. Např. pro tyristory a diody s proudovou zatížitelností 300 A a více jsou již požadavky na chladiče tak vysoké, že chladiče pak vycházejí rozměrné a těžké. Tato skutečnost se projevuje zvláště u aplikací pro velké výkony, kde je obvykle paralelně zapojena řada součástek (např. v zařízeních pro těžké pohony, elektrolýzu). Kapalinové chlazení umožní snížit montážní rozměry zařízení, přičemž odvod tepla ze součástek je velmi účinný. Součástky jsou umístěny na chladiči, uvnitř kterého cirkuluje chladicí kapalina a pohlcuje uvolněné teplo (viz obr. 7.29). Použitím vody místo vzduchu při stejné rychlosti pohybu se přenos tepla zvětší více než stonásobně. Na obr. 7.30. je uvedena varianta chlazení desek PS. Teplo je odváděno do rámu chlazeného vodou. Prostor mezi vodícími drážkami desky a rámu je třeba vyplnit vhodnou vazelinou. Chladicí systém musí zajišťovat práci součástky při libovolné provozní teplotě zařízení, musí mít velkou tepelnou vodivost a kapacitu, musí mít antikorozní a antitoxické vlastnosti. Tyto vlastnosti, které má mít chladicí kapalina, splňuje voda, avšak má omezený rozsah pracovních teplot a schopnost vyvolávat korozi. Používají se dále různé směsi mrazuvzdorných kapalin s vodou. Pracuje-li polovodičová součástka při teplotě pod bodem mrazu vody nebo nad bodem varu, používají se freonové kapaliny.


169

Při chlazení vodou užíváme rychlosti až 5 m/s, připouštíme ohřátí vody o max. 15 K a teplotní spád též max. 15 K, zejména u výkonových elektronek, kde z izolačních důvodů užíváme vody destilované. Tuto pak chladíme vzduchem nebo sekundární vodou, což potřebuje tepelný spád alespoň 10 K. Za těchto okolností potřebujeme pro převedení tepelného výkonu 1 kW plochu jen 140 cm2 a proud vody 1 litr/min. Při chlazení odparném, které užíváme běžně u větších elektronek se ztrátovým výkonem 50 až 300 kW, dochází k ohřátí anody ve vodě na teplotu asi 110°C, což působí bouřlivý var s přenosem tepla až 100 W/cm2, takže pro tepelný tok 1 kW stačí plocha anody 10 cm2. Poněvadž skupenské teplo varu vody je 0,7 kWh/kg, stačí pro tepelný tok 1 kW přívod vody asi 1,4 litru/hod., což ovšem na druhé straně znamená odvod páry ve stejné váze, tj. o objemu asi 2 m3/hod. Páru vedeme do srážníku, odkud kondenzovaná voda stéká vlastní vahou opět do varné nádoby k elektronce. Hlavní výhodou tohoto způsobu chlazení je úspora čerpadla a malé množství chladicího media. Tepelné trubice V posledních letech zaznamenal značné rozšíření nový prvek v oblasti odparného chlazení - tepelné trubice ("heat pipe"). Vyznačuje se pozoruhodnou schopností odvádět teplo z jeho zdroje na jiné místo. Tepelná trubice je definována jako uzavřený dvoufázový teplonosný systém, ve kterém je vysoce intenzivní přenos tepla dosahován v uzavřeném tepelném oběhu s fázovými změnami při odpařování a kondenzaci pracovní látky. Tepelná trubice umožňuje odvedení tepelného výkonu v řádu desítek až stovek Wattů na vzdálenost několika decimetrů ke vhodné chladicí ploše bez spojení elektricky vodivého při malém průměru trubky (5 - 20 mm). Tepelná trubice sestává ze tří částí : - dolní část, která je kovová a spojená s chlazenou součástkou, je krátká (5-15 mm) a naplněná chladicí kapalinou, - střední část, nejčastěji z izolačního materiálu (sklo, laminát, plastická hmota), - horní část, která je kovová, opatřená chladícími křídly nebo spojené se žebrovaným chlazením, v níž pára kapaliny kondenzuje a odevzdává své teplo do okolí. Vnitřní prostor trubica je evakuován a částečně zaplněn pevnou nebo kapalnou fází teplonosné pracovní látky. Zahřívá-li se výparná část tepelné trubice, pracovní látka se odpařuje a pára proudí do kondenzační (ochlazovací) části tepelné trubice, kde kondenzuje a předává své teplo okolnímu prostředí. Pracovní cyklus se uzavírá návratem zkondenzované pracovní látky do výparné části tepelné trubice.

170


Na straně odpařovací je možno snadno docílit pracovního výkonu 10-15 W na 1 cm2 chladicího povrchu (vnitřního povrchu dolní části trubice), na straně chladicí (kondenzační) je však potřebná plocha značně větší, protože kondenzační teplo se uvolňuje s plošnou hustotou pouze 0,1 W/cm2. Proto musí být kondenzační část trubice delší příp. i širší a opatřená vnitřními žebry na rozdíl od podstatně menší části odpařovací. Jednotlivé druhy tepelných trubic lze rozdělit podle jejich : - pracovní funkce, - typu a složení pracovní látky, - způsobu čerpání kondenzátu, - jiných specifických vlastností. Náplň trubice se řídí podle teplotního rozsahu, ve kterém bude pracovat. Metanolová náplň umožňuje činnost od -20°C do 100°C, vodní náplň od 40°C do 150°C, ale např. sodíková náplň pracuje do teplot přibližně 1500°C. Díky podtlaku, který je v trubici, dochází k vypařování a k varu teplonosného media ve výparné části při nižších teplotách, než při atmosferickém tlaku. Vzniklé páry proudí vnitřním prostorem trubice do kondenzační části, kde se srážejí (kondenzují) a předávají teplo vnějšímu okolí. Návrat kondenzátu se uskutečňuje stékáním působením zemské tíže u trubic gravitačních (obdoba knotu u petrolejové lampy) nebo kapilárními silami, které vznikají v kapilární soustavě na vnitřním povrchu tepelné trubice. Gravitační trubice mají vnitřní povrch hladký. Trubice v tomto provedení musí

samozřejmě směřovat při provozu svisle nebo šikmo vzhůru od chlazené součástky, aby kondenzovaná kapalina stékala zpět vlastní vahou, nedá se tedy použít u mobilních zařízení, u nichž by tato poloha nebyla zajištěna. Opatříme-li však vnitřní povrch trubice pórovitým povlakem tkaniny nebo spec. keramiky, bude kondenzovaná kapalina pronikat zpět kapilárními silami, takže trubice bude schopna plnit svou funkci i v obecné poloze s poněkud sníženým výkonem. Kapilární soustavy lze použít tedy i pro odvod tepla shora dolů (antigravitační poloha). Základní vlastností, pro kterou jsou trubice využívány, je schopnost odvádět značné množství tepla (vysoká efektivní tepelná vodivost), mnohonásobně převyšující vedení tepla mědí stejného průřezu na danou vzdálenost (obr 7.32) a také to, že teplo je odváděno bezprostředně z horkého místa a že je vyzařováno dostatečně daleko od chlazeného prostoru. Další výhodné vlastnosti jsou : - nízká hmotnost, - jednoduchost, neobsahuje žádné pohyblivé součásti,


171

- bezhlučnost, - tvarová různorodost, - spolehlivost. Využití tepelných trubic není omezeno pouze na obor elektroniky. Dá se jich použít i k chlazení transormátorů, elektromotorů, brzd a spojek ve strojích

Termostaty Termostaty jsou zařízení pro udržování konstantní teploty; používáme je v elektronických zařízeních všude tam, kde chceme zajistit stálé pracovní podmínky a stálé funkční vlastnosti zařízení a zabránit působení teplotních změn parametrů choulostivých součástí. Nejčastější aplikace termostatů jsou u oscilátorů, u nichž mají zajistit stálost kmitočtu, dále u referenčních normálů v měřicích zařízeních atd. Samotný název "termostat" se používá ve dvojím významu; znamená buď úplné zařízení udržující konstantní teplotu v daném prostoru, nebo jen klíčovou část tohoto zařízení, tj. tepelné čidlo, nejčastěji kontaktní teploměr (tepelný spínač). Zde budeme tohoto názvu užívat v širším smyslu. Každý termostat se skládá ze čtyř funkčních součástí a to : 1. tepelně izolovaný prostor, v němž je uložena část elektronického zařízení, která má být udržována na stálé teplotě (chráněný objekt), 2. zdroj tepla nebo chladu, 3. teplotní čidlo, 4. elektrický aktivní obvod, který podle údajů čidla řídí tepelný nebo chladicí výkon zdroje tepla. Tepelně izolovaný prostor omezený svými stěnami má dvojí úkol: jednak zamezit vlivu okolní teploty na chráněný objekt a jednak rozvést tepelný tok dodávaný zdrojem do celého izolovaného prostoru. Konstruuje se proto jako soustředěné příp. souosé uspořádání dvou kovových krytů vzájemně tepelně izolovaných vrstvou pórovitých materiálů, např. pěnových makromolekulárních hmot (pro teploty do 50 - 60°C) nebo vrstvou skleněných vláken nebo

172


jiné anorganické izolace pro teploty vyšší. Vnitřní kovový kryt bývá z materiálu s dobrou tepelnou vodivostí (měď, hliník), vnější kryt může být i z ocelového plechu, poněvadž jeho hlavní funkcí je mechanická ochrana tepelné izolace. Velikost vnitřního prostoru je určena nelikostí elektronického funkčního dílu, který má být v něm umístěn, velikost vnějšího krytu je pak určena požadavkem na dodkonalost tepelné izolace vůči okolí, tj. na požadovanou velikost tepelného odporu izolace Rti. Zdrojem tepla v termostatu bývá nejčastěji topný odpor, protékaný elektrickým proudem, někdy též chladicí vložka (spojena s chladicím soustrojím) nebo soustava Peltierových článků (Peltierova baterie). Volba zdroje tepla určuje též pracovní teplotu termostatu; volíme-li topný odpor (který nemůžeme chladit), musí být pracovní teplota termostatu vyšší než maximální teplota okolí, tj. obvykle 50°C i výše, pro tropy minimálně 70°C. Volíme-li chlazený termostat (tzv. kryostat), musí být jeho pracovní teplota vždy nižší než teplota okolí, obvykle -20 až -30°C. Pouze při použití Peltierových článků, u nichž je možno dosáhnout chladicí i ohřívací funkce pouze změnou směru el. proudu, je možno volit pracovní teplotu termostatu v intervalu běžných teplot okolí a tak snížit potřebný topný nebo chladicí výkon na minimum. Důležitým činitelem je umístění zdroje tepla v termostatu. Aby uvnitř chráněného prostoru byly co nejmenší rozdíly teploty, je nutné rozvést přivedené teplo co nejrovnoměrněji po celém prostoru. Proto umisťujeme zdroj tepla vždy těsně na vnitřní kryt termostatu, případně rozkládáme jej rovnoměrně po větší části tohoto krytu, aby přestup tepla byl co nejlepší. Topné odpory např. vineme obvykle izolovaným odporovým drátem rovnoměrně rozloženým na vnější povrch vnitřního krytu termostatu. Peltierovy články rozkládáme po celé stěně nebo do dvou protilehlých stěn termostatu. U malých termostatů může být zdrojem tepla výkonový tranzistor přišroubovaný ke hliníkové kostce, která obsahuje chráněný objekt. Teplotním čidlem pak může být v nejjednodušším případě rtuťový kontaktní teploměr (se zataveným drátkem v poloze příslušné teploty) nebo dvojkovová spirála s kontaktem, pro přesnější stabilizaci teploty pak platinový teploměr, drátové odporové čidlo (můstkové uspořádání) nebo termistor. Také u tepelného čidla je důležité umístění, poněvadž vlastní tepelná kapacita čidla ve spojení s přechodovým odporem tvoří zpožďovací časovou konstantu, určující dobu odezvy regulace teploty. Aby tato byla co nejkratší, je opět nutné dosáhnout co nejmenšího tepelného odporu mezi čidlem a vnitřní stěnou termostatu. Elektronický obvod, který řídí topný výkon v závislosti na údaji teplotního čidla, může pak pracovat nespojitě (jako spínač) nebo spojitě (jako regulátor výkonu). V prvém případě při použití kontaktního prvku čidla stačí splnit požadovanou funkci aktivního obvodu jednoduché relé (obvykle se zesilovačem [SO 12/1960:719] nebo spínací tranzistor, ve druhém případě potřebujeme spojitě pracující zesilovač. V tomto případě můžeme při pečlivém návrhu a konstrukci realizovat termostaty se stálostí teploty lepší než 10 až 1 mK. Abychom mohli správně hodnotit a respektovat všechny vlivy a vyšetřit jejich účinky na ustálenou funkci termostatu i na přechodové vlivy při změnách pracovních podmínek, můžeme využít popsané metody elektrotepelných analogií a pro každé konstrukční uspořádání odvodit tepelné náhradní schema.


173

Příklad takového schématu je na obr. 7.34. Kde značí : Z - zdroj tepla v termostatu Č - čidlo A0 - aktivní obvod řídící topení Cc - tepelná kapacita čidla Rzk - tepelný odpor mezi zdrojem a přilehlou částí vnitřního krytu Rck - tepelný odpor mezi čidlem a krytem Ckl - tepelná kapacita jedné části vnitřního krytu Rk - tepelný odpor mezi oběma částmi vnitřního krytu Ck2 - tepelná kapacita druhé části vnitřního krytu CO - tepelná kapacita chráněného objektu R1, R2 - tepelné odpory mezi chráněným objektem a částmi krytu R11, R12 - tepelné odpory mezi částmi vnitřního krytu a vnějším krytem RV - tepelný odpor mezi vnějším krytem a okolím CKV - tepelná kapacita vnějšího krytu ZO - zdroj tepla v teplotě okolí Chování tohoto náhradního zapojení můžeme pak analyzovat běžnými metodami analýzy elektrických obvodů, modelovat na počítači apod. Mnohdy však stačí prostý pohled na náhradní zapojení, abychom si uvědomili základní funkční souvislosti. Tak například z uvedeného schématu můžeme odvodit, že za předpokladů Rk << Rzk, Rk << Pck, R1 = R2 > Rzk, R11 = R12 >> Rzk můžeme odhadnout časovou konstantu tepelné regulace na tr = Rzk (Ck1 + Ck2) + Rck Cc dále časovou konstantu pronikání vnější teploty tV = RV CKV + R11 Ck1 + 1/2 R1 Co dále součinitel pronikání změn vnější teploty na objekt K = Rk /2 R11 a řadu dalších vztahů užitečných pro optimalizaci návrhu. Z uvedených vztahů je např. jasné, že časovou konstantu tR je třeba vytvořit co nejkratší, a to snížením odporů Rzk a Rck, tj. těsnou blízkostí topného členu a čidla. Dále je zřejmě výhodné, aby ostatní časové konstanty, zejména tV byly podstatně větší než tR. Změnou umístění čidla mezi oběma polovinami vnitřního krytu, tj. mezi koncovými body rezistoru Rk, je možné ovlivnit nebo úplně vykompenzovat pronikání vnější teploty na chráněný objekt v termostatu.

174


Ze schématu je dále zřejmé, že je výhodné zajistit splnění nerovností shora naznačených, tj. co nejmenší velikost tepelných odporů Rk mezi oběma částmi vnitřního krytu, dále Rzk mezi topným prvkem a vnitřním krytem a Rck mezi vnitřním krytem a čidlem. Dále je zřejmé, že odpory Rzk a Rck by měly mít co nejmenší vlastní tepelnou kapacitu, poněvadž jinak by hrozila ztráta stability zpětnovazební smyčky a nebezpečí teplotních oscilací. 8.5.3

Chlazení polovodičových součástek

Součástky jsou vždy konstruovány pro vhodný způsob chlazení, které zajistí, aby při běžných provozních podmínkách nepřekročila teplota udanou hodnotu. Malé součástky (do výkonu cca 1 W) jsou navrženy tak, aby se vznikající teplo stačilo odvést sáláním z povrchu krytu a konvekcí podél přívodů. Někdy se k odvodu tepla užívá i měděná fólie plošného spoje, ke kterému je součástka upevněna. Například u diod v plastikovém pouzdru typové řady KY130 a KY132 nebo u referenčních diod ve skleněném pouzdru typové řady KZ260 výrobce doporučuje ponechat vývody dostatečně dlouhé a ke zvýšení účinnosti odvodu tepla ponechat v místě připájení vývodů pokud možno velkou plochu měděné fólie plošného spoje (použít metodu dělicích čar při návrhu plošných spojů). U součástek určených pro větší výkony vzniká takové množství tepla, že se nemůže odvést do okolního prostředí přes povrch pouzdra popř. přívody k nim připojenými. Tyto součástky je nutno montovat na chladiče, které vzniklé teplo převádějí do okolního prostředí. Je proto třeba zabývat se odvodem tepla z výkonových polovodičových diod, výkonových tranzistorů a výkonových integrovaných obvodů. Pozornost je třeba věnovat velikosti vznikajícího tepla (ztrátovému elektrickému výkonu), tepelnému odporu, omezení teploty přechodu(ů) PN a odvodu tepla chladičem (je-li použit). K úvahám použijeme elektrotepelných analogií (tj. modelování tepelných obvodů analogickými obvody elektrickými-což plyne z matematické podobnosti rovnic vedení tepla a Ohmova zákona). U polovodičových prvků jsou zdrojem tepla přechody PN a také Jouleovo teplo na ohmických oblastech polovodiče. Maximální tepelná energie, kterou součástka zvládne, aniž je teplem poškozena nebo zničena (tj. především tepelný průraz v důsledku vnitřního vývinu tepla nebo by mohlo dojít k dosažení tzv. druhé aktivační teploty polovodiče; u germaniových součástek docházelo k odtavení indiové pájky), závisí na polovodičovém materiálu a na opatřeních podniknutých pro obvod tepla z vlastního systému. Zvýšená teplota má ovšem vliv i na vlastnosti obvodu (posun pracovního bodu) a jeho spolehlivost. Z grafu na obr. 7.35 lze vyčíst, že v praktickém rozmezí provozních teplot (do 200 oC) znamená teplotní rozdíl na přechodu součástky 40 až 50 oC změnu v intenzitě poruch přibližně o 1 řád. U složitých zařízení je to již podstatný rozdíl. Proto je účelné zajistit teplotu součástek nižší, než je výrobcem uváděná maximální teplota Jjmax. Ta bývá u germania cca 100 oC a u křemíku cca 200 oC. Tím se myslí teplota čipu, maximální teplota pouzdra je nižší. Index j pochází od slova junction (přechod), původně označoval teplotu kolektorového přechodu tranzistoru; též se užívá indexu v (vnitřní), tj. např. Jvmax. V následujících odstavcích budeme zkoumat tepelné poměry při chlazení výkonových polovodičových součástek (z ostatních součástek se občas chladí rezistory, někdy transformátory a ovšem také elektronky, pokud se ještě používají), a to zejména výkonových tranzistorů. Je třeba rozlišit stacionární a nestacionární případ. Při řešení odvodu tepla z polovodiče měl by konstruktér zařízení v prvé řadě zjistit, kolik energie bude rozptylováno při jeho konkrétní aplikaci, a to buď při provozu trvalém, jednorázovém nebo impulsním. Potom by měl stanovit maximální teplotu okolí, a to jak


175

mimo zařízení, tak i uvnitř zařízení v bezprostřední blízkosti polovodičů, což je ještě důležitější. Tepelné pochody v soustavě výkonová součástka - okolí Zatěžovací schopnosti výkonové součástky (dále VS) jsou při různých pracovních podmínkách určovány především charakterem tepelných pochodů probíhajících v soustavě VS - okolí. Působením elektrického výkonu P, který je rozptylován na čipu součástky, se vytváří tepelný tok, který proudí z tohoto čipu na pouzdro součástky a odtud do okolního prostředí. Součástka klade procházejícímu tepelnému toku určitý odpor, který závisí na fyzikálních vlastnostech materiálu a povrchu součástky, na jeho teplotě a na vlastnostech prostředí. Přesný model tepelných poměrů v takovéto soustavě by vedl k řešení tepelné soustavy s velkým počtem neznámých a obtížně zjistitelných parametrů. Na základě úvah však můžeme dospět k jednoduchému modelovému řešení pomocí lineárního elektrického obvodu, v němž jsou tepelné veličiny zaměněny analogickými veličinami elektrickými. Musíme však zavést několik předpokladů: - polovodičový materiál (čip) a kryt VS jsou dvě stejnorodá tělesa s tepelnými kapacitami C1 a C2 - teplota na celém čipu je stejná a rovna Jj - teplota celého pouzdra je stejná a rovna Jc - tok tepelné energie je obdobou toku elektrického náboje, tj. elektrického proudu v náhradním obvodu - rozdíl teploty je obdobou elektrického napětí v náhradním obvodu - tepelný odpor je obdobou lineárního elektrického odporu v náhradním obvodu Pro nestacionární režim soustavy VS-okolí s uvažováním přijatých předpokladů lze odvodit vztah pro výpočet převýšení teploty čipu nad teplotu okolí: ∆ϑnest .

t − ⎛ τ2 ⎜ = ϑ j − ϑa = PC ⋅ Rti 1 − e ⎜ ⎝

t t ⎡ − − ⎞ ⎛ −t ⎟ + P ⋅ R ⎢1 − 1 ⎜ e τ1 + τ e τ 2 − 2τ e τ 2 2 1 ⎟ C ta ⎢ τ 2 + τ 1 ⎜ ⎠ ⎝ ⎣

⎞⎤ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎠⎦ (7.9)

kde Jj [oC] je teplota kolektorového přechodu, Ja [oC] - teplota okolí (a = ambient, okolní). Pc [W] - výkonová ztráta VS, Rti [K/W] - tepelný odpor mezi čipem a pouzdrem VS, Rta [K/W] - tepelný odpor mezi pouzdrem VS a okolím, t1; t2 [1/s] - časová konstanta ohřátí čipu a pouzdra VS Rozbor rovnice (7.9) ukazuje, že proces ohřevu VS je podřízen zákonu superposice složek s časovými konstantami t1 a t2. Pro t2 >> t1 mizí za velmi krátkou dobu složka obsahující časovou konstantu t1 a rovnice (7.9) přechází na přibližný vztah ∆ϑ nest .

t − ⎛ τ2 ⎜ = PC ⋅ Rt1 + PC ⋅ Rt 2 ⋅ 1 − e ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

(7.10)

176


Rovnice (7.10) dovoluje stanovit maximální hodnotu výkonové ztráty PCmax pro nestacionární tepelný režim s trváním ohřevu srovnatelným s časovou konstantou ϑ j max − ϑaτ 2 PC max = (7.11) Rt1 + Rt 2 ⋅ 1 − e −t / τ 2

(

)

kde Tjmax je maximální teplota přechodu udávaná výrobcem VS. Náhradní schema tepelného obvodu VS pro nestacionární režim při t2 >> t1 nalezneme na obr. 7.36b. Při ohřevu VS jednotlivými krátkodobými impulsy srovnatelnými s časovou konstantou t1 přejde rovnice (7.9) na tvar

(

∆ϑnest . = PC ⋅ Rt1 1 − e −t / τ1 (7.12)

)

odtud PC max =

ϑ j max − ϑa

(

Rt1 1 − e −t / τ1

)

(7.13)

V případě stacionárního tepelného režimu VS-okolí (t -> ¥) bude celkové převýšení teploty čipu nad okolní teplotu rovno ∆ϑ st . = ϑ j − ϑ a = PC (Rt1 + Rt 2 ) (7.14) Rovnice (7.14) umožňuje sestavit náhradní elektrické schema stacionárního tepelného děje soustavy VS-okolí, které je uvedeno na obr. 7.36a. Maximální přípustnou výkonovou ztrátu v ustáleném stavu lze zjistit z rovnice (7.14), dosadíme-li za Tj maximální teplotu přechodu J jmax, udávanou výrobcem PC max =

ϑ j max − ϑa Rti + Rta

(7.15)

Hodnota tepelného odporu Rti je určena typem tranzistoru (je udávána v katalogu). Velikost povolené výkonové ztráty je proto možno zvýšit jedině zmenšením odporu Rta (při téže teplotě okolí). Toho lze dosáhnout vhodným chlazením VS. Pouze u nestacionárního režimu, v případě, že platí rovnice (7.13), v níž není obsažen člen Rta, není VS chráněna přídavným chlazením před výkonovým přetížením. Přetěžovací charakteristika výkonového tranzistoru Jak vyplývá z rozboru nestacionárního tepelného děje a je potvrzeno průzkumem, nemá velikost chladicí plochy podstatný vliv na přetěžovací schopnost výkonového transistoru. Znalost přetěžovací charakteristiky výkonových transistorů dává předpoklady pro správnou volbu jejich jmenovitého výkonu. Měření přetěžovací charakteristiky je prováděno jednotlivými impulsy napájecího napětí s délkou od 10 ms do cca 1s. Výsledky ukazují, že koeficient dovoleného přetížení výkonového tranzistoru krátkodobými jednotlivými impulsy je dán hlavně délkou impulsu a prakticky nezávisí na


177

způsobu chlazení. V praxi můžeme počítat s přetížením 5x pro impuls délky 10 ms, 3x pro impuls 50ms a 2x pro impuls 500 ms. Ustálený stav při chlazení polovodičových součástek V dalším výkladu budeme uvažovat ustálený stav, tj. nastalou rovnováhu mezi teplem přiváděným (vyvinutým) a odváděným. Tento stav odpovídá podmínkám normálního zatěžování součástky stejnosměrným výkonem. Může to být i zatěžování periodicky se opakující, pokud je doba periody mnohem kratší, než je nejmenší tepelná časová konstanta kdekoliv v soustavě. U diody (tyristoru, triaku) je ztrátový výkon roven součinu UDID. U bipolárního tranzistoru jde o ztrátový výkon na emitorovém a kolektorovém přechodu. Ztrátu na emitorovém přechodu můžeme obvykle zanedbat a uvažovat pouze PC = UCEIC. Za zmínku stojí, že symbolem PC se často obecně označuje výkonová ztráta (také značená PT, T = total). U unipolárního tranzistoru jde o ztrátový výkon UDSID. V náhradním schématu není třeba uvažovat tepelné kapacity (obr. 7.36). Tepelný tok P(i) vychází ze zdroje, který má teplotní rozdíl Jj - J a, kde Ja je teplota okolního prostředí. Tepelný tok prochází sériově a paralelně zapojenými tepelnými rezistory Rtx (které vytvářejí celkový tepelný odpor). Tepelné odpory vyjadřují schopnost vést teplo pro jednotlivé dílčí materiály a spoje, kterými tepelný tok prochází do okolního prostředí o teplotě Ja. Je-li ztrátový výkon konstantní, bude teplota přechodu Jj tím menší, čím menší je celkový tepelný odpor Rt soustavy a čím menší je teplota prostředí. Procházející tepelný tok vytváří na jednotlivých tepelných odporech úbytky teploty. Největší teplota, tj. teplota čipu j je u zdroje tepelného toku. Za každým tepelný odporem se teplota snižuje o hodnotu danou součinem tepelného toku a hodnoty tohoto tepelného odporu. Hodnotu každého tepelného odporu v náhradním schématu můžeme vyjádřit jako podíl úbytku teploty na tomto odporu a tepelného toku. Protože se celý ztrátový výkon součástky mění v tepelný tok, můžeme tento tok vyjádřit přímo v hodnotách elektrického ztrátového výkonu, kterým je součástka zatěžována. Velikost tepelného toku pak udáváme ve wattech. Pro výpočet kteréhokoliv tepelného odporu potom stačí znalost úbytku teploty, tj. rozdílu teplot na tomto odporu ve stupních Celsia [oC]. Tepelný odpor se vyjadřuje v jednotkách [oC/W] nebo [K/W]. Znalost kvantitativních hodnot tepelných odporů je pro praxi velmi důležitá, neboť umožňuje technické výpočty zatížitelnosti tranzistoru. Dříve uvedeným způsobem lze ovšem v praxi určit jen ty tepelné odpory nebo skupiny těchto odporů, na kterých můžeme nějakým

178


způsobem, např. měřením, určit rozdíl teplot. Pro použití v praxi se tedy řetězec tepelných odporů Rt rozděluje do několika částí, které se definují samostatně jako vlastnost tranzistoru a jeho chladicího zařízení. Provoz bez chladiče - vnitřní a vnější tepelný odpor Uvažujeme, že polovodičová součástka (např. tranzistor) je provozována bez chladiče. Na obr. 7.37a je znázorněn model takovéto soustavy a na obr. 7.37b je pak nakreslen příslušný náhradní obvod. V obr. 7.37 značí: Jj teplotu přechodu polovodiče, JC teplotu pouzdra

součástky, Ja teplotu okolního prostředí (teplota je udávána buď ve oC nebo v K), dále it = P značí tepelný proud, daný rozptylovaným ztrátovým výkonem [W]. Zavádí se tzv. teplotní napětí, které je udáváno ve oC, popř. v K, přičemž uto = Ja značí teplotní napětí (= teplota) okolního prostředí, uti = Jj - Jc tepelný spád na vnitřní tepelném odporu součástky. Mezi teplotou čipu Jj a teplotou pouzdra JC vzniká určitý teplotní spád Jj - Jc. Přístup tepla mezi systémem a pouzdrem závisí pro určitý typ součástky na její konstrukci. Je charakterizován tzv. vnitřním tepelným odporem ϑ j − ϑc Rti = [K/W, oC, W] PC který je uváděn jako katalogový údaj. Teplota pouzdra a tím i samozřejmě čipu je závislá na teplotě okolního prostředí. Tepelný tok P vytvoří teplotní spád mezi teplotou pouzdra TC a teplotou prostředí Ta. V ustáleném režimu lze proto stanovit druhý, vnější tepelný odpor součástky ϑ − ϑa [K/W, oC, W] Rta = c PC závislý na tepelných vlastnostech pouzdra (plocha povrchu, materiál) a charakteru prostředí. Celkový ztrátový výkon součástky, užívané bez chladiče, je roven součtu jeho vnitřního Rti a vnějšího Rta tepelného odporu


Rt = Rti + Rta =

179

ϑ j − ϑa PC

který charakterizuje přenos tepla z čipu do okolního prostředí celkově. Tepelný odpor Rt udává, o kolik se zvýší teplota čipu nad teplotou okolí při výkonové ztrátě 1 W. Provoz s chladičem Ze způsobu šíření tepla uvnitř (převážně vedením) a vně (sáláním, konvekcí) součástky vyplývá, že vnitřní tepelný odpor Rti je vždy výrazně menší než Rta, tj. Rti << Rta (7.19) Ke zvětšení přípustné výkonové ztráty součástky PC, omezené mezní povolenou teplotou čipu Tjmax, je tedy jediná cesta, zmenšit celkový tepelný odpor zmenšením jako vnějšího tepelného odporu. K vnějšímu odporu pouzdra se paralelně řadí tepelný odpor chladiče Rtx. Pokud je plocha chladiče výrazně větší než povrchová plocha pouzdra, může být odpor Rta zanedbán (Rtx << Rta) a celkový tepelný odpor soustavy tranzistor - chladič je Rt = Rti + Rtx Tepelný odpor chladiče Rtx se skládá ze dvou složek, stykového odporu pouzdra tranzistoru s chladičem Rts a vnějšího tepelného odporu chladiče Rtr, tj. Rtx = Rts + Rtr. Pro návrh nás budou zajímat konkrétní hodnoty. Vnitřní tepelný odpor Rti udávají výrobci v katalozích jako hodnotu ohraničenou zprava. Pohybuje se v rozmezí asi od 0,5 K/W do asi 20 K/W podle druhu součástky. Poznamenejme, že u bipolárních tranzistorů v souvislosti s druhým průrazem, je vnitřní tepelný odpor tranzistoru závislý na kolektorovém napětí. Pokud hodnota napětí UCE není v údajích specifikována, můžeme ji zjistit z dovolené pracovní oblasti tranzistoru. Je to napětí, do kterého platí omezení zatížitelnosti tranzistoru výkonem Pmax a od kterého počíná redukce zatížitelnosti s ohledem na druhý průraz. Dále výrobci často uvádí celkový tepelný odpor součástky Rt dle rovnice (7.18). Bývá totiž Rt = Rta (jak již bylo uvedeno v rovnici (7.19)). Např. u tranzistorů řady KD501 až 503 je Rti = 0,8 oC/W a Rta = 30 oC/W. Pokud tepelný odpor Rta není uveden, pak použijeme údaj o tepelném odporu pouzdra, ve kterém je součástka montována. Takový údaj platí pro daný typ pouzdra obecně a může být převzat z jiných podkladů, např. z údajů o jiném tranzistoru v tomtéž pouzdře. Např. pro jednotlivá pouzdra výkonových tranzistorů jsou udávány tyto typické hodnoty: Pro pouzdro TO-8 je 75 oC/W, pro TO-60 70 oC/W, pro TO-66 60 oC/W, pro TO-3 30 oC/W, pro TO-36 je 25 oC/W. Podle těchto hodnot vidíme, že výkonové součástky můžeme použít při podstatném omezení výkonového zatížení bez přídavného chladiče (podle toho, kolik tepla umožňují předat do prostředí geometrické rozměry pouzdra). Stykový odpor Rts zahrnuje všechny dílčí tepelné odpory, které leží mezi pouzdrem a jeho přídavným chladičem. Jeho velikost záleží na způsobu montáže součástky k chladiči, zejména na přítlačné síle, rovinnosti dosedacích ploch, materiálu a tloušťce izolační podložky, je-li použita, a na prostředcích pro zlepšení odvodu tepla, jsou-li použity. Tyto vlivy uvedeme později. Tepelný odpor styku tranzistoru s chladičem má být vždy co nejmenší. V praxi

180


dosahuje hodnot asi 0,2 až 1 oC/W. V mnoha případech, kde je tepelný odpor chladiče podstatně větší, můžeme tento tepelný odpor Rts zanedbat. Tam, kde pracujeme s velkými výkony a s chladiči o malém tepelném odporu (tj. odpory Rts a Rtr jsou zhruba srovnatelné), se však tepelný odpor Rts uplatňuje výrazně, a proto je nutno mu věnovat z hlediska jeho (mechanického) provedení zvýšenou pozornost.Za typické lze považovat údaje o stykových tepelných odporech dle tab. 7.3. Tab.7.3 Typické stykové odpory Rts Stykové plochy

Rts [oC/W]

Přímý kontakt pouzdro-chladič Al, hladké plochy Dtto, stykové plochy potřeny silikonovou vazelínou Tepelný kontakt s elektrickou izolací (slídová podložka, hladké stykové plochy) Dtto, stykové plochy potřeny silikonovou vazelínou

0,4 0,2 0,8 0,6

Naopak, považujeme-li malý chladič (tj. s velkým tepelným odporem), může se při odvodu tepla zčásti uplatňovat i vnější tepelný odpor (viz též obr. 7.38, kde je vyznačen čárkovaně). Dříve uvedených vztahů je možné použít k výpočtu tepelných odporů, které udávají chladicí podmínky tranzistoru zatíženého určitým výkonem P. V praxi nejčastěji počítáme velikost tepelného odporu chladiče, jaký je potřebný pro dané podmínky provozu. K tomuto odporu Rtr potom určíme velikost zvoleného typu chladiče. Postup je následující: 1. Uvažujeme polovodičovou součástku upevněnou na chladiči. Platí tedy Rt = Rti + Rts + Rtr 2. Současně platí, že celkový tepelný odpor, který odpovídá požadovanému výkonu PC, lze určit pomocí maximální přípustné teploty čipu Tjmax a nejvyšší uvažované teploty okolního prostředí Tamax, při které bude součástka (zařízení) pracovat. Platí Rt =

ϑ j max − ϑa max PC

3. Zbývá tedy určit tepelný odpor chladiče Rtr = Rt − (Rti + Rts ) =

ϑ j max − ϑa max PC

− (Rti + Rts )

a pro tuto hodnotu navrhnout chladič. 4. Dbáme, aby byla zachována dostatečně rezerva z hlediska spolehlivosti. Mějme např. tranzistor, jehož vnitřní tepelný odpor Rti = 1 oC/W. Chceme jej zatěžovat výkonem 30 W při teplotě okolí Ja = 50 oC tak, aby teplota přechodu Jj nepřesáhla 130 oC. K tomu potřebujeme, aby celkový tepelný odpor Rt byl nejvýše Rt =

130 − 50 = 2,6 o C / W 30


181

V této hodnotě jsou zahrnuty všechny složky podle obr. 7.38. Tepelný odpor Rti je udán, tepelný odpor Rts odhadneme na 0,3 oC/W. Musíme tedy použít chladič, jehož tepelný odpor bude nejvýše o Rtr = Rt − Rti − Rts = 2,6 − 1 − 0,3 = 1,3 C / W . Povšimněte si, že na výsledné vnitřní teplotě se podílí i teplota okolí Ja podle vztahu

ϑ j = ϑ a + Rt PC Naopak, ze vztahu PC max =

ϑ j max − ϑa max Rt

vypočítáme maximální přípustnou výkonovou ztrátu PCmax, nemá-li teplota čipu Jj přestoupit svoji maximální hodnotu Tjmax ani při největší očekávané teplotě okolí Jamax. Z předchozích vztahů je vidět, že maximální zatížení součástky můžeme zvýšit, snížíme-li teplotu okolního prostředí. Toto zvyšování je omezeno absolutní mezní hodnotu udávanou pro každý typ součástky, která je stanovena z hlediska životnosti a spolehlivosti součástky. Kontrola ověření tepelného režimu součástky můžeme provést určením teploty čipu Jj, která odpovídá známému výkonu P rozptylovanému v součástce. Protože pro celkový tepelný odpor mezi čipem a okolním prostředím platí Rt = (ϑ j − ϑ a )PC , bude mít čip teplotu ϑ j = ϑ a + Rt PC . Máli být dodržen tepelný režim součástky, musí platit Jj < Jjmax, P < Pmax, přičemž Jjmax a Pmax jsou mezní parametry uvedené pro daný typ součástky v katalogu. Při výpočtech je však třeba mít na zřeteli, že naznačený postup výpočtu je oprávněn pouze pro takové režimy chlazeného prvku, které lze uvažovat jako stejnosměrné. Je-li uvažovaný prvek zatěžován střídavým proudem nebo impulsy, je třeba pro správný návrh chlazení vycházet z tzv. přetěžovacích charakteristik, resp. z přechodového tepelného odpru. Bližší údaje nalezne zájemce v literatuře. Dále uvedené vztahy pro chladiče jsou ovšem použitelné obecně. Z hlediska návrhu rozměrů chladiče vyplývá z dosavadních úvah rozhodující význam 1 , požadovaného tepelného odporu Rtr. Pro jeho stanovení platí obecná úměra Rtr ≈ F ⋅ h ⋅η kde F je plocha chladiče h je součinitel přestupu tepla h je účinnost chladiče

182


V tomto vztahu jsou skryty všechny zásadní problémy, spojené s návrhem chladiče. Jeho vnější tepelný odpor je především nepřímo úměrný chladicí ploše. Druhým rozhodujícím parametrem je komplexní činitel přestupu tepla mezi chladičem a okolím, ke kterému většinou dochází sáláním a konvekcí. Činitel h proto závisí na mnoha okolnostech. K nejdůležitějším patří konstrukční provedení chladiče (rovná nebo profilovaná deska, materiál, barva povrchu), charakter (přirozený nebo nucený oběh vzduchu, volný nebo uzavřený prostor, komínový efekt) a teplota prostředí, orientace desky nebo žeber (vodorovná, svislá) v prostoru atd. Stanovení činitele h je největším problémem při návrhu chladiče. Účinnost chladiče y vyjadřuje nerovnoměrné rozložení teploty chladiče směrem od zdroje (výkonové součástky). Závisí na materiálu chladiče (Cu, Al, Fe...) a na poměru plochy a tloušťky chladiče. Tepelný odpor není konstantní veličinou ani při dané určité konstrukci, závisí na proudění vzduchu kolem chladiče a na vyzařovaném výkonu z něho. Z příkladu na obr. 7.39 který je uvažován pro vějířovitý chladič středního výkonu, je patrno, že tepelný odpor Ptrůže kolísat až o 75 % v závislosti na vyzářeném výkonu a až o 250 % v závislosti na proudu vzduchu. Proto není postačující uvádět pouze tepelné odpory chladiče - konstruktérovi je nutno poskytnout soustavu křivek růstu teploty přechodu a pouzdra nad okolní teplotu s ohledem na rozptyl energie pro různá prostředí. Pro polovodičové prvky bylo navrženo velké množství různých druhů chladičů. Řadu z nich je možno zakoupit, buď již jako hotový chladič, nebo jako tažený profil (hutní materiál), ze kterého se odřízne kus patřičné délky. Tyto chladiče mohou být rozděleny zhruba do pěti skupin podle funkce a množství energie, kterou jsou schopny rozptylovat: a) násuvné (sponkové nebo přítlačné), pro součástky s drátovými vývody (0,5 až 2 W) b) upevňovací (k připevnění na plošný spoj nebo šasi) pro součástky s drátovými vývody (0,5 až 3 W) c) deskové (do cca 30 W) d) vějířové e) žebrované (tři až několik set wattů) Údaje o rozptýlených výkonech jsou přibližné při přirozeném chlazení vzduchem. Pro větší výkony (250 W a výše) je třeba použít kapalinové chladiče (včetně jejich speciálního případu - tepelných trubic). Jak již bylo uvedeno, chlazení polovodičových součástek je ovlivňováno celou řadou vlivů, které lze velmi obtížně brát v úvahu (lokální proudění, způsobem umístění, jinými teplými předměty v blízkosti atd.). V praxi se při návrzích chladicích zařízení většina těchto jevů zanedbává. Pouze některé nejvýznamnější vlivy bývají brány v úvahu ve formě korekčních činitelů. Podle druhu provedených zjednodušení se mohou poněkud lišit i výsledné vztahy pro výpočet chlazení. V literatuře se skutečně setkáváme s různými víceméně přesnými vzorci, které někdy dávají i značně rozdílné výsledky. Násuvné chladiče (sponkové či přítlačné) jsou používány u součástek s relativně malými výkony ( 0,5 až 2 W), které jsou napevno připájeny do desky s plošnými spoji.


183

Tvarově jde o různé kroužky, praporky, hvězdičky nebo "větrníky" stočené z plechu (obr. 7.40). Užívají se pro chlazení tranzistorů v pouzdrech TO-5, TO-8, TO-18 apod., někdy i pro součástky v plastových pouzdrech. Vzhledem k tomu, že chladič je umístěn na pouzdře v oblasti "čepičky" a čip je v oblasti základny (vývodů), vyznačují se velkým vnitřním tepelným odporem a nejsou vhodné pro ztrátové výkony nad 2 W. Jejich výhodou je levnost a snadná montáž a to, že nezabírají žádnou plochu na desce plošných spojů. Navíc je možná i stabilizace teploty dvou součástek sponkami, konstruovanými tak, aby obě součástky byly vedle sebe. Někdy se setkáváme s násuvnými chladiči z tažených hliníkových profilů (obr. 5.37) Nejvhodnějším materiálem pro sponkové a přítlačné chladiče je beryliová měď nebo fosforbronz. Mosaz nebo hliník slouží jako náhražky. Upevňovací chladiče jsou podobné násuvným, jsou však hmotnější a proto musí být upevněny k desce plošných spojů nebo k šasi (přišroubováním, přinýtováním). Název upevňovací pochází od toho, že chladič také součástku upevňuje (součástka již nemůže být držena jen svými vývody). Dvě běžná provedení ukazuje obr. 7.41. Jako upevňovací chladič je možné použít točených profilů podle obr. 7.42. Současně je uvedena křivka zvýšení teploty chladiče nad okolní prostředí v ∆ϑ = ϑ j − ϑ a závislosti na ztrátovém výkonu součástky, a to pro různé délky (výšky) chladiče. Tyto křivky využijeme při návrhu. Je uvažován chladič pro součástky v pouzdru TO-18 a TO-5. Střední otvor je nutno vyvrtat. Upevňovací chladič může také sloužit k přenosu tepla na masívní část konstrukce přístroje (šasi). Zde potom působí jako nositel stykového tepelného odporu Rts - bude to limitující faktor chlazení. Příklady řešení jsou na obr. 7.43. Aby se dosáhlo dobrého styku chladiče se součástkou, je nejvhodnějším materiálem beryliová měď (nebo v menší míře fosforbronz). Požadujeme-li ekonomické řešení, lze použít

184


i mosaz nebo hliník, avšak musíme počítat se zhoršenými vlastnostmi (hliníkové bývají chladicí kostky - obr. 7.41b a 7.43a - a též profilové chladiče - obr. 7.42). Většina upevňovacích chladičů je určena pro odvod tepla ze součástek s malým výkonem (0,5 až 3 W), dá se však použít i pro součástky s větším výkonem, pokud je zaručen v dostatečné míře odvod tepla do masivní konstrukce zařízení. Pro větší výkony je rozumnější použít chladičů žebrovaných nebo vějířových (viz pozděj). Jinou aplikací "upevňovacího" chladiče je jeho spojení s izolační podložkou vyrobenou z berylia (kysličníku), která je na tento chladič připájena nebo přišroubována. Toto spojení má velmi malý tepelný odpor a malou kapacitu vůči okolí, což je velmi důležité ve vysokofrekvenčních obvodech, jako jsou např. přenosné radiostanice pro velmi krátké vlny. S pouzdrem TO-5 lze dosáhnout mezi tranzistorem a šasi kapacity 4 pF na kmitočtu 100 MHz, s tranzistory v pouzdru TO-18 může být tato kapacita menší než 1,5 pF. Zvyšování kmitočtu přes 2 GHz vyvolalo požadavek ještě menší kapacity mezi pouzdrem a okolím. Jedním z řešení je použít dvě podložky z kysličníku berylia, zapojené do série na "upevňovacím" chladiči. Kapacita se tímto způsobem zmenší asi na 2,5 pF pro součástky v pouzdrech TO-5. Deskové chladiče Velká pozornost v literatuře je věnována návrhu deskových chladičů - uvažuje se přibližně čtvercová, rovná chladicí deska s rovným povrchem, umístěná buď svisle nebo vodorovně, s oboustranným přístupem vzduchu (přirozený oběh). Předpokládá se chlazená součástka ve středu desky. Pro řešení tepelných poměrů chladiče ve tvaru desky se v praxi dobře osvědčuje v literatuře uváděný přibližný vzorec: 3,3 650 Rtr = ⋅ C 0, 25 + ⋅C [K/W, W/K cm, mm, cm2] F λ ⋅d (7.20) kde je Rtr - tepelný odpor chladicí desky l- tepelná vodivost materiálu desky d - tloušťka desky v mm C - korekční konstanta, závislá na poloze a povrchu F - plocha desky v cm2 Vzorec platí za předpokladu, že tranzistor je jediným zdrojem tepla, který působí na chladicí desku. Dále se předpokládá, že je deska přibližně čtvercového tvaru a že je tranzistor montován přibližně v jejím středu. Tepelný odpor se pak rozumí od středu desky do okolního


185

prostředí, kterým je klidný vzduch. Tepelné vodivosti nejpoužívanějších materiálů chlad. desek jsou v tab. 7.4. Minimální potřebnou tloušťku desky udává vztah 6 d min ≅ [mm, K/W] Rtr Tab.7.4. Hodnoty tepelné vodivosti materiál měď hliník mosaz ocel

l [W\K cm] 3,8 2,1 1,1 0,46

Tab. 7.5. Hodnoty C pro hliníkovou desku povrch poloha lesklý vodorovná lesklý svislá černěn vodorovná černěn svislá

C 1,00 0,85 0,50 0,43

Korekční faktor C vyjadřuje vliv polohy a způsobu opracování chladicí desky. Korekční faktory C pro nejčastější případy jsou v tab. 7.5. Ze vztahu (7.20) je zřejmé, že se hodnoty l a d uplatňují pouze u velkých desek, tj. jsou-li tepelné odpory desek malé. Pro malé desky tedy není nutno hodnoty l a d uvažovat. K výpočtu je pak možno použít zjednodušeného tvaru: 650 ⋅ C [K/W, cm2] (7.21) Rtr ≅ F Z toho vyplývá, že pro malé chladicí desky je možno použít vcelku libovolného kovu a že ani tloušťka materiálu není důležitá. Zato je důležitá poloha a povrchové opracování desek. Vzorec 7.21 je graficky znázorněn na obr. 7.44a může ho být použito k určení tepelného odporu desek do velikosti 20 až 30 cm2. Pro větší desky platí grafy na obr. 7.45a .

186


Z nich plyne, že u velkých desek (cca nad 4 dm2) již nemá zvětšování nad určitou mez praktický význam. Ze vztahu 7.20 můžeme také určit výpočtový vzorec pro plochu

F=

650 ⋅ C ⋅ λd

⎡ϑ j − ϑ a

⎤ − (Rti + Rts )⎥ − 3,3 ⋅ C 0, 25 ⎣ P ⎦ Příklad: Na diodě KY12 vzniká ztrátový výkon 6 W. K dispozici máme čistou hliníkovou desku silnou 2 mm, kterou do zařízení hodláme umístit svisle. Dioda může být k chladiči připevněna neizolovaně a teplota okolí bude 45 oC. Z katalogových údajů platí pro diodu KY 712: Jjmax = 155 oC a Rti = 2 K/W. V tabulkách nalezneme l = 2,1 W/Kcm a C = 0,85. Odhadneme Rts podle textu = 0,3 W/K. Výpočtem nebo z grafu zjistíme F = 38 cm2. Při

λd ⎢

použití černěné měděné desky a zachování všech ostatních údajů dostaneme plochu F = 19 cm2. V literatuře je někdy uváděn i jednodušší vztah 7,6 ⎞ ⎛ Rtr = C m ⎜1,73 + ⋅C⎟ F ⎝ ⎠ který vyhovuje pro desky s tloušťkou větší než 2 mm, kde materiálová konstanta Cm = 1 pro hliníkový plech a Cm = 0,75 pro měděný plech. Pro hliníkový plech se také uvádí vzorec [AR-B 4/82:125] 700 ⋅ (1 + 0,2 ⋅ d min ) F =C⋅ Rtr


187

Protože deskové chladiče zabírají mnoho místa, nebývá tvar chladicí desky obvykle rovinný, bývá zahnut do tvaru písmene U nebo L. Příklady různých tvarů deskových chladičů jsou uvedeny na obr. 7.46.

188


Chladič musí být vždy v přístroji umístěn tak, aby umožňoval volné proudění chladicího vzduchu. Poznámka: Při tvarování chladiače se musí zajistit dostatečná vzdálenost ohybů od sebe tak, aby nedocházelo k vzájemnému ovlivňování (tzv. tepelné stínění). V opačném případě je nutno počítat se snížením účinnosti chladiče. V praxi se často řeší případ chlazení integrovaných stabilizátorů napětí typu 78xx. Odvod tepla pomocí přídavného chladiče je nutný, jestliže průměrný ztrátový výkon překročí ϑ j max − ϑa max hodnotu Pmax = , kde Jjmax je teplota počátku funkce tepelné ochrany P stabilizátoru. Pro používané pouzdro TO-3 platí Rti = 4 K/W a Rta = 35 K/W. Pro rychlou orientaci je na obr. 7.47 k dispozici graf, podle kterého lze určit výsledný tepelný odpor nutný pro odvod tepla monolitického stabilizátoru. Tento graf dává informaci o tepelném odporu Rta v závislosti na odebíraném proudu, rozdílu vstupního a výstupního napětí a na okolí teplotě. V grafu na obr. 7.47 je uveden příklad: Je dán proud stabilizátorem 275 mA, rozdíl výstupního a vstupního napětí 6 V při okolní teplotě 50 0C. Bod 275 mA na stupnici "A" spojíme s bodem 6 V na stupnici "D". Průsečík se stupnicí "B" udává ztrátový výkon 1,7 W. Ten spojíme s bodem 50° na stupnici "C" a spojnici prodloužíme až protne stupnici "E" v bodě 45 K/W, který je požadovaným tepelným odporem. Odečtením získané hodnoty od tabulkové (uvedeno výše) tj. 45-4 dostaneme výsledný tepelný odpor. Ze skutečnosti, že Rtc pouzdra (35 K/W) je menší než tepelný odpor požadovaný, usoudíme, že je nutný přídavný odvod tepla o celkové hodnotě tepelného odporu 41 K/W. Pro názornost je na obr. 7.48 uveden graf závislosti velikosti chladicí plochy a tepelných odporů na druhu chladicího materiálu a jeho tloušťce. Odpovídající hodnoty najdeme na svislici. Vějířové chladiče (staggered finger) (obr. 7.49) zasluhují zvláštní pozornost, neboť poměr výkon-hmotnost a výkon-rozměr, a to zejména u větších typů, nanejvýš efektivně konkuruje s tímto poměrem u chladičů žebrových, o nichž se zmíníme později. Vějíře jsou uspořádány tak, že nevyzařují teplo jeden k druhému, jak to vyplývá z obr. 7.50. Tím je umožněno volné proudění média. U žebrových chladičů je ovlivňováno jedno žebro žebrem druhým a omezený prostor mezi žebry ztěžuje volný pohyb média.


189

Ještě větší efektivnosti se u vějířových chladičů dosahuje při nuceném chlazení vzduchem, protože vířivý proud vzduchu kolem vějířů překonává vzdušnou bariéru v blízkosti kovu (obr. 7.50b). To je hlavní důvod pro podstatné zlepšení rozptylovacích vlastností pomocí hnaného vzduchu. U žebrovitých chladičů dochází k laminárnímu, nikoli však k vířivému proudění vzduchu, vzduch teče paralelně se žebry, vzdušná povrchová bariéra zůstává nepřekonána. Vějířovitý chladič o straně 78 mm, který má výšku 25 mm, upevněný na desce s plošnými spoji, dovoluje při přirozeném proudění, při oteplení asi o 100 oC, rozptýlit výkon 35 W. Při ochlazování proudem vzduchu s rychlostí 350 m/min a při stejných podmínkách se rozptýlí výkon 80 W. Upevníme-li tranzistor 2N3055 na desku s plošnými spoji o straně 150 mm, bude při rozptýlení ztrátového výkonu 5 W oteplení pouzdra asi 100 oC. S vějířovitým chladičem o straně 78 mm a výšce 25 mm na stejné desce s plošnými spoji byla teplota pouzdra 20 oC (tzn. snížení teploty o 80 % při přirozeném proudění vzduchu). Při nuceném proudění vzduchu 150 m/min bude oteplení nižší než 10 oC.

190


Vějířovité chladiče mohou být montovány do sebe, aniž by zaujímaly další plochu; tím však dosáhneme jen 30 % zvýšení rozptylované energie při oteplení o 100 oC a při přirozeném oběhu vzduchu. Tyto chladiče se vyrábějí pro většinu dnes vyráběných součástek i pro integrované obvody. Žebrované chladiče vyráběné z hliníku jsou v současné době nejčastějším druhem chladičů. Profil chladiče je obvykle členitě žebrován pro dosažení potřebného povrchu. Používají se v mnoha profilech a v různých délkách. Avšak bylo by mylné se domnívat, že tepelný odpor chladiče se zmenšuje přímo úměrně s délkou. Tak např. u chladiče šířky 114 mm a výšky 64 mm se dosáhne pouze 50 % zvýšení rozptylu tepla, zdvojnásobí-li se jeho délka z 38 mm na 75 mm. Všechny žebrované chladiče by měly být upevněny z hlediska maximální efektivnosti tak, aby osa žebra byla vertikální. Na obr. 7.52 je jednostranný chladič pro výkonové polovodiče. Na obr. 7.53 jsou dvoustranné chladiče pro výkonové tranzistory. Chladič na obr. 7.54 je určen pro součástky se šroubovým upevněním (diody, tyristory, triaky, vf výkonové tranzistory). Otvory pro upevnění k plošnému spoji (příp. ke konstrukci) je nutno vyvrtat ve středu dosedací plochy chladiče. Při návrhu postupujeme tak, že pro daný ztrátový výkon a povolené oteplení ∆ϑ = ϑ r − ϑ a určíme vhodnou délku chladiče. Vztahy mezi ztrátovým výkonem a oteplením pro typizované délky jsou uvedeny na obrázcích (viz. tzv. křivky chlazení). Volíme vždy délku nejblíže vyšší. Křivky platí pro svislou montáž chladicích žeber a pro matně černě eloxovaný povrch. Vliv odporů Rti a Rts zahrneme pomocí vztahu

ϑ max + ∆ϑ + P(Rti + Rts ) ≤ ϑ j max

Návrh a konstrukce elektronických přístrojů a z toho

191

∆ϑ ≥ ϑ j max − ϑa max − P(Rti + Rts )

Celkové zkoušky ukázaly, že zvýšení teploty tranzistoru a chladiče bude sledovat zvýšení teploty okolí s přesností až ±2 oC. Abychom dostali celkovou teplotu pouzdra, postačí přidat uvažovanou teplotu okolí k teplotě pouzdra, zjištěné z grafů. Některé integrované obvody, především integrované nízkofrekvenční výkonové zesilovače (např. MDA 2010, MDA 2020) jsou určeny k provozování pouze ve spojení s chladičem. Příklad provedení takového chladiče a způsob jeho upevnění je uveden na obr. 7.55. Výrobce integrovaných obvodů dodává obvykle společně s obvodem i kovovou montážní podložku, která se vkládá pod integrovaný obvod a zprostředkovává intenzivní odvod tepla ze spodní strany součástky. Pro chlazení IO v pouzdrech DIL většinou stačí jednoduché chladiče podle obr. 7.56. Pro chlazení keramických nosičů je k dispozici řada chladičů (např. dle obr. 7.57). Komplikované tvary chladičů se používají pro vysokovýkonové součástky ( obr. 7.58) nebo v případě úspory místa (obr. 7.59), kde chladičem je zadní panel přístroje (viz též obr. ). Chladiče podobné žebrovým je také možno sestavovat z profilovaných (různě ohnutých) plechů, které se spájejí nebo stáhnou šrouby (obr. 7.56). Při použití složitějších tvarů je třeba počítat s tzv. tepelným stíněním, které zhoršuje odvod tepla. Tepelné stínění je tím větší, čím blíže jsou jednotlivé desky (žebra) u sebe.

192



193

Technologické provedení chladičů

Většina výkonových součástek je určena pro montáž na přídavný chladič a jejich pouzdra jsou uzpůsobena k tomuto účelu, tj. jsou opatřena otvory pro upevňovací šrouby nebo svorníkovým šroubem. Montáž na chladič není vždy jednoduchou záležitostí a její nevhodné provedení může být příčinou poruch. Konstruktér se snaží navrhnout chladič z hlediska nejmenšího tepelného odporu, při dosazení nízké ceny, nízké hmotnosti a malých nároků na prostor. Je-li zvolen typ chladiče, může konstruktér zvolit tepelný odpor těmito způsoby: - volbou materiálu (obvykle se volí hliník) - úpravou povrchu chladiče (u chlazení vzduchem) - změnou rozměrů chladiče - správným provedením stykových ploch - volbou jiného chladicího prostředí (vzduchu, vody, oleje) - změnou množství přiváděného chladicího prostředí (vzduchu, oleje, vody) a) Výběr materiálu Z hlediska maximální účinnosti chlazení je nejvhodnějším materiálem měď, která má vysokou tepelnou vodivost. Měď je ovšem poměrně nákladná, a tak v praxi přichází v úvahu především hliník, někdy i ocel. Zvláště v případech použití hliníku je nutno vzít v úvahu dvě důležité okolnosti: 1) V případě, kdy na namontovaný tranzistor působí vlhko nebo korozívní výpary, dochází mezi hliníkem a mědí základny tranzistoru (pokud je měděná) ke vzniku galvanických článků, což má za následek zvášenou korozi, porušení styku, a tedy zhoršení přenosu tepla. V takových případech je vhodné vkládat mezi tranzistor a chladič tenké niklové nebo stříbrné vložky, nebo

194


použít speciálních látek pro zamezení koroze. Aby se zamezilo nepříznivým vlivům působeným korozí, bývají moderní tranzistory niklovány nebo jinak povrchově upraveny. 2) Tranzistory bývají k chladiči připevňovány šrouby (má-li pouzdro upevňovací otvory) nebo matici (je-li pouzdro opatřeno svorníkem). Změny teploty, kterým je namontovaný tranzistor vystavován (oteplení ztrátovým výkonem za provozu, vychladnutí, je-li zařízení vypnuto), mohou způsobit postupné uvolňování šroubových spojů. Tento jev souvisí s nestejným teplotním koeficientem roztažnosti materiálu tranzistoru a chladiče a lze jej značně omezit použitím pérových podložek pod upevňovacími šrouby. b) Úprava povrchu chladiče Úprava povrchu chladiče je důležitá z hlediska přenosu tepla, estetického vzhledu, příp. i povrchové ochrany a elektrické izolace (spíše výjimečně). Při chlazení přirozeným prouděním se podstatně uplatňuje radiační složka celkového přenosu tepla. Tato radiační složka (záření) je velmi závislá na vlastnostech povrchu plochy, která vyzařuje. Vyzařování je možno kvantitativně posoudit pomocí tzv. povrchové emisní schopnosti e. Čím větší je e (je max. rovno jednotce), tím více daná plocha vyzařuje. V tab. 1 jsou uvedeny hodnoty pro některé druhy úpravy vyzařovacích ploch. Z tabulky jsou zřejmé extrémní rozdíly v emisní schopnosti leštěných povrchů a povrchů zdrsněných nebo opatřených barevnými nátěry. Nejvhodnější barva je černá, avšak i jiné barvy vysoce zlepšují povrchovou emisní schopnost. Proto je vhodné použít pro chladič matný hrubý povrch, např. černěný. To umožní určité zmenšení rozměru chladiče. Výše uvedená úprava se ovšem netýká místa styku s dosedací plochou součástky. Tab. 1. Hodnoty součinitele povrchové emise epsilon Povrch leštěný hliník leštěná měď nikl (leštěný elektronicky) hliník (opískovaný) oxidovaná měď válcovaná ocel oxidovaná ocel eloxovaný hliník smalt (barevný)

součinitel e 0,05 0,07 0,17 0,40 0,70 0,66 0,87 0,15 - 087 0,85 - 0,91

Nátěr černý lesklý

součinitel e 0,88

černý matný bílý matný šedý

0,97 0,90 0,84 - 0,91


195

196


Poznamenejme ještě, že z optiky známe pojem "černé těleso", které se používá v případě ideálního (nebo absorpčního) tělesa, které má jednotkovou emisní schopnost-souvislost termínu s barvou v optickém slova smyslu je pouze vzdálená. Tak např. černý lak, nanesený na ploše, má při 150 oC emisní schopnost např. 0,96 kdežto bílý lak pouze např. 0,92. Pro chladič je vhodný matný hrubý povrch, avšak rozdíl v emisi mezi žiravinou leptanými a bíle anodizovanými povrchy není tak velký, jak se všeobecně předpokládá. c) Úprava povrchu a děr v místě montáže tranzistoru Přenos tepla z tranzistoru na chladič závisí velmi na dobrém kontaktu obou ploch. Je třeba, aby montážní plocha na chladiči byla co největší a rovná, bez rýh nebo výstupků, které se mohou v praxi často vyskytovat zvláště kolem otvorů. Jsou-li otvory v chladiči vytlačovány, je třeba plochu dodatečně hladit. U vrtaných otvorů je třeba odstranit třísky. Před konečnou montáží je nutné plochy dobře očistit. I drobná zrnka prachu mezi plochami mohou způsobit zhoršení přenosu tepla. d) Zdokonalení styku V praxi není vyhlazení stykových ploch nikdy dokonalé. Mezi namontovaným tranzistorem a chladičem jsou proto vždy miniaturní vzduchové mezery. Vzduch je špatným vodičem tepla a tyto mezery tedy zhoršují tepelné vlastnosti styku. Styk je však možno zdokonalit tím způsobem, že se vzduchové mezery vyplní nějakým materiálem s dobrou tepelnou vodivostí. K tomu se používá silikonová vazelína, která se v tenké vrstvě nanese na stykové plochy před konečnou montáží. V použité vazelíně může být obsažen rovněž již vhodný antikorozní prostředek. e) UtaženíDobrý tepelný kontakt mezi tranzistorem a chladičem vyžaduje dostatečný tlak mezi oběma plochami. Tento tlak se vyvozuje utažením upevňovacích šroubů, resp. matice. Přenos tepla se s rostoucím tlakem zvětšuje až do určité hodnoty, nad kterou již další zvyšování tlaku nemá smysl a může nadto způsobit mechanické poškození upevňovacích součástí. U prvků, které jsou opatřeny upevňovacím svorníkem, bývá proto někdy výrobci udávám potřebný kroutící moment [Nm nebo kp.cm] který je potřebný pro dobrý přenos tepla z prvku na chladič. Není-li tato hodnota dodržena, má to za následek zhoršení přenosu tepla; značné překročení dané hodnoty může způsobit porušení závitu šroubu. f) Izolace tranzistoru a chladiče Až dosud bylo hovořeno o takovém způsobu montáže, kdy je pouzdro tranzistoru vodivě spojeno s chladičem. Některé aplikace však vyžadují, aby bylo pouzdro od chladiče odizolováno (elektricky, nikoli však tepelně). K tomu se používá nejčastěji slídových podložek, které se vkládají mezi styčné plochy. Aby se přenos tepla touto izolací příliš nezhoršil, je třeba použít podložek co možná tenkých. Podložky je vhodné po obou stranách potřít silikonovou vazelínou. Rovněž je třeba pamatovat na dobré odizolování upevňovacích šroubů. K tomu se používá vhodných izolačních vložek. Příklad montáže je uveden na obr. 2. K odizolování tranzistoru je možno použít také jiných materiálů, např. teflonové fólie, beryliové keramiky nebo i tenkého pertinaxu. Přenos tepla je však zpravidla horší, než při použití slídy. Na obr. 7.62 vidíme obvyklou konfiguraci výkonového zesilovače, kde dva tranzistory ze čtyř musí být montovány izolovaně na společný chladič. Někdy je výhodnější izolovat chladič od šasi, než chlazenou součástku od chladiče (typické pro vysokovýkonové součástky).


197

8.6 Konstrukce a technologie desek plošných spojů Plošné spoje se od padesátých let běžně používají jako hlavní prostředek realizace spojů elektronických zařízení. Jejich výroba a návrh se postupně dostaly na vysoký stupeň dokonalosti. Miniaturizace součástek a pokročilá technologie plošných spojů vede k tzv. technologii povrchové montáže. Deska plošných spojů (DPS) má dvě hlavní funkce: - mechanickou, nese jednotlivé součástky - elektrickou, zprostředkuje potřebné elektrické vodivé spoje. Pomocná funkce je informační, deska je obvykle opatřena nějakým popisem nebo označením pro identifikaci jednotlivých součástek. Se dvěma hlavními funkcemi DPS souvisí problematika jejich - technologie výroby, včetně normalizace rozměrů - konstrukce, která sestává z nalezení spojovacího obrazce (rozmístění a propojení součástek), "návrhu" elektrických parametrů spojů, návrhu konektorů. 8.6.1

Typy plošných spojů

Plošné spoje se v elektronických zařízeních užívají přes 40 let. Z historie je známo, že v únoru 1943 Dr. Paul Eisler ve Velké Británii patentoval plošné spoje s leptaným vodivým vzorem na laminátové desce. Plošné spoje s prokovenými otvory se datují cca od r. 1961, kdy byl v USA udělen patent firmě Hazeltyne. Plošné spoje se prosazovaly postupně a zpočátku přinášely také mnoho problémů, hlavně opravářům (jeden si např. stěžoval, že jde o hnízdo měděných hadů přejetých parním válcem, ve kterém se nejde vyznat). V současné době se používá mnoho druhů plošných spojů ve velikosti cca 1x2 cm až 60x60 cm, obvyklá velikost je 10x15 cm (Eurocard). Na průměrné desce bývá 100 až 200 součástek, na jedné z největších desek bylo cca 2000 součástek. Na hustotu součástek také ukazuje počet děr pro vývody, na desce s jednostranným plošným spojem bývá 3 - 10 děr na čtvereční palec, se dvoustranným obrazcem bývá 10 - 20 děr a na vícevrstvé desce bývá 20 i více děr na čtvereční palec. Plošné spoje obvykle dělíme podle počtu vrstev, typu použitého základního materiálu a podle technologie výroby.

198


Podle počtu vrstev jsou to: - jedno a dvouvrstvé PS bez pokovených otvorů, - dvou a vícevrstvé PS s pokovenými otvory. Podle použitého základního materiálu jsou to PS na bázi: - tvrzeného papíru, - tvrzené skleněné tkaniny, - ostatních materiálů (teflon, materiály pro ohebné PS). První dva typy se mohou vyskytovat v klasické nebo samozhášivé úpravě.

Podle technologie výroby jde o desky vyráběné - subtraktivní technologií, - aditivní technologií, - semiaditivní technologií. 1. Výroba plošných spojů subtraktivní metodou Základním materiálem pro subtraktivní metodu výroby plošných spojů je izolační materiál plátovaný měděnou fólií. Izolačním materiálem je buď tvrzený papír většinou s fenolickou pryskyřicí nebo sklotextil s epoxidovou pryskyřicí. Oba uvedené typy je možné vyrobit se samozhášivou úpravou. Měděná fólie je jednostranně anodicky oxidovaná pro zvýšení adheze k základnímu materiálu. Požadavky na kvalitu fólie jsou velmi přísné, především z hlediska čistoty mědi (elektrolytická měď čistoty 99,5%) a její mechanické neporušenosti. Základní izolační materiál se většinou charakterizuje podle normy NEMA (americké sdružení výrobců - Americal National Electrical Manufactures Association). V ČSFR byly dostupné materiály z tvrzeného papíru (Cuprexcart). Nyní jsou užívány skloepoxidové materiály, konkrétně Cuprextit SEA, Cuprextit SEB a Cuprextit SEC (Kablo Gumon Bratislava). Tloušťka bývá 0,5 , 0,8 , 1,0 , 1,5 , 2,0 a 2,5 mm, obvykle se dodávají a používají podtržené hodnoty. V anglosaských zemích jsou rozměry v palcové míře. Pro dvouvrstvou desku je typická tloušťka 1,524 mm. Pro tento rozměr jsou také vyráběny přímé konektory. Měděná vrstva je nanesena z jedné nebo z obou stran. Tloušťka je 35 um (tzv. jednouncová, 1 unce je 28,35 g), někdy také 70 um (dvouuncová) a 105 um (tříuncová). Pro desky s jemnými motivy se užívají také fólie tloušťky 17 um a 5 um (v ČR se nevyrábí). Světlocitlivé rezisty. K vytvoření masky pro leptání vodivého motivu se obvykle užívá fotolitografických metod. Dále se užívají sítotiskové metody (historicky byly první a od toho pochází dřívější název "tištěné spoje") i některé další (hlavně v amatérské praxi). Fotolitografie využívá reprodukci předlohy do vrstvy rezistu, vyvolává rezistové vrstvy a leptání měděné fólie podle vyvolané masky. (Alternativně je zde možnost fólii neleptat, naopak galvanicky nanést na místa, která nejsou zakryta rezistem, vrstvičku kovu (obvykle Sn-Pb nebo Au), rezist odstranit a leptat místa, která nejsou pokryta tímto kovem - hovoříme o technologii s kovovým rezistem). Používají se mokré rezisty (kapalné rezisty, světlocitlivé roztoky) a nověji suché rezisty. Světlocitlivé roztoky jsou roztoky organických světlocitlivých látek a filmotvorných polymerů v rozpouštědlech, pomocí kterých lze připravit na různých podložkách vrstvu


199

citlivou k UV světlu. Po expozici a vyvolání těchto vrstev se získá na podložce reprodukce exponované předlohy. Vrstva, která zůstala na podložce, slouží jako ochrana proti leptadlu, zatímco místa obnažená vyvoláním jsou odleptána. Podle způsobu zpracování rozdělujeme světlocitlivé roztoky na negativně pracující a pozitivně pracující. V prvém případě exponovaná místa účinkem světla polymerují a zůstávají po vyvolání na podložce, zatímco místa, kde světlo nedopadlo, se ve vývojce rozpustí. Naopak u roztoků pozitivních dochází osvitem ke vzniku kyselých látek a ke zvýšení rozpustnosti ve vývojce, takže osvětlené plochy se vyvoláním obnaží. Negativně pracující světlocitlivé roztoky jsou vhodné při použití agresivních leptadel, alkalických leptadel a při leptu ploch relativně menších než jsou plochy neleptané. Pozitivně pracující roztoky jsou vhodné při použití mírnějších leptadel a při leptu ploch relativně větších než jsou plochy neleptané. Nehodí se pro leptání pomocí alkalických roztoků (ty se užívají jako vývojka). Ve výrobě se přechází na pozitivní rezisty, především s ohledem na snadnost zpracování ve slabě alkalických roztocích. Naopak negativní je nutné zpracovávat ve vývojkách na bázi aromatických sloučenin, což vyžaduje určité opatření hygienického charakteru (např. odsávání). Desky s negativním rezistem se většinou polévají krátce před výrobou, kdežto desky s pozitivním rezistem lze skladovat a často je kupujeme od výrobce s již nanesenou vrstvou rezistu (tzv. polité). Pro plošné spoje s jemným motivem se v posledních letech používají tzv. suché rezisty. Suchý rezist je v podstatě laminát, který se skládá z modře, červeně nebo jinak zbarvené vrstvy filmu, uložené na nosné 25 um folii polyesteru a chráněné shora polyetylénovou fólií. Suchý rezist se dodává v různých tloušťkách od 18 do 70 um a ve svitcích a délce 50 až 100 m, širokých 10 až 60 cm. Skladovací doba neosvětleného rezistu je až 6 měsíců. Nanáší se nalaminováním za tepla. Vlastní film se skládá z monoméru s různými přísadami, citlivými na ultrafialové světlo, které při osvitu způsobují jeho polymeraci. To znamená, že neosvětlená část obrazce, ta, která je nezpolymerovaná, je rozpustná ve vývojce. Je to tedy negativní rezist. Pozitivní suché rezisty jsou ve vývoji. Leptadla a chemismus leptání. Při výrobě plošných spojů rozlišujeme několik technologií z hlediska uplatnění leptacího prostředku. V současném stavu výroby se uplatňují dvě základní metody tvorby spojového obrazce: metoda organického a kovového rezistu. Těmito způsoby je možno vyrábět jednak nenáročné desky plošných spojů (tolerance u šíře plošných vodičů) nebo desky s požadavky na vysokou hustotu propojení. Z těchto hledisek na finální výrobek je nutno volit vhodný leptací prostředek a leptací zařízení. Leptadla pro výrobu plošných spojů mají splňovat tyto požadavky: - rychlé a dokonalé rozpouštění leptaného kovu, - snadná odstranitelnost leptadla ze základního materiálu, - minimální podleptání spojů, - snadná regenerace leptadla, - maximální leptací kapacita, - snadné zneškodnění oplachů a koncentrátů, - nesmí napadat rezist.

200



201

202



203

Z hlediska pracovní oblasti lze rozdělit leptadla na dvě skupiny: - Kyselá leptadla: FeCl3, FeCl3 + 2-3 obj.% HCl, FeCl3 + 10-30 vah.% NH4Cl, CuCl2, CuCl2 + HCl, CuCl2 + KCl, CuCl2 + NaCl, (NH4)2S2O8, (NH4)2S2O8 + HgCl2, (NH4)2S2O8 + FeSO4, (NH4)2S2O8 + NH4OH + NH4Cl, H2O2 + HCl, H2O2 + H2SO4, CrO3 + H2SO4 + Na2SO4 - Alkalická leptadla: NaClO2 + NH4Cl + NH4OH, NaClO2 + NH4NO3+ NH4OH, NaClO2 + NH4Cl + NH4HCO3 a jiné kombinace. a) leptací prostředky převážně používané pro leptání za použití organických rezistů 1. Chlorid železitý

Ze skupiny kyselých leptacích prostředků pro běžné i náročné aplikace má široké použití chlorid železitý FeCl3. Běžně dodávaný leptací roztok obsahuje 400-500 g chloridu železitého v 1 litru. Přednosti leptadla: vysoká kapacita rozpouštění mědi (60-120 g/l), snadná dostupnost, nízká cena, vysoká leptací rychlost, poměrně dobrý faktor podleptání, nenáročná likvidace odpadních vod. Nevýhody leptadla: obtížná regenerace, při vyšší koncentraci mědi se tvoří kal, nastává hydrolýza železitých solí. Chemismus leptání FeCl3 + Cu = FeCl2 + CuCl FeCl3 + CuCl = FeCl2 + CuCl2 CuCl2 + Cu = CuCl

(7.22) (7.23) (7.24)

FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl (7.25) Při leptání je 80% mědi leptáno podle rovnice (7.24). Pro potlačení hydrolýzy je nutno přidat volnou kyselinu HCl do objemu 10%. Při nasazení leptadla do tryskových leptacích zařízení se pracovní teplota pohybuje v rozmezí 40-50oC a leptací čas v tomto případě by neměl při vrstvě 35 mm mědi překročit 5 minut. Pro relativně vysokou rychlost leptání, dobrou výtěžnost a nízkou cenu je chlorid železitý běžně používaný leptací prostředek pro plošné spoje. 2. Chlorid měďnatý

Dalším leptadlem kyselého typu je chlorid měďnatý CuCl2. Leptací roztok se používá v koncentracích 150-400 g CuCl2/l s přídavkem chloridů.

204


Přednosti leptadla: snadná regenerace, dobrá leptací rychlost, snadná dostupnost. Nevýhoda leptadla: malá leptací kapacita rozpouštění mědi (30-50 g Cu/l). Chemismus leptání: Cu + CuCl2 = 2CuCl Chloridové ionty přidávané do leptacího roztoku ve formě HCl, NaCl nebo NH4Cl umožňují tvorbu komplexu CuCl3-2 a tím stabilizují leptací poměry: CuCl2 + 4Cl- = 2CuCl3-2 Při nasazení do tryskových leptacích zařízení se pracuje při teplotě 25 až 35oC. V důsledku intenzívního pohybu leptadla nastává částečná oxidace Cu+1 na Cu+2 podle reakce 4CuCl + 4HCl + O2 = 4CuCl2 + 2H2O Vlastní regenerace probíhá ve speciálním zařízení, kde na základě měření redox potenciálu se přidávají do leptadla regenerační činidla. K regeneraci se používá peroxid vodíku a kyselina chlorovodíková: 2CuCl + 2HCl + H2O2 = 2CuCl2 + 2H2O Z chemismu reakce je zřejmé, že leptací roztok nabývá na objemu. Tato skutečnost není na závadu, když si uvědomíme, že leptadlo můžeme zpracovat elektrolyticky nebo po úpravě použít jako čistou základní chemikálii.

b) Leptací prostředky převážně používané pro leptání za použití kovových rezistů

Tato technologie se používá při výrobě vícevrstvých plošných spojů s pokovenými otvory. Je možno dosáhnout přesných tolerancí šířek vodičů obrazce a tím vysoké hustoty propojení. Zesílený obrazec plošných spojů vrstvou elektrolytické mědi je pokryt buď redukčně, nebo elektrolyticky vrstvičkou kovového rezistu. Tento rezist je odolný příslušnému leptacímu prostředku. Používané kovové rezisty při výrobě plošných spojů jsou zlato, cín, cín-olovo, cín-nikl. 1. Leptadlo na bázi chromu (Cr)

Pro běžně používaný cínový rezist je možno pracovat s leptadlem na bázi chromu. Složení leptacího prostředku: CrO3+ H2SO4 + Na2SO4


205

Nevýhody leptadla: malá leptací kapacity, jedovaté pro životní prostředí, vyšší cena. Chemismus leptání: 3Cu + 2CrO3 + 6H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3CuSO4 + 6H2O Při provozní teplotě leptání 30•C je výtěžnost leptadla kolem 50 g Cu/l. Průběh leptání a vyčerpanost leptadla můžeme sledovat měřením hustoty nebo kolorimetrickou metodou. c) Univerzální leptací prostředky

V poslední době se ve světě přechází na alkalické leptací prostředky. Důvody jejich použití jsou ve vysoké výtěžnosti rozpuštěné mědi, snadné regeneraci a minimálním podleptání obrazce. Tato leptadla jsou použita jak pro leptání za pomoci organického, tak kovového rezistu. Používány jsou různé kombinace přísad s výtěžností od 60 - 300 g Cu/l. Leptání probíhá za tvorby diamokomplexu jednomocné mědi s následnou oxidací na tetramonokomplex vzdušným kyslíkem. Chemismus reakce za použití chloritanu sodného, uhličitanu amonného a amoniaku 2Cu + NaClO2 + 4NH4Cl + 4NH4OH = 2Cu(NH3)4Cl2 + NaCl + 6H2O Cu + Cu(NH3)4Cl2 = Cu(NH3)2Cl Regenerace 2Cu(NH3)2Cl + 2O2 + 2NH4Cl + 2NH4OH = 2Cu(NH3)4Cl2 + 3H2O Koncentrace H+ iontů se udržuje v rozmezí 9-12 pH. Pokles hodnoty pH na 7,5 může být příčinou explosivního rozkladu leptadla. S alkalickým leptadlem je výhodné pracovat v uzavřeném systému regenerace. Subtraktivní způsob výroby plošných spojů s pokovenými otvory

Podle literatury se subtraktivním způsobem vyrábí nejméně 90% světové produkce plošných spojů a i v příštích letech bude převládat. Popíšeme tedy stručně princip subtraktivního způsobu výroby plošných spojů. Budeme se zabývat klasickou technologií s deskami s měděnou fólií tloušťky 35 um. Výroba s použitím tenkých fólií je mírně odlišná. Poznamenejme ještě, že některé technologické kroky jsou stejné pro aditivní nebo semiaditivní technologii, event. drátové plošné spoje. Vychází se z mědí plátovaného skloepoxidového materiálu, kvality G1O (podle NEMA), resp. SEB. Materiál musí splňovat uvedenou normu a především je třeba dbát na neporušenost fólie, musí být zachovány všechny nejdůležitější mechanické vlastnosti.

206


1. Nastříhání přířezů. Materiál se nastříhá, resp. nařeže, na tzv. technologický rozměr. Tento je přibližně o 15-20 mm (na každou stranu výsledné desky) větší a slouží k uchycení desky do závěsů při pokovování, dále k vrtání technologických děr atd. 2. Vrtání otvorů. Na vrtačce, vesměs souřadnicově řízené, se pomocí tvrdokovových vrtáků s vysokými obrátkami (od 20.000 do 80.000 ot/min - podle průměru vrtáků) vyvrtají všechny otvory pro pokovení. 3. Po vrtání je třeba desku dokonale očistit a obrousit. Operace se provádí na speciálních brousicích zařízeních pomocí speciálních kartáčů (např. fy 3M), vyrobených z polyesterových vláken, na kterých je zafixováno brusné médium (např. SiC). Kartáče vykonávají jak radiální, tak axiální pohyb a proces je prováděn pod vodní sprchou. Tím dojde k odstranění nečistot z povrchu fólie, které ulpí v otvorech. Součástí zařízení může být i odmašťovací sekce. 4. Pokovení otvorů. Do vyvrtaných otvorů se musí bezproudově zanést vrstva kovu, která vodivě propojí obě strany desky. Vrstva mědi se nanáší ve speciálních lázních a celý chemismus spočívá ve vyredukování mědi na zárodečných centrech (využívá se paladia). Vzhledem k zaměření a rozsahu skript nebude proces dále rozebírán. Nanesená vrstva (0,5 - 1 um) je mechanicky velmi neodolná a pro zlepšení manipulace se ihned částečně zesiluje galvanicky, jak ihned uvidíme. Užívají se kyselé roztoky. 5. Vytvoření obrazce. Tuto operaci je možno realizovat dvěma metodami: A) Metoda pokovování panelu ("Pannel plating") a) Jako rezistu proti leptání je použito organického rezistu. Musí se použít speciální rezist, který dokáže ochránit i pokovenou stěnu obrazce. Výsledné spoje jsou měděné. Sled operací: 1 - Pokovení celého panelu na tloušťku min. 15 um Cu v otvorech. 2 - Vytvoření obrazce. 3 - Leptání. b) Jako rezistu proti leptání je použito bezproudově vyloučené zlato. Výsledné spoje jsou chráněné zlatem. Sled operací: 1 - Pokovení celého panelu na tloušťku min. 15 um Cu v otvorech. 2 - Vytvoření obrazce. 3 - Pokovení obrazce bezproudovým zlatem o minimální tloušťce 1,5 až 2 um. 4 - Leptání (např. chlorid železitý). B) Metoda pokovování obrazce ("Pattern plating") Jako rezistu proti leptání je použito cínu nebo jeho slitin (Sn-Pb, Sn-Ni). Výsledné spoje jsou chráněny cínem nebo jiným použitým rezistem. Tato technologie je nejvíce užívána. Sled operací: 1 - Pokovení celého panelu mědí v tloušťce 5 um v otvorech. 2 - Vytvoření obrazce. 3 - Zesílení tloušťky Cu pouze v obrazci (včetně otvorů) na minimálně 15 um v otvorech. 4 - Pokovení obrazce cínem (apod.) na minimální tloušťku 12 um v otvorech.

Návrh a konstrukce elektronických přístrojů 4 - Leptání (v případě cínového rezistu může být použito kyseliny chromsírové).

Nanášení fotocitlivé vrstvy. Na desku se nanese fotocitlivá vrstva, a to: - z roztoku (kapalná fáze) - nanesením světlocitlivé fólie za tepla - použitím suchého rezistu. Kapalné světlocitlivé materiály lze nanášet: a) pomalým vytahováním desky z roztoku - natahováním

207

208


b) nanášením na odstředivce c) navalováním na válcích. Každý z uvedených způsobů má svoje specifické stránky a to vyžaduje i určité vlastnosti světlocitlivých roztoků (definovaná viskozita, atd.). První dva způsoby se využívají pro malosériové a laboratorní výroby a určitou nevýhodou je i určitá klínovitost u natahovaných vrstev. Pro průmyslové využití je nejvhodnější nanášení na válcích. Pro dosažení silnější vrstvy je možné proces nanášení opakovat. Získá se tím potřebná síla organického rezistu pro další

Expozice fotocitlivé vrstvy (přenesení tvaru spojového obrazce). Nanesená a vysušená světlocitlivá vrstva (sušicí tunel bývá součástí nanášecího zařízení) se dále zpracovává přes


209

filmovou předlohu motivu, pozitivní nebo negativní podle použitého světlocitlivého materiálu. Filmová předloha výrazně ovlivňuje kvalitu výsledné desky PS. Musí být dokonale kontrastní a musí být zabezpečen přímý kontakt emulze filmové předlohy s vrstvou světlocitlivého materiálu. Exponuje se světlem z oblasti UV. Zabezpečuje se tím větší rozlišovací schopnost a také dobrá manipulovatelnost s polotovarem desky při technologickém procesu. Určitými formami chlazení se také zabraňuje nadměrnému tepelnému namáhání světlocitlivé vrstvy a filmové předlohy při osvitu.

210


Exponovaná světlocitlivá vrstva je zpracovávána ve vývojkách podle charakteru výroby: manuálně nebo v ostřikových, většinou průběžných zařízeních. Podle typu použitého světlocitlivého materiálu je třeba používat speciálních vývojek, které v některých případech jsou i ve výparech zdraví škodlivé (týká se především vývojek pro negativní materiály). Retuš a mezioperační kontrola je v této fázi nezbytným technologickým krokem a na jejím provedení záleží výsledná kvalita a případná zmetkovitost celé produkce. Pomocí speciálních retušovacích nástrojů a štětečků se opravují poškození naneseného rezistu a nevyvolané zbytky emulze atd. Pokud se podaří v této fázi výroby zachytit potenciálně vadné desky, které jsou většinou opravitelné, markantně se tím snižuje zmetkovitost. Výrobci této fázi výroby věnují velkou pozornost, což se projevuje i v počtu pracovníků. Po skončení galvanických procesů se musí odstranit organický rezist. Technologie je závislá na typu rezistu a podle toho jsou vybírány i tzv. stripovací roztoky. Princip je obdobný jako u vyvíjení, navíc je účinek chemického prostředku u některých zařízení zvyšován kartáči. Dokonalé odstranění všech zbytků rezistu zabezpečí bezpečné odkrytí měděné vrstvy bez kovového rezistu. Obnažená měděná fólie se odstraňuje leptáním (ponorem nebo v ostřikovacích zařízeních). Pro leptací proces platí difuzní Fickovy zákony a chemická reakce probíhá na rozhraní kapalina-kov všemi směry stejně. Při nevhodném leptacím procesu dochází k podleptání a odpadávání především tenkých vodičů. K tomuto dochází především při leptání ponorem. Pokud bude jako rezist proti leptání použit organický rezist [(viz případ Aa) a běžné technologie jedno a dvoustranných desek bez pokovených otvorů], pak samozřejmě bude rezist odstraňován až po ukončeném leptání. 7. Konečné mechanické operace. Obvykle odstřižení desky na konečný rozměr, úprava přímých konektorů, potisk, nanesení ochranného laku. Celý takto popsaný technologický proces je nutné doplnit důkladnými mezioperačními kontrolami, aby se nezvyšovaly výrobní náklady pokračováním na kusech s vadami (ať už odstranitelnými, tak neodstranitelnými). Důsledně se musí provádět retuše a případné opravy zamezí zvyšování normální technologické zmetkovitosti. Nezbytností pro složitější desky je dokonalá vstupní kontrola na: - kvalitu pokovení otvorů a jejich elektrické parametry, - vodivost, popř. přerušení vodičů, - tolerance vnějších rozměrů atd. Podle technické úrovně vybavení kontrolních pracovišť se kontrola provádí: - vizuálně - pomocí jednoduchých měřičů a přípravků - na automatických testovacích zařízeních. Součástí každé desky plošného spoje by měl být tzv. atest, to je osvědčení o kvalitě a výstupní kontrole


211

212


Výroba vícevrstvých plošných spojů Výchozím materiálem jsou tenké lamináty oboustranně plátované měděnou fólií. Tloušťka bývá podle charakteru desek 0,2 až 0,6 mm. Se zmenšující se tloušťkou výchozího materiálu rostou samozřejmě nároky na jeho výrobu a zároveň se zvyšují nároky na vstupní kontrolu u výrobce plošných spojů.

Technologický proces lze stručně popsat takto: 1. Kontrola základního materiálu - tloušťky, naporušenosti fólie atd., nařezání na technologický rozměr včetně ražení sesazovacích otvorů. 2. Nanesení (na očištěný povrch) světlocitlivé vrstvy. 3. Expozice přes filmovou předlohu motivu vnitřních vrstev s následným vyvoláním. 4. Vyleptání motivu v kyselých leptacích lázních (např. v FeCl3, popř. v CuCl2 ). 5. Pečlivá kontrola a retuš polotovarů. 6. Příprava lepicích listů (tzv. prepregů). 7. Sesazení všech polotovarů do sestavy: - horní list s měděnou fólií - lepicí list


213

- zpracovaný polotovar podle bodů 1-5 - lepicí list atd. Poslední vrstvou je dolní list s měděnou fólií. 8. Slaminování v laminačním lisu za definovaných podmínek, tj. při zachování teplotního diagramu, tlakově-časového diagramu. Vše je závislé na základním materiálu, především na typu pryskyřice. 9. Ostřižení přetoků pryskyřice a kontrola slaminování (podle rovnoměrnosti přetoků). 10. Vyvrtání otvorů na numericky řízených strojích (podobně jako při výrobě dvouvrstvých plošných spojů s pokovenými otvory) se zvláštním zřetelem na přesnost a kvalitu vrtání. 11. Pokovení otvorů podobnou technologií jako pro dvouvrstvé plošné spoje s pokovenými otvory. 12. Nanesení světlocitlivé vrstvy. 13. Fotolitografické zpracování, tj. expozice a vyvolání. 14. Galvanické zesílení chemické mědi včetně nanesení kovového rezistu (cín nebo cínolovo). 15. Snímání (stripování) organického rezistu. 16. Odleptání přebytečné mědi v průběžných leptacích zařízeních v amoniakálních leptadlech. 17. Ostřižní desky na výsledný rozměr na speciálních nůžkách se zobrazením roviny řezu. 18. Kontrola se provádí většinou na automatických zařízeních, která jsou schopna bezpečně rozlišit zkraty, popř. nepropojená místa. Nevystačí se již s manuálními nebo optickými pomůckami.

Výroba vícevrstvých plošných spojů vyžaduje velmi kvalitní investiční vybavení. Týká se to nejen vlastního technologického zařízení, ale i vybavení stavebního. Oproti klasické výrobě plošných spojů jsou zde kladeny zvýšené požadavky na čistotu a klimatizaci výrobního prostoru. Mnohem větší důležitosti nabývají mezioperační kontroly, neboť zde se mnohem markantněji projevuje úspěšnost a kvalita kontroly a následné retuše. Pokračování výrobního procesu na vadném polotovaru znamená zvyšování už tak dost vysoké technologické zmetkovitosti. Uvádí se, že i u významných výrobců dosahuje zmetkovitost několika desítek procent (u 8-vrstvých 40-60%).

214


Vysoká zmetkovitost a velké nároky na materiály včetně potřeby kvalitního investičního vybavení jsou jednou z překážek rozvoje výroby vícevrstvých plošných spojů. Přesto se objevují ve světě výrobci, kteří vyrábějí plošné spoje až do 24 vrstev.

Použití plátovaných materiálů s malou tloušťkou měděné fólie Při požadavku vysoké hustoty vodičů jsou problémy s podleptáním, pokud se používají plátované materiály s tloušťkou fólie 35 um. Řešení je jednak v nových technologiích, jednak v menší tloušťce výchozí Cu fólie ve spojení s technologií pokovování obrazce. Konkrétně se vyrábí materiál s tloušťkou Cu fólie 5 um. Fólie se připravuje elektrolytickým vylučováním mědi na Al fólii, která slouží jako dočasný nosič a ochrana proti oxidaci a při manipulaci. Materiál je dodáván např. švédskou firmou Perstorp AB. Buď je použito krycí hliníkové fólie o tloušťce 40 um, která se po vyvrtání bez potíží odleptá v kyselině solné, nebo se může objednávat materiál s tloušťkou Al fólie 80 um. Tento materiál je z hlediska výrobního zpracování teoreticky výhodnější pro snadné mechanické odstraňování Al fólie (možno provádět i po vrtání). Cu fólie 5 um je prakticky bezporézní, s vysokým stupněm tažnosti a s dobrými vazebními vlastnostmi na základní sklolaminát. Výhody se dají shrnout takto: možnost obdobného zpracování jako u dosavadních materiálů s 35 um Cu fólií, snížené podleptání, snížená leptací doba, možnost výroby desek s vodiči o šíři až 0,15 mm, menší spotřeba leptacího prostředku, menší množství odpadních vod. Zvýšená cena základního materiálu je nepodstatná v celkové ceně náročné desky plošných spojů s pokovenými otvory.

2. Výroba plošných spojů semiaditivní metodou Obdobné výhody a přednosti jako v případě popsaného výrobního procesu s 5 um Cu fólií má i tzv. semiaditivní netoda výroba PS. Při této metodě se vychází ze speciálního neplátovaného materiálu (bez Cu fólie), který se po vyvrtání a úpravě povrchu (sledující co nejvyšší adhezi následného povlaku) pokoví celý včetně otvorů, vrstvou mědi o tloušťce cca 5 um. Další postup je obdobný jako v případě výroby desek metodou pokovování obrazce. Semiaditivní technologie představuje důležitý mezistupeň k plně aditivní technologii, která je perspektivní pro budoucnost. Jestliže subtraktivní technikou se dá běžně vyrábět plošný spoj s šířkou vodičů 0,3 mm, mimořádně a s obtížemi 0,2 mm, pak semiaditivní technikou se dá dobře vyrobit spoj šířky 0,15 mm.


215

3. Výroba plošných spojů aditivní metodou Velice zajímavý je aditivní proces zhotovování spojů s pokovenými otvory, kde úplně odpadá leptání a problémy s touto operací spojené (podleptání, zkraty způsobené oddělenými převisy, zpracování odpadů z leptání). Při tomto procesu se rovněž vychází z neplátovaného základního materiálu, na kterém se po vrtání otvorů přímo vytváří požadovaný vodivý obrazec včetně pokovení otvorů. Měď, případně další kovové povlaky, se nanáší chemicky (bezproudově). Proces má i další výhody. Výchozí materiál není na rozdíl od substraktivního procesu tepelně zpracován s Cu fólií. Tím nedochází při výrobě desek k uvolňování vnitřního pnutí, které je jinak příčinou prohnutí a zkroucení desek. Při chemickém vylučování mědi se dnes již existujícími vysoce náročnými, ale kvalitními lázněmi dosahuje podstatně lepší rovnoměrnosti jak na ploše, tak i v otvorech desky. Tím nastávají i příznivější poměry při pokovování materiálů různé tloušťky ve vztahu k průměru otvorů. Dají se pokovovat i otvory malých průměrů (0,3 mm). Při aditivním procesu lze plně respektovat přání zákazníka v otázce tloušťky vodičů a dochází při něm k úsporám mědi. Proti těmto nesporným výhodám je však na druhé straně nutné uvést, že se jedná o velmi složitý proces, který přináší řadu problémů. Výzkum a vývoj těchto procesů představuje vysoké finanční náklady a řadu let usilovné práce. To je také důvod, proč se aditivním způsobem výroby zabývá jen několik větších světových firem a proč se tento proces zatím podstatně nerozšířil do sériové výroby. Aditivní technikou se dají zhotovovat spoje šíře 0,1 až 0,07 mm. Užší spoje jsou z jiných příčin (např. přilnavost) technicky nerealizovatelné. 8.6.2

Drátové plošné spoje

Drátové plošné spoje v sobě spojují všechny vlastnosti plošných spojů a drátových propojení. Vnějším provedením je deska zhotovená touto technologií velmi podobná klasické desce s vícevrstvým plošným spojem s prokovenými otvory. Proti vícevrstvým plošným spojům má uvedená technologie výhodu v tom, že odstraňuje složitost a nákladnost výroby vícevrstvých desek, snižuje konstrukční kapacity potřebné pro vypracování výrobní dokumentace vícevrstvých desek, zkracuje dobu potřebnou na zhotovení desky, dovoluje

216


vysokou hustotu propojení a snižuje výrobní náklady, zejména u složitých desek vyráběných v malých a středních sériích. Vlastní proces výroby desek využívá speciálního souřadnicového kladecího zařízení, které podle předlohy klade vodiče na předem stanovené pozice. V nich se v další výrobní fázi vyvrtají otvory, které se prokoví. Do takto upravených otvorů se již přímo osazují součástky. K propojování se používají velmi tenké vlasové vodiče izolované polysterimidovým lakem. Díky tomu se mohou vodiče vzájemně křížit, a to bez obavy, že by mohlo dojít k elektrickému zkratu. Proto může být minimalizována signálová cesta mezi jednotlivými spojovanými body, čímž se snižuje doba přenosu. Deska vyrobená uvedenou propojovací technologií může být ekvivalentní až čtyř až šestivrstvé desce vyrobené běžnou technologií plošných spojů. Další výhodou výrobního procesu je, že změny uložení vodičů mohou být provedeny během výroby, zatímco u desky s plošnými spoji musí být změna udělána drátovými propojkami nebo se musí předělat maska, podle které byla deska vyrobena. Základní desku tvoří, stejně jako v případě klasických plošných spojů, sklolaminátová deska plátovaná mědí, která je v místech budoucích prokovených otvorů odleptána. Měděná fólie slouží jako zemní a napájecí vedení. Na tuto desku se pak nanese adhezní fólie. Do ní se ukládají jednotlivé vodiče zvláštní kladecí hlavou. Všechny úkony jsou řízeny počítačem podle předem stanoveného programu. Přesnost kladení vodičů o průměru 0,15 mm je postačující k tomu, aby mezi dva vývody pouzdra standardního integrovaného obvodu mohly být uloženy ještě dva takové vodiče. V další výrobní fázi se základní deska překryje skleněnou tkaninou, která je impregnována speciální epoxidovou pryskyřicí. Krycí adhezní vrstva se následně vytvrdí v laminačním lisu. V požadovaných místech se vyvrtají otvory, které plní dvě funkce. Jednak tvoří spojovací body pro každý vodič a dále pak místo, do kterého jsou vsazovány součástky. Další operací je chemické čištění otvorů a odstranění izolace vodičů. Potom následuje pokovení otvorů, jehož cílem je získat propojení vodičů. Od kladecího stroje jsou vyžadovány extrémní strojařské parametry. Např. výrobek firmy Aritma ZPA měl pracovní plochu velikosti 540x540 mm. Dvě nezávislé kladecí hlavy se pohybují maximální rychlostí 10 cm/s, absolutní přesnost je 0,1 mm. Základem stroje je žulový blok o hmotnosti 2t.


217

Vlastnosti desek plošných spojů

Používané materiály pro plošné spoje již byly uvedeny. Jejich vlastnosti jsou normalizovány. Nejčastěji se užívají normy NEMA ("American National Electrical Manufacture Association"). Většina moderních materiálů je samozhášivých. Mechanické vlastnosti desek (pevnost, tvrdost, nasáklivost, tepelná roztažnost, odolnost při pájení) jsou důležité pro technology. Pro konstruktéry je třeba uvést základní elektrické vlastnosti. Nejprve si povšimněme proudové zatížitelnosti. Všeobecně můžeme konstatovat, že plošné spoje lze zatěžkávat mnohem většími proudy než drátové spoje odpovídajícího průřezu. Je to dáno mnohem větší ochlazovací plochou plošného spoje při stejném průřezu. Jako příklad je možno uvést plošný spoj, vytvořený měděnou fólií tloušťky 35µm, široký 10mm a dlouhý 100mm. Jeho průřez je 0.35 mm2 a plocha, která může vyzařovat teplo je 2 x 10mm x 100mm = 2000 mm2. Průřezu 0,35 mm2 odpovídá drát o průměru 0,67 mm a tomuto průměru odpovídá při délce 100 mm plocha 210 mm2. Z tohoto srovnání plyne, že ochlazovaná plocha plošného spoje je přibližně 10krát větší než u běžného drátového spoje. Zatížitelnost plošných spojů závisí jednak na tloušťce měděné fólie, z níž jsou plošné spoje zhotoveny, jednak na izolantu, z něhož je vyrobena základní deska. Experimentálně bylo zjištěno, že plošný spoj šířky 1,5 mm a tloušťky 50µm se proudem 2 A ohřeje z 20oC na 30oC. Tabulka závislosti mezního proudu (spoj se přetaví), dovoleného trvalého proudu a odporu na šířce spoje při tloušťce fólie 35 µm je v tabulce 7.6.

218


Graf oteplení plošného spoje v závislosti na protékajícím proudu při různých šířkách spoje je uveden na obr. 7.93 a 7.94. Tyto údaje je třeba považovat za orientační. Izolační a povrchový odpor je min. 103 až 104 MW podle druhu materiálu desky. Typické hodnoty jsou větší. Vzhledem k tomu postačuje obvykle minimální mezera mezi vodiči (pro IO 0,25 mm).

Přípustné napětí mezi sousedními plošnými vodiči v závislosti na mezeře udává obr.7.9.5. V kritických případech vyšetřujeme někdy i odpor plošného spoje. V závislosti na šířce spoje (tloušťka vrstvy 0,035 mm) a teplotě můžeme tuto informaci odečíst z grafu na obr. 7.96. Indukčnost L plošných vodičů v závislosti na tloušťce Cu fólie, šířce vodiče a tloušťce dielektrika na deskách se zemnící vrstvou je udána grafem na obr. 7.97. Platí pro materiál G 10 (obdoba náš GE). Na DPS je možné vytvářet plošné cívky s indukčností do fodnoty asi 10µH. Směrem k vyšším hodnotám indukčnosti jsme omezeni plochou, kterou máme k dispozici. Šířku plošného vodiče volíme kompromisem (Čím menší, tím vejde více závitů - současně je ovšem menší kvalita Q). Cívky jsou spirálové, a to kruhové nebo čtvercové, někdy obdélníkové. Čtvercové cívky mají při stejném počtu závitů přibližně o 12% větší indukčnost než cívky kruhové, avšak nižší kvalitu Q (vliv ztrát na hranách). Dosažitelná kvalita v pásmu kmitočtů 10 až 100 MHz je přibližně 50 až 150 podle druhu izolantu základní desky. V literatuře jsou uvedeny experimentálně stanovené vzorce, které můžeme použít. Vzorce uvedené u obr. 7.99 jsou podle [RK6/69:7]. V [Klabal:69] je konstanta K=0,0215 pro


219

kruhovou cívku a K=0,0241 pro čtvercovou nebo obdélníkovou cívku. Zde ovšem a je délka středního závitu v cm. Pro praktický návrh jde s výhodou využít diagramu na obr. 7.101a pro kruhovou cívku a 7.101b pro čtvercovou nebo obdélníkovou cívku. U obou diagramů je vyznačen postup odečtu. Tak např. u obdélníkové cívky s delší stranou 5 m [A=(5+3)/2=4 cm] a vnitřní 3 cm a 1 cm (a=2 cm) bude při počtu závitů N=3 indukčnost L : z úsečky A=4 vedeme přímku na A/a=2/4=0,5. V místě, kde tato přímka protne přímku P, vedeme úsečku na úsečku N=3 a na úsečce L odečteme 0,40µH, což je indukčnost této cívky. Plošné cívky lze také realizovat se dvěma vodiči (obr. 7.100), např. pro vstupní obvody VKV přijímače. Mezi oběma vodiči existuje vzájemná indukčnost a lze vypočítat činitel vazby.

220


Kapacitu C jednoduchého plošného vodiče lze vypočítat, výpočet však činí nejistým blízkost ostatních vodičů, nutnost odhadů vazeb vzduchem a materiálem. V podstatě lze uvažovat pět možností vzniku nežádoucích kapacit. 1) Kapacita mezi dvěma paralelními vodiči, umístěnými na jedné straně DPS. Tento druh parazitní kapacity je nejčastějším případem. Vzájemnou kapacitu dvou spojů lze určit ze vztahu : C (7.26) = 8,85 ⋅ ε r ⋅ K1 l kde er je permitivita (dielektrická konstanta), určená jako aritmetický průměr mezi permitivitou vzduchu (=1) a permitivitou použitého izolantu eri : 1 + ε ri (7.27) 2 K1 je konstanta závislá na rozměrech vodičů a jejich vzájemné vzdálenosti. Tyto konstantu můžeme určit z grafu. Kapacita C vypočítaná podle uvedeného vztahu (7.26) bude v [pF/m]. Je také možné použít grafu na obr.7.103. 2) Kapacita mezi vodičem a vodivou plochou na téže straně desky (obr. 7.104)

εr =


221

222


3) Kapacita mezi vodiči stejné šířky umístěných proti sobě na protějších stranách destičky (obr. 7.105). Za předpokladu, že šířka vodičů je podstatně větší než tloušťka destičky, lze kapacitu vypočítat stejně jako kapacitu deskového kondenzátoru C = 8,85 10-8 eps S/m. 4) Kapacita mezi vodičem a souvislou vodivou plochou na protější straně destičky (obr.124) nebo v určité vzdálenosti na opačné straně (obr. 7.107). 5) Kapacita mezi vodičem a kolmou vodivou plochou (obr. 7.108).


223

Konečné povrchové úpravy

Na obr. 7.108a až 7.108c jsou zachyceny vlastnosti mikropáskového vedení Pro dlouhodobé zajištění pájitelnosti je nutno před expedicí desek plošných spojů provést finální povrchové úpravy. Nejprve je nutno provést čištění desek tak, aby se odstranily nečistoty a oxidy a povrch mědi byl kovově čistý. Lze použít jakoukoliv vhodnou operaci, která zaručuje odmaštění a deoxidaci. Nejvhodnější je broušení pod vodou buď speciálními brusnými kartáči nebo brusnou suspenzí. Po usušení následuje nátisk značkovací barvou, nátisk nepájivé masky sítotiskem a pokrytí pájecím lakem, který pak zaručuje dlouhodobou pájitelnost na strojních zařízeních, která většinou pracují s vlnou. Většina v současné době dostupných pájecích laků je na bázi kalafuny v organických rozpouštědlech a jako filmotvorná složka, která slouží i k omezení lepivosti kalafuny, je přidán nízkotavitelný termoplast (polyakrylát, polystyren nebo polyvinylbutyral).

Nanášení laku lze provést stříkáním, máčením nebo i nanášením na válcích. Takto provedená povrchová úprava je pouze úprava pro transport mezi výrobcem a spotřebitelem. Po pájení se většinou lak smývá i se zbytky tavidla.

224


V případě, že se požaduje dokonalejší povrchová úprava, je možno použít žárové ovrstvování slitinou Sn60Pb buď pomocí válců nebo metodou "Coating and Hot Air Leveling, tj. pokovování PS na speciálním zařízení a to následovně: - nanesení tavidla na hotovou desku PS, - ponoření do roztavené pájky, - odstranění přebytečné pájky pomocí tzv. vzduchového nože (air knife).

8.6.5

Osazování desek plošných spojů součástkami

Součástky jako základní prvky elektronických zařízení jsou propojovány většinou pomocí plošných spojů. Lze je osazovat buď: a) ručně b) poloautomaticky c) automaticky. Přesné hranice není možné určit, ale jednotlivé systémy musí splňovat vždy konkrétní podmínky. Vše je také dáno následným zpracováním osazených desek, především pájením. Vývody součástek je nutné z technologického hlediska upravovat především vhodným natvarováním pro zabezpečení vhodného upevnění v desce při pájecím procesu, dále pro snadné vymytí zbytků tavidla nesmí součástky ležet na desce PS. V neposlední řadě je potřebné z funkčního hlediska budoucího zařízení zabezpečit vhodné chlazení - dodržení stálé výšky součástek nad deskou PS. Úprava tvaru a délky vývodů se provádí ručně nebo na speciálních zařízeních, většinou automatických. Oběma uvedenými způsoby se dosáhne u diskretních součástek předpružení vývodů a jejich zkrácení. Osazování a tvarování součástek je určováno seriovostí; zařízení pro osazování může být založeno na několika principech: 1. osazovací stůl je vybaven otočným karuselem se zásobníky součástek, místo osazení je indikováno pomocí projekčního zařízení; součástky jsou zakládány ručně. 2. automatické osazovací zařízení je řízeno NC nebo CNC systémem a je většinou vybaveno speciálními hlavicemi a umožňuje osazování i nezapouzdřených součástek (resp. předpouzdřených). Existuje samozřejmě velké množství modifikací jednotlivých typů zařízení, ale obecně lze řici, že všechny typy zakládacích zařízení předpokládají větší či menší seriovost. Tato skutečnost brání ve většině případů zavedení jakéhokoliv zařízení. Automatická nebo poloautomatická osazovací zařízení vyžadují kromě velkoseriové výroby i


225

nasazení výpočetní techniky pro přípravu dat. Užití je samozřejmě velmi náročné na organizaci výroby a plynulé zásobování jednotlivými součástkami.

226


Poznámka. Pro pouzdření polovodičových součástek se užívá více než 100 různých pouzder. Podle [Leonida 6] existuje celkem kolem 600 pouzder. Norma JEDEC označuje pouzdra písmeny TO následovanými 1 až 3 číslicemi (a příp. 1 až 2 písmeny). JEDEC (Joint Electron Device Engineering Councils) je v USA součástí Electronic Industries Association (EIA). Zmíněných pouzder se týká publikace 12-F "Registered Outlines and Gauges for Semiconductor Devices". Některá pouzdra jsou vyobrazena na obr. 7.109 až 7.115.


227

228


8.6.6

Konektory pro plošné spoje

Konektory pro plošné spoje (printed board connectors) jsou dvou základních typů - přímé (one-part, edge board) - nepřímé (two-part, plug-and-receptacle) Přímé konektory mají stranu zástrčky provedenou jako součást spojovacího obrazce - viz obr. 7.117. Mohou být jednostranné (single-readout) nebo oboustranné (double-readout). Rozměrová řada rozteče d je palcová (0.1", 0.125", 0.150" a 0.2"). U nás se používá rozteče d = 2.54 mm. Výhody menší složitosti a montáže jsou vyváženy těmito nevýhodami: 1. Je relativně úzké rozměrové toleranční pásmo desky, tj. provedení vývodů a stanovená tloušťka desky. 2. Je nutné zkosení hrany desky (viz obr. 7.119) pro snadnější zasunování. Nezbroušená hrana při zasouvání desky nadměrně opotřebovává povrch kontaktů konektoru. 3. Spolehlivé provedení kontaktu zásuvky vyžaduje fundovaný návrh kontaktních per. Užívají se pera různých tvarů. 4. Hustota vývodů je silně omezena (maximálně 2 řady kontaktů). Velkou pozornost vyžaduje také úprava dotekových polí. Vyžaduje se, aby byl dlouhodobě zaručen přechodový odpor nižší než 15 mW. Pro takto náročné požadavky se používá výhradně galvanické pokovení drahými kovy. Většinou se používá zlato a nízkolegované slitiny zlata. Legurou bývá většinou nikl nebo kobalt, případně oba. Jako mezivrstva se používá vrstva galvanického niklu o tloušťce 5 až 10 mm z toho důvodu, aby se zabránilo difúzi mědi do zlata. Vrstva zlata pro přímé konektory pak stačí 1,5 - 2,0 mm pro zajištění potřebného přechodového odporu.


Obrázek 7.121:

229

provedení FRB

Nepřímé konektory jsou v provedení samostatné zásuvky i zástrčky (na straně desky). Za cenu větší složitosti potlačují nevýhody přímých konektorů. Lze dosáhnout vysoké hustoty vývodů při uspořádání konektorů do více řad. Kritické místo hustoty vývodů je v napojení zástrčky na vývody desky. Typické je provedení dvouřadé zástrčky (obr. 7.120, 7.121a). Dutinka moderní konstrukce (FRB provedení - obr. 7.121b) je složená z řady ocelových pozlacených drátků, zakotvených na koncích v pevném a otočném prstenci uvnitř krycí trubičky. Při zasunování kuželového kolíku zástrčky se prstenec natáčí - vnitřní průměr rotačního hyperboloidu (tvořeného povrchovými přímkami - drátky) těsně dolehne na styčnou plochu kolíku. Konektor je na straně rámu (resp. vany) připojen ovíjenými spoji.

230


8.7

Návrh desek plošných spojů

Metodika návrhu desek plošných spojů závisí na - úrovni vybavení pracoviště (obvykle souvisí s počtem navrhovaných desek) - potřebách konstruktéra elektronického zařízení, tj. na složitosti desky, hustotě součástek, počtu vrstev atd. -možnostech budoucího výrobce Nebudeme zde samozřejmě uvádět amatérské způsoby zhotovování podkladů pro "výrobu PS", ale pouze ty, které jsou použitelné v průmyslové praxi. Návrh plošného spoje lze provádět: - ručně - pomocí poloautomatických zařízení - automatizovaně. Ruční návrh lze stručně popsat následovně: - návrh na papír s rastrem (milimetrový, reap. čtverečkovaný papír) - překreslení na speciální papír (s hliníkovou fólií uvnitř) s modře předtištěným rastrem matnou černí (kostní čerň) - fotografické převedení na filmovou položku s případným zvětšením nebo zmenšením a se zhotovením násobného motivu; předloha bývá opatřena kótou - výroba filmové předlohy motivu (matrice, klišé) podle požadavků výrobce PS, tj. předlohy negativní nebo positivní. Výrobci plošného spoje se obvykle pro výrobu dodává výkres výsledné desky s okótovanými rozměry, průměry děr a s označenými výřezy atd. Zvyšující se složitost si vyžádala postupné odstraňování pracného kreslení předloh klasickou cestou. Metoda poloautomatizovaného návrhu vychází z předchozí, ale ruční návrh vedení spojů je digitalizován, což umožňuje automatizaci kreslení pomocí speciálních zařízení, kde speciální hlava se clonkami (expoziční zařízení) nebo clonka (neměnná) vytvoří motiv spoje na film. Nedílnou součástí dokumentace u těchto složitějších desek je děrná páska (nebo data na disketě) pro numericky řízenou vrtačku. Existují převodní programy k vygenerování děrné pásky pro vrtačku z pásky motivu. Posledním stupněm je tzv. automatizovaný systém návrhu plošného spoje, který spočívá ve využití výpočetní techniky k odstranění ručního návrhu plošného spoje. Míra automatizace závisí na použitém programu. Téměř výhradně se pracuje v interaktivním režimu. Používají se počítače typu PC nebo pracovní stanice. Při návrhu musíme kromě elektrické funkce desky přehlížet též k faktorům, které mají vliv na životnost a stabili;tu desek, zejména: - teploty a zabezpečení odvodu tepla - vibrace a ochranu desek proti vzniku harmonických kmitočtů - pevnost konstrukce se správně volenými součástkami, jejich upevněním a polohou desek v přístroji

Návrh a konstrukce elektronických přístrojů - agresivnost výparů a stupeň ochrany - vlhkost a prach a klimaticko-technologickou ochranu - bezporuchovou dobu provozu s jednoduchou diagnostikou chyb zjednosušení oprav

231

a opatřením na

Pro většinu těchto veličin jsou zpracovány teoretické postupy výpočtů, grafy a konstanty. Důležité však je, aby konstruktér při návrhu desek přihlížel nejen k vlastní desce, ale i k její návaznosti na celý systém. Výkresová dokumentace pro plošné spoje je výsledkem návrhu. Na počátku musí musí návrhář sestavit: - skicu (náčrt) a popis návrhu desky - přijmout rozhodnutí o rozměrech (tj. bude-li použita normalizovaná velikost). Dále se zpracovává tzv. technologická část výkresová dokumentace, tj. - předloha a matrice vodivých a dalších obrazců - programová páska pro vrtání a příp. zkoušení a) Předlohy Mají funkci technologických přípravků a v jiných výrobních oborech je většinou konstruktér nezpracovává (navrhují se a zhotovují v technologické přípravě výroby). Především to jsou: - předlohy vodivých obrazců - předlohy otvorů - předlohy potisků - předloha napájivé masky - předloha ochranné masky Předlohy se na rozdíl od výkresů označují názvem a písmenem (např. "Předloha otvorů S", vodivé obrazce S = strana pájení, B = strana součástek, u vícevrstvých desek se připojuje ještě druhé písmeno Z, takže strana pájení pro vícevrstvou desku je označena AZ, BZ, ...atd., zásadou je, že poslední vnější strana má vždy označení ZZ). Předlohy mohou být nahrazeny výchozími matricemi. Některé společné zásady: - předloha se zásadně zhotovuje z přímého pohledu na tu stranu desky, na které bude zhotoven odpovídající obrazec (vodivý nebo pomocný). Výjimku tvoří matrice pro vícevrstvé desky, které se zhotovují z průhledu od výchozího vodivého obrazce (tj. od strany pájení AZ) - popis na předlohách a matricích musí být orientován tak, aby při správné poloze matrice vůči ostatním matricím desky nebo referenčím otvorům byly všechny nápisy a čísla čitelá (orientována jednosměrně) - ke zhotovení předloh a matric se musí používat kvalitních, neroztažných podložek. Současně se doporučuje, aby podložky byly opatřeny přesným obrazem (v nevýrazné modré barvě) základní sítě

232


- zhotovení obrazů na předlohách a matricích musí být co nejpřesnější s ostrými hranami tvarů vodivých prvků. Proto se při ručním zhotovení předloh (matric) doporučuje pracovat ve zvětšeném měřítku 2:1, 4:1. Kresba musí být tmavě černá, nelesklá. - kresba předlohy (matric) se zhotovuje pozitivním způsobem (vodivý obrazec černý). Ve zdůvodněných případech lze použít i negativní kresbu. Taková předloha musí být mimo plochu výsledné desky výrazně označena (těsně u obrysu výsledné desky) heslem "Negativní kresba". - předloha musí obsahovat následující údaje o rozměrech: a) kontrolní míru b) vyznačení obrysu výsledné desky (pomocí rohových značek c) kontrolní nebo zakládací body (mimo plochu výsledné desky) Poznámka: Na předloze (matrici) musí být v ploše výsledné desky umístěny dva kontrolní body (tvar určuje konstrukční směrnice). Tyto body musí ležet na průsečících základní sítě. Spojnice jejich středů musí být totožná s některou čarou základní sítě. Vzdálenost středů kontrolních bodů musí být kótována (mimo obrys výsledné desky) a tvoří kontrolní míru. b) Matrice Matrice je vyrobena z předloh a slouží k výrobě (kontaktním kopírováním). Je proto v měřítku 1:1 a je na průhledné předloze. Musí být zhotovena tak, aby se obrazec z matrice dal přenášet s minimálním podsvícením desky. Toho se dosáhne tím, že matrice má orientaci obrazce převrácenou, aby světelný paprsek při expozici procházel nejdříve podložkou a pak emulzí (emulze na emulzi). Z toho plyne, že výchozí matrice musí mít písmena a číslice nečitelná ze strany emulze (kresby). Neprůhledné plochy matric musí být proti průhledným výrazně kontrastní, bez kazů. Vnější rozměr matic musí min. o 30 mm na každé straně přesahovat obrys výsledné desky. Kresba spojového obrazce Základním úkolem při návrhu plošných spojů je zhotovení kvalitní předlohy (matrice) pro výrobu desky. Pokud nejde o vysloveně jednoduché zapojení, je téměř pravidlem, že každý návrh je tak časově náročný, že se nevyplatí navrhovat desku pro jediný výrobek. Proto někdy používáme univerzální zkušební desky i pro konečné provedení obvodu. Je-li zapojení určeno pro opakovaná zhotovení, je návrh desek s plošnými spoji zcela na místě. Cílem procesu návrhu je výchozí matrice s negativním či pozitivním obrazcem pájecích bodů a propojovacích plošných vodičů, příp. dalším popisem. Než přistoupíme k návrhu spojového obrazce, musíme se nejprve rozhodnout, ve které třídě konstrukčního provedení budeme plošný spoj realizovat (vedou k tomu požadavky hromadné výroby a také skutečnost, že rozteč vývodů integrovaných obvodů, konektorů a dalších součástek jsou normalizovány). Jednotlivé třídy konstrukčního provedení jsou charakterizovány : - minimální vzdáleností mezi středy dvou sousedních děr (vzájemně izolovaných pájecích plošek), - minimální velikostí pájecích plošek pro jednotlivé velikosti děr, - minimální šířkou plošných vodičů a mezer. Podrobné údaje jsou na obr. 7.122 a 7.123.


Obrázek 9.122: Třídy plošných spojů

Obrázek 9.123: Rozměry pro 5. a 6. třídu konstrukčního provedení desek plošných spojů

233

234


I. třída: Minimální vzdálenost středů dvou otvorů v sousedních pájecích bodech vzájemně od sebe izolovaných je 5 mm. Vedení plošných vodičů mezi dvěma sousedními pájecími body se připouští. Maximální průměr sousedních pájecích bodů je 4,2 mm. II. třída: Pájecí body jsou rozloženy v základní síti s roztečí 2,5 mm. Minimální vzdálenost středů dvou otvorů v sousedních pájecích bodech vzájemně od sebe izolovaných je 3,54 mm (přes uhlopříčku základní sítě). Vedení plošných vodičů mezi dvěma sousedními pájecími body při rozteči 3,54 mm se nepřipouští. Maximální průměr sousedních pájecích bodů je 3,0 mm. III. třída: Pájecí body jsou rozloženy v základní síti s roztečí 2,5 mm. Minimální vzdálenost středů dvou otvorů v sousedních pájecích bodech vzájemně od sebe izolovaných je 2,5 mm. Vedení plošných vodičů mezi dvěma sousedními pájecími body při rozteči 2,5 mm se nepřipouští. Maximální průměr sousedních pájecích bodů je 2,1 mm. IV. třída: Minimální vzdálenost středů dvou otvorů v sousedních pájecích bodech vzájemně od sebe izolovaných je 2,5 mm. Vedení plošných vodičů mezi dvěma sousedními pájecími body se připouští, přičemž vodič musí být umístěn v polovině vzdálenosti mezi středy obou otvorů. Maximální průměr sousedních pájecích bodů je 1,5 mm. Ve všech těchto čtyřech třídách se připouští umístění středů sousedních otvorů za předpokladu, že pájecí plošký umístěné kolem těchto otvorů budou elektricky spojeny. V. a VI. třída: První a druhá třída konstrukčního provedení (přesnosti) jsou vhodné pro desky osazené běžnými pasivními prvky a tranzistory, do třetí třídy patří desky, obsahují-li pouzdra integrovaných obvodů s roztečí vývodů 2,5 mm, čtvrtá třída je určena především pro složité obvody výpočetní techniky. Vyznačuje se na první pohled tím, že spoje procházejí i "mezi vývody" pouzder číslicových integrovaných obvodů, tj. mezi ploškami s roztečí 2,5 (2,54) mm. Ruční návrh jednoduchých plošných spojů Při návrhu volíme, bude-li obrazec nakreslen systémem spojovacích vodičů nebo dělicích čar (nazývané také soustava jednotných vodičů a jednotných mezer), a bude-li použita deska jednostranná nebo oboustranně plátována. U soustavy jednotných vodičů mají vodiče převážně jednotnou šířku a mezery mezi plošnými vodiči jsou různě široké. Při provedení vodivého obrazce soustavou jednotných mezer mají mezery mezi vodičí převážně jednotnou šířku a plošné vodiče jsou různě široké. Každý způsob provedení vodivého obrazce má svoje výhody a nevýhody. U soustavy dělicích čar tvoří spoje celé neodleptané plochy měděné fólie. I když je vodivý obrazec méně přehledný, má tento způsob řadu výhod. Zhotovení předlohy je poměrně snadné (kreslí se jen dělicí čáry a body v místech děr - pracujeme-li s negativním fotorezistem). Výhodná je také úspora leptací lázně, menší elektrický odpor plošných vodičů, větší mechanická pevnost pájeného vodiče a jeho odolnost proti přehřátí (zvláště při opravách se tak snadno neodlupuje. Přerušení spojovací cesty je nepravděpodobné. Nevýhodou může být nebezpečí vzniku neodleptaných můstků mezi vodiči a větší vzájemné kapacity. Soustava dělicích čar je vhodná pro zapojení v první a druhé třídě přesnosti, v jednodušších případech i ve třetí třídě. Soustava dělicích čar nemusí být vždy přirozeně pravoúhlá, ale může vytvářet i nepravidelné obrazce ("brambory") kolem série otvorů a může mít i různě protáhlé, rozšířené či zúžené tvary (obr.12). Tento typ předlohy má pak již blízko k soustavě jednotných vodičů. Soustava dělicích čar se používá především u jednovrstvých desk plošných spojů a u desek, na kterých jsou realizovány napájecí zdroje.


235

Desky s jednotnými mezerami lze navrhovat pouze ručně (počítačové programy to neumí) a nelze je pájet vlnou. Obr. 7.124. Soustava spojovacích vodičů a) v provedení s menšími pájecími ploškami b) s většími pájecími ploškami c) se společným zemním pólem (plochou) Obr. 7.125. Soustava dělicích čar a) pravoúhlých (fólie černě) b) nepravidelných (fólie bílá) c) kombinovanán se soustavou spojových čar Systém spojovacích vodičů používáme pro složitější zapojení odpovídající třídám přesnosti třetí až šesté, zejména obvodů číslicové techniky, vyznačujících se velkým množstvím úzkých spojovacích vodičů shodné šířky. Kresba je náročnější, musíme vykreslovat pájecí body a spojovací vodiče. Můžeme si však pomoci nalepováním speciálních suchých obtisků Propisot. Výkres fotografické předlohy lze přímo použít pro expozici pozitivních fotorezistů. Nevýhodou bývá větší opotřebení leptací lázně, náchylnost k přerušení vodičů snadno přehlédnutelnými trhlinkami, snadné přehřátí a uvolnění pájecí plošky při pájení. Výhodou je malá parazitní vazba mezi spoji. Spoje se vyznačují relativní přehledností. Na způsoby návrhu plošných spojů se názory různí. Proto popíšeme dva způsoby, které se často používají. Stále jde o metody ručního návrhu a předpokládá se výroba fotocestou. 8.7.1

Jednodušší metoda ručního návrhu

Nejprve podrobněji popíšeme metodu, která se ve více modifikacích používala (a snad i ještě používá) ve výrobních závodech k návrhu jednostranných i dvoustranných plošných spojů. Stále se používá v amatérské praxi. Výchozím podkladem je přehledné, funkčně ověřené schéma obvodu, v němž jsou všechny prvky označeny příslušnými písmeny s pořadovými čísly (R1,...,C12,..., T4, IO7) a rozpiska součástek s přesným označením typu. Musíme znát skutečné rozměry použitých součástek, rozteče upevňovacích děr a průměry vývodů. Proto si ve velikosti 1:1 a s vyznačením polohy a průměru vyznačíme všecny potřebné typy součástek na jeden arch milimetrového papíru. Potřebné údaje získáme z konstrukčního katalogu součástek nebo změřením vzorků. V katalogu bývají uvedeny jak doporučené rozteče, tak průměry děr. Pokud je stanovujeme sami, volíme rozteče v násobku 2,5 mm a průměry podle vývodů jako nejbližší vyšší z řady (0,6); 0,8; 1,0; 1,3; 1,6; ... mm. Každému otvoru přiřadíme značku. Tento výkres nekreslíme vždy, doplňujeme jen podle potřeby zakreslením nově použitých typů součástek. Pozn.: kreslíme vždy "ze strany součástek" - pozor na značení vývodů tranzistorů a lineárních integrovaných obvodů (viz zásada x na str. y). Návrh je nutno dělat v měřítku 1:1 (jednodušší obvody) nebo 2:1. Větší měřítka užíváme pro plošné spoje v 5. a 6. třídě, pro povrchovou montáž (případně pro vrstvové integrované obvody).

236


Pro návrh v měřítku 2:1 je nejlepší použít speciální čtverečkovaný papír, který má čtverečky 5x5 mm (nebo 5,08x5,08 mm). Vyhoví i normální čtverečkovaný papír s dobrým soutiskem obou stran. Pak odpovídá jeho rastr právě rastru 2,5x2,5 mm (nebo 2,54x2,54 mm) - rozteči vývodů konektorů, integrovaných obvodů a ostatních součástek. Pro návrh v měřítku 1:1 si musíme rastr pomyslně dělit na poloviny. Užívají se dva způsoby. Někdo navrhuje oboustranné desky s plošnými spoji tak, že kreslí na jednu stranu papíru obě strany, jako kdyby viděl "skrz desku". Používají se barevné tužky: obvykle červená na stranu součástek a černá (obyčejná) na stranu spojů (tj. pájení) - těchto spojů je obvykle více. Pozor na to, že barevné pastelky se špatně gumují, zvláště tzv. inkoustové, ty jsou však nejlépe vidět. Žlutou pastelkou, nebo některou málo výraznou barvou, zakreslujeme již při návrhu rozložení součástek. Druhou možností je kreslit obyčejnou tužkou na obě strany papíru. Též je možno použít plných a přerušovaných čar kreslených obyčejnou tužkou a kreslit na jednu stranu papíru. Tento postup popíšeme podrobněji. Koordinace prací na obou stranách budoucí desky zajišťujeme tak, že jakmile nakreslíme nová kolečka na spodní stranu, překreslíme je hned i na horní, buď pohledem proti světlu nebo si polohu určíme pomocí již nakreslených bodů. Samozřejmě se snažíme dát všechny spoje na stranu pájení. Chceme-li však mít dobré vodiče zemí a napájení, musíme obvykle některé spoje umístit i na stranu součástek. U složitějších desek se pak oběma stranám nevyhneme, i když používáme k rozvodu napájení pásky (hřebínky), které se do desky zapájejí jako součástky. Určité množství spojů můžeme též nahradit drátovými propojkami (není vhodné pro automatizovanou montáž; drátové propojky dovolí někdy navrhnout desku jako jednostrannou, bez těchto propojek by musela být dvoustranná). Ve vf obvodech a měřicí technice někdy slouží fólie na jedné straně jako celistvá zemnící plocha. Pak nemusíme pro tuto stranu vykreslovat fotopředlohu, ale jen vrtací předpis, podle něhož při výrobě odstraníme (odvrtáme) fólii kolem děr, jimiž mají procházet vývody součástek nespojené se zemní plochou - např. vrtákem nabroušeným s větším úhlem břitů, případně s vybroušeným malým naváděcím hrotem, vrtačku použijeme se stojanem, u něhož lze nastavit hloubku vrtání. Při návrhu je vždy dobré si očíslovat rohové body integrovaného obvodu (např. 1,7,8,14), abychom se lépe orientovali. Spoje a pájecí body se kreslí jen symbolicky, bez ohledu na velikost. Širší spoje nebo plochy zemí kreslíme však tak, jak budou. Spoje, které jsme již zakreslili, si označíme ve schématu přeškrtnutím čáry u příslušného obvodu. Rovněž dopíšeme do schematu číslo špičky (vývodu) obvodu, kterou jsme použili. Při návrhu desky s plošnými spoji je důležité předem odhadnout, jak rozložit jednotlivé celky zařízení vzhledem k jejich propojení, k počtu spojů na konektory, atd. I když rozložení odhadneme, zakreslujeme do návrhu obvody po částech a podle toho, jak se návrh vyvíjí, přidáváme další. Součástky se umísťují na desky v pravoúhlém systému souřadnic. Toto umístění se zvlášť doporučuje pro konstrukci desek s integrovanými obvody v pouzdrech typu DIL. Při použití standardního tvaru a rozměru desek v jedné výsledné konstrukci se pro snadnější zhotovení předlohy a montáž doporučuje umisťovat pouzdra integrovaných obvodů do jednotných, předem určených řad a sloupců, navržených pro maximální počet uvažovaných pouzder na desce. Jednotlivé pozice pouzder je pak možno podle potřeby vynechávat.


237

U desek osazených diskrétními součástkami lze ve zdůvodněných případech umístit tyto součástky i mimo systém pravoúhlých souřadnic, pokud se tím umožní snadnější zapojení či montáž obvodů na deskách nebo to podmiňují elektrické požadavky konstruovaných obvodů. Snažíme se vždy využít všech hradel a klopných obvodů, a bychom potom neměli dvě nepoužitá hradla někde, kde jsou okolo již samé spoje. Někdy nás návrh přinutí použít dvouvstupové hradlo jako invertor apod., protože by jinak zbylo a k invertoru je daleko proto při úvahách o počtu obvodů na desce si musíme nechat nějaké hradlo do rezervy. Největší potíže při návrhu pak máme samozřejmě při posledních spojích, kdy už není nikde volná ulička. Nakonec doplníma návrh o blokovací kondenzátory napájení a návrh překontrolujeme. Při kontrole je dobré každý zkontrolovaný spoj znázornit ve schématu obtažením spoje červenou tužkou. Jako pomůcku je vhodné mít při návrhu tři papíry. Na prvním si uděláme obrázky pouzder jednotlivých obvodů, aby bylo jasné jak jsou obsazeny jejich špičky (vývody). Tyto obrázky je vhodné mít na stejném čtverečkovaném papíře, jaký používáme při návrhu a mít je dvoustranně a doplňovat je o další obvody. Na druhém papíře si označíme, jaké rozteče pájecích bodů jsou potřeba pro tranzistor, pro rezistory jednotlivých typů, konektory, atd. Vyšrafovanou plochou si pak označíme, jakou plochu na desce součástka zabere. Také tento papír neustále doplňujeme a zpřesňujeme. Třetí papír je na poznámky a můžeme ho po návrhu zahodit. Na něj si píšeme, která hradla jsou ještě volná, které špičky u dlouhého spoje (třeba nulování) ještě chybí propojit, atd. Výsledný návrh překreslíme tuží na pauzovací (nebo speciálně k tomu určený - viz dříve) papír. Je nejvýhodnější, když toto překreslení (kresbu vodivého obrazce a pájivých bodů) bude ručně zhotovovat stejný pracovník, který zhotovil návrh. Druhou možností je návrh digitalizovat pro strojní vykreslení předlohy. Vícevrstvé desky se v současné době ručně nenavrhují (výrobce by takovouto zakázku nepřijal). Teoreticky to však možné je. Efektivní by to mohlo být jen u čtyřvrstvých desek, jde vnitřní vrstvy by sloužily k rozvodu napájení a země, jejich návrh je velmi snadný, jde pouze o návrh izolovaných oblastí kolem budoucích prokovených děr, které nemají být s vrstvou spojeny. 8.7.2

Složitější metoda ručního návrhu

Nyní popíšeme jinou metodu ručního návrhu. Je poměrně pracná, ale vede k velmi dobrým výsledkům, neboť jím získáme úplné výrobní podklady a možnost poměrně snadno nalézt a odstranit závady ještě v průběhu návrhu. To má význam při návrhu složitých obrazců. Postup je na obr. 7.126. Vychází se opět ze schématu obvodu a rozpisky součástek. Obdobně si vytvoříme výkres zachycující tvary a obrysy součástek - označíme si ho jako pomocný výkres 0. Tento výkres opět může sloužit pro řadu návrhů. Na podložku přilepíme samolepicí páskou za rohy arch milimetrového papíru, na který nakreslíme obrys desky, vyznačíme předem stanovenou polohu upevňovacích děr, ovládacích a nastavovacích prvků, míst, kde lze součástky umístit apod. Je výhodné nakreslit dva takové motivy vedle sebe. Dostáváme výkres označený 1. Překryjeme jej pauzovacím papírem, přilepíme a kreslíme návrh rozložení součástek a jejich propojení. Pro tuto činnost neexistuje žádný zvláštní obecný postup vedoucí rychle k úspěchu, svou roli zde hrají především zkušenosti. Pracujeme systémem "tužka - guma". Jeden z podkladových obrázků využíváme k hledání vhodného uspořádání třeba jen části

238


obvodu, navrženou část překreslujeme do druhého obrázku. Role obou kreseb se mohou během návrhu několikrát vystřídat. Součástky kreslíme ve skutečné velikosti podle 0, vývody umísťujeme do rastru 2,5 mm. Připomínáme, že kreslíme "ze strany součástek". Výsledkem je návrh rozložení a propojení 2. Podle 2 a s pomocí prosvítající milimetrové sítě výkresu 1, vykreslíme na nový milimetrový papír polohu součástek 3, z níž kopírováním vykreslíme všechny výrobní podklady. Proto je výhodné polohu děr zdůraznit křížky nebo tečkami (tuší), aby dobře prosvítaly. Dbáme na jejich přesné umístění v milimetrové síti, obrysy součástek kreslíme počlivě "od ruky". Po překrytí výkresu 3 a přelepení pauzovacím papírem si vyznačíme díry (nejlépe rýsovacímy pery) a podle návrhu propojení 2 nakreslíme detailní návrh obrazce plošných spojů (tužkou) 4. Podle potřeby volíme metodu dělicích čar nebo spojovacích vodičů. Přihlížíme již k tomu, že se liší velikost děr a tím i pájecích bodů. Napájecí a společné vodiče volíme co nejširší. Podle potřeby upravujeme polohu součástek na 3. Výkres 4 sejmeme, 3 překryjeme opět pauzovacím papírem a podle polohy děr na 3 a potřebné velikosti děr podle 0 kreslíme vrtací předpis 5. Pracujeme tuší. Sejmeme 5, překryjeme pauzovacím papírem a nakreslíme (narýsujeme) rozložení součástek 6.


Obrázek 9.126

239

240


Na závěr překryjeme 3 kvalitním pauzovacím papírem nebo některou ze speciálních plastových fólií, která má povrch upraven pro kresbu tuší, a narýsujeme fotografickou předlohu 7. Předlohou je výkres 4, podložený výkresem 6. Kresba musí být kontrastní, kvalitní tuší. Při metodě dělicích čar použijeme pro čáry pero o průměru hrotu 0,5 mm, pro body vyznačující díry asi 0,3 mm. Při metodě spojovacích vodičů nanášíme pájecí body z archů suchých obtisků Propisot. Ověříme přiložením : 6 na 7 - správnost zapojení (podle schematu), 5 na 6 - správnost vrtacího předpisu (podle 0), 5 na 7 - správnost velikosti pájecích plošek fotografické předlohy. Výsledkem návrhu jsou tyto výkresy : 7 - fotografická předloha 6 - výkres rozložení součástek 5 - vrtací předpis 4 - návrh kresby fotografické předlohy 3 - mateční rozložení součástek 2 - prvotní návrh rozložení a propojení 1 - obrys desky 0 - výkres velikosti součástek, umístění upevnňovacích děr Výresy je možno rozdělit podle typu dokumentace následovně : 7, 6, - výrobní dokumentace desky s plošnými spoji 5,4,3,2 - pro uložení pro případnou úpravu při ověřování 1 - u jednotných formátů použitelné pro další návrh 0 - trvale použitelné pro další návrhy Pozn.: Při návrhu dvoustranné desky s plošnými spoji se zdvojují výkresy 4 a 7. S výhodou můžeme, díky pauzovacímu papíru, překrývat více vrstev, kreslíme stále "ze strany součástek". Návrhy obou kreseb můžeme barevně rozlišit. Chceme-li použít negativní fotorezist nebo zhotovit pracovní kopie originálu fotografické předlohy, pomáháme si kontaktním kopírováním na plochý film. 8.7.3

Podrobnosti k návrhu vodivého obrazce

Po obecném popisu možné metodiky celého návrhu si nyní podrobněji všimneme vlastního vodivého obrazce. Jde vlastně o styk - požadavků technologických (co je možné vyrobit, požadavky na testování a pájení), - požadavků funkce a eliminace parazitních vlivů (to jest elektromagnetické kompatibility), - požadavků na odvod tepla a také - hlediska estetického. Některé z těchto věcí probíráme odděleně na jiném místě tohoto skripta (jinak by chaos v této kapitole byl neúnosný). Potřebnou syntézu si musí provést čtenář sám. Rozmisťování součástek předchází návrhu vodivého obrazce. Jeho postup je přibližně tento :


241

- nejprve je nutno rozmístit součástky, které vyžadují mechanické zabezpečení funkce (trimry, potenciometry, cívky s dolaďovacími jádry) - pak je nutno nahrubo rozmístit ostatní součástky přibližně dle schematu, a by se mohly zjistit vzájemně nežádoucí vazby - součástky válcového tvaru (R, C) umístit v jednom směru (příp. ve dvou směrech na sebe kolmých) Je vhodné si udělat návrh rozložení součástek a propojení v měřítku 1:1; taková skica (kreslená z pohledu na součástky) usnadní volbu velikosti desky, konečné rozložení součástek a kresbu budoucí předlohy Dále je vhodné dbát, kromě již uvedených požedavků i následujících zásad, aby : - výstup a vstup jednoho stupně nebyly příliš blízko sebe a aby tím nedocházelo k nežádoucím vazbám - spoje, které mezi jednotlivými součástkami povedou byly co nejkratší a aby se pokud možno nekřížily - křížení vodičů odstranit tím, že se přes toto místo vede součástka, která přemostí křížení - vývody z desky byly umístěny v takovém místě, aby napojení na zdroj případně ostatní desky a součástky bylo co nejkratší - u digitálních obvodů orientujeme pouzdro podle obr. 7.128 a rychlejší obvody umisťujeme u konektoru (obr. 7.129) - polovodičové součástky a ostatní součástky citlivé na teplotu byly co nejdále od zdrojů tepla - cívky a keramické kondenzátory laděných obvodů, jejichž parametry také většinou závisí na teplotě, byly také od tepelných zdrojů co nejdále Společný pól zdroje - většinou záporný ("zemní") - se snažíme vést tak, aby procházel mezi místy, mezi nimiž by neměla vzniknout nežádoucí vazba. Výjimečně si pomáháme při křížení vodičů tím, že dvě místa, která nejdou propojit na straně spojů, bychom propojili drátem na straně součástek. Je to sice funkčně nezávadné, avšak z technického hlediska nedokonalé a při trošce přemýšlení se vždycky najde cesta, jak spojení uskutečnit v obrazci plošných spojů. U vf a "živých" spojů, nejde-li to jinak, je však toto propojení vhodnější, než vést dlouhý spoj. Pokud se na desce vyskytnou spoje přenášející větší napětí, zvětšíme izolační mezeru mezi těmito spoji a ostatními okolními plochami a snažíme se aby spoje byly co nejkratší. Stejně tak dbáme, aby spoje přenášející signály nízké úrovně měly co nejmenší plochu, aby se omezila možnost indukování rušivých napětí a poruch. Platí to i u soustavy dělicích čar, kde by plocha omezená dělicími čarami, měla být v těchto případech co nejmenší. Je dobře vyhnout se souběžnému vedení dvou nebo několika rovnoběžných spojů, pokud jimi protéká střídavý proud (je to možné u napájecích přívodů stejnosměrného napětí). Je-li to nevyhnutelné, protáhneme mezi nimi alespoň jeden spoj, spojený se společným pólem zdroje. Základní doporučení pro návrh spojů: - použití dostatečně velkých izolačních mezer, šířek vodičů a velikost pájecích plošek - volit tvar pájecí plošky jednoduchý (nejlépe kruhový) - nepoužívat pro pájecí plošky různých krácených tvarů (např. seřezávání kruhů Cu fólie) - společné pájecí plošky pro více součástkových otvorů nezaručují dobrou pájitelnost

242


- pájecí body ve velkých plochách mědi se špatně pájí; proto radějiši kreslit normální pájecí plošku s izolačním prstencem a k propojení plošky s plochou mědí použít dvě až čtyři spojky (krátké proužky) - plynulé tvary plošných vodičů užívat jen u analogových obvodů, umožňují zkrátit délky vodičů; obtížně se kreslí - plošné vodiče u digitálních obvodů zakreslovat pouze tak, aby sledovaly souřadnice základní sítě, lomit vodiče pouze pod úhlem 45 stupňů, přičemž body zlomu se musí krýt s průsečíkem souřadné sítě - doporučená šířka vodičů 0,8 mm až 1,0 mm (u vodičů širokých přes 3 mm může vzniknoutr potíž při pájení vlnou) - šířka izolačních mezer se doporučuje 1 mm; na každých 150 V rozdílu potenciálu má být izolační mezera alespoň 0,75 mm - vodiče vzájemně nenapojovat v ostrých úhlech - zachovávat dostatečnou vzdálenost vodičů od hran desky - zúžení vodičů použít jen omezeně na nezbytně nutné délce - velké plochy mědi odlehčovat pravidelnými obrazci z izolačních plošek nebo mezer, může se zde uvést název desky nebo číslo - obrys označit rohovými značkami; nevykreslovat obrys (předlohy, matrice) přerušovanou čarou - doteky zúženým vodičem propojit na sběrný vodič pro pokovování nebo v celé šíři protáhnout kresbu přes obrys výsledné desky (méně vhodné) - nutno počítat s tím, že se při výrobě mění šířka plošného vodiče podleptáním v rozmezí 10 až 20 mm (u 35 mm Cu fólie) a při použití kovové leptuodolné masky se rozšiřuje horní část vodiče nárustem kovové masky o 20 až 30 mm při tloušťce vrstvy 15 mm, pokud není užito suchého rezistu Bezpodmínečně je však nutné si uvědomit, zda budeme předlohu kreslit ze strany spojů, což je téměř vždy, nebo ve speciálních případech ze strany součástek. Pro většinu případů se proto musíme dívat na skicu propojených součástek "zespodu". Je to nutné proto, abychom správně situovali vývody tranzistorů a integrovaných obvodů. Jinak by se mohlo stát, že vývody těchto součástek budou zapojeny obráceně, což nelze odstranit. Pokud se to stane a desku nechceme vyhodit, pak takové součástky musíme připojit (připájet) ze strany spojů (tj. stejně jako u plošné montáže. Uvidíme později, že u ní naopak, použijeme-li příslušné součástky, musíme spoje kreslit tak, jako by tyto součástky na spojích ležely. Rozhodnutí, zda kreslit ze strany spojů nebo součástek je tedy základním pro bezchybnou výrobu desky s plošnými spoji, zvláště u začínajících návrhářů. Chybná kresba předlohy se obvykle zjistí až při montáži součástek. Postup zakreslování drah plošných vodičů do náčrtu může být zčásti určován povahou obvodu nebo logického návrhu. Plošné vodiče, které jsou kritičtější z hlediska elektrických parametrů, je vhodné zakreslovat v přímých drahách a jejich polohu neměnit. Dobrou pomůckou je zakreslení takových plošných vodičů fixem, což připomíná, že se poloha těchto vodičů nesmí měnit. Při návrhu se doporučuje začít s plošnými vodiči ke konektoru desky, potom pokračovat u pouzdra v levém horním rohu desky (při umístění konektoru vlevo) a zakreslit všechny spoje k tomuto pouzdru. Potom přejít k dolnímu dalšímu pouzdru atd. až se zakreslí celý vodivý obrazec řada po řadě. Hlavní předností tohoto systému je, že v případě nejistoty kudy vést dráhu, je bezpečnější umístit jej směrem nahoru nebo doleva, tj. přes anebo v blízkosti dokončené části návrhu.


243

244


Existuje-li nějaké univerzální pravidlo pro zakreslování drah plošných spojů, potom zní asi takto : "Ať se zakreslí první dlouhý plošný vodič kamkoliv, bude jej stejně nutné později přemisťovat. Rozvody pro napájení a přívodní zem mohou být u vícevrstvých desek na vnitřních vrstvách a v tom případě je není třeba uvažovat. U dvouvrstvých desek však musí být na povrchu spolu se signálovými plošnými vodiči. Vzhledem k tomu, že tyto vodiče budou vždy spojovat známé vývody známým způsobem, je vhodné je do náčrtu zakreslit jako první. Ať se zvolí jakýkoli systém, je možné, že bude zapotřebí provést nějaké menší změny v umístění těchto plošných vodičů před dokončením celé kresby vodivého obrazce. Proto není vhodné uvádět tyto plošné vodiče v definitivní podobě. Do náčrtu se mohou zakreslit světlou barvou, která je však dostatečně jasná (aby se zakreslené plošné vodiče nemohly přehlédnout) a kterou je možné později po případných nezbytných změnách překreslit do definitivní podoby. Rozvodu napájení se budeme věnovat podrobně ještě později. Dále je třeba uvažovat plošné vodiče vedené na konektor desky. Jestliže pořadí kontaktů na desce bylo stanoveno předem, začínají plošné vodiče u kontaktů a procházejí přímo až k určenému pájecímu bodu. Pokusme se stručně shrnout zásady vedení spojů při návrhu plošného obrazce. Předpokládejme i nadále orientaci obrazce v tom smyslu, že strana součástek bude nahoře a kontakty vlevo. Nejprve je třeba zkusit dráhu plošného vodiče směrem nahoru nebo dolů po souřadnici základní sítě, která sousedí s místem vzniku. Souřadnice základní sítě, která je blíž cílovému bodu, se zkusí co nejdříve. Dráha plošného vodiče sleduje tuto souřadnici základní sítě až k poslední souřadnici před souřadnicí cílového bodu, projde propojovacím otvorem, potom se vede napříč deskou a konečně dalším propojovacím otvorem přejde na druhou stranu desky ke konečnému propojení s cílovou pájecí ploškou. Jak se postupně zaplňuje plocha desky, roste pravděpodobnost, že tento doporučovaný postup přestane být možný. Pro vertikální část dráhy se může vyhledat nejbližší volná souřadnice základní sítě, avšak musí se přitom dbát, aby byla také volná dráha napříč deskou (z místa vzniku dráhy k této souřadnici základní sítě). Je možné umístit propojovací otvor v průsečíku obou drah, aniž by překážel jinému otvoru. Je třeba si uvědomit, že při použití dosud uvažovaných rozměrů pájecích plošek (rovných nebo o něco větších než rozteč základní sítě) nemohou být propojovací otvory blíž k sobě než na diagonálně sousedících průsečících základní sítě. Je-li horizontální souřadnice základní sítě již obsazena, je třeba vyhledat jinou souřadnici ve stejné skupině mezi dvěma řadami pájecích plošek pouzdra. Pravděpodobně se dosáhne stadia, kdy jednoduchá dráha tvaru L s krátkými šikmými lomenými čarami na koncích již nebude možná. Tehdy je nutno umiťovat plošné vodiče schodovitě přes desku na krátkých úsecích základní sítě. Nutno poznamenat, že jedinými nevýhodami takové schodové dráhy je zvětšení počtu propojovacích otvorů a zvýšená obtížnost při sledování kresby vodivého obrazce pohledem. Celková délka dráhy plošného vodiče zůstane stejná. Může nastat případ, kdy se plošný vodič bude muset vzdálit od svého cílového bodu, aby se našla volná souřadnice základní sítě. To lze připustit, ale při návrhu obvodu se musí jasně stanovit omezení celkové dráhy plošných spojů. V pokročilejších stadiích návrhu vodivého obrazce můžeme zjistit, že je potřeba určitého počtu změn v předchozím návrhu. Plošné vodiče již umístěné je možné převádět pomocí šikmých lomených drah na další souřadnici základní sítě, aby se uvolnila dráha (mezera) pro


245

nový plošný vodič. Je také možné přemístit propojovací otvory a použít lomených drah, aby se uvolnila mezera pro další propojovací otvor. Každý zkušenější návrhář musí poznat, kdy je nejvhodnější začít se změnami plošných vodičů již zakreslených. Není-li možné vést dráhu pomocí tří schodů nebo prodloužením nejjednodušší dráhy o 20%, pak je třeba uvažovat o změnách. Vhodné využití šikmo lomených drah může uspořit značnou část plochy desky. Naopak špatné lomy mohou vy7plýtvat hodně místa na desce. Jestliže jsou lomy vedeny přesně v úhlu 45 stupňů a počátkem a koncem uprostřed mezi souřadnicemi základnísítě, je možné přemístit libovolný počet vodičů společně o jednu nebo několik souřadnic základní sítě (obr. 7.130a). Prochází-li dráha plošného vodiče v sousedství řady pájecích plošek pouzdra a ohýbá-li se tak, aby se vodič nesetkal s pájecí ploškou je zcela přirozené vést lom v úhlu 45 stupňů tak, aby mířil do středu pájecí plošky (obr. 7.130b). Těsnějšího rozmístění dosáhneme, když plošný vodič vedeme v úhlu 45 stupňů z bodu na okraji pájecí plošky, takže se zdá, že plošný vodič vstupuje do pájecí plošky téměř tečnou (obr. 7.130c). Jestliže vodiče opouštějí pájecí plošky radiálně, mohou se do mezery umístit pouze tři vodiče. Tangenciální umístění vodičů dovolí průchod čtyřem vodičům při zachování izolačních mezer. Tento způsob lze obvykle použít jen při ručním kreslení předlohy. Obr. 7.130: Způsoby vedení vodičů na plošném spoji s využitím šikmo lomených drah. Všechny plošné vodiče, které vycházejí z pájecích plošek pouzdra vertikálně k propojovacímu otvoru a křižují více než dvě souřadnice základní sítě se doporučují přezkoušet a zaměnit horizontální dráhu z propojovacího otvoru za dráhu sousedící s řadou pájecích plošek pouzdra. Je-li vodič sousedící s řadou pájecích plošek pouzdra kratší než zkoumaný vodič, a nepřesahuje-li jej ani na jednom konci, potom můžeme tento zkoumaný vodič přemístit na další souřadnici základní sítě rovnoběžnou s řadou pájecích plošek pouzdra s vložením lomů (vyhne se tak přítomnému kratšímu vodiči). Ostatní vodiče mezi původní drahou zkoumaného vodiče a její novou polohou musíme lomit obdobně. Stejným způsobem lze vkládat krátký úsek vodiče "dovnitř" delší dráhy s případnými lomy. Tam, kde zkoumaný vodič zčásti přesahuje délku dráhy již umístěného vodiče sousedícího s řadou pájecích plošek pouzdra, je žádoucí výměna polohy vodičů. To platí, jestliže první z nich má tři odbočky k řadě pájecích plošek pouzdra a druhý jen dvě. Není-li tomu tak, uvažovaný vodič lze přemístit rovnoběžně s řadou pájecích plošek s lomy na nejbližší další souřadnici základní sítě. Tím se vyhneme již přítomnému vodiči. Při takových změnách dráhy vodičů je třeba dávat pozor, aby se přitom neporušila žádná pravidla. Může se stát, že někde uprostřed plošného vodiče, který zamýšlíme přemístit, bude propojovací otvore v takové poloze, že přemístění by jej přemístilo k některému jinému otvoru, se kterým nesmí být spojen. V takovém případě je třeba se pokusit o přemístění otvoru podél dráhy uvažovaného vodiče na bezpečnější místo, nebo je nutné upustit od přemístění vodiče. Dalším důvodem, pro který nemůžeme přemístit vodič, je propojovací otvor na dráze plošného vodiče, který by se po přemístění mohl dostat do polohy uprostřed mezi dvě pájecí plošky pouzdra. Vodič můžeme buď vyměnit s jiným vodičem, anebo přesunout na novou souřadnici. Vodič, který byl umístěn na této souřadnici a všechny ostatní mezi touto souřadnicí a původní polohou zkoumaného vodiče se posunou o jednu rozteč aby uvolnily místo pro přemisťovaný vodič.

246


Jestliže všechno vylepšování, čištění a přemísťování drah plošných vodičů nestačí uvolnit prostor pro jinak obtížnou dráhu vodiče, je nutné uvažovat o změně rozmístění pouzder. Při návrhu obvodu by se mělo ponechat několik míst pro pouzdra volných. Jak pro případ přemísťování pouzder u obtížnější desky, tak pro případ budoucích modifikací. Jedním ze způsobů, jak uspořit prostor, je vedení dráhy vodiče přes nepoužitý vývod pouzdra. U některých integrovaných obvodů nejsou všechny vývody zapojeny uvnitř pouzdra (označeno NC) a dají se tudíž volně použít. U logických obvodů se někdy stává, že nejsou požity všechny vstupy hradla a součástkového otvoru nepoužitého vstupního vývodu se dá využít k vedení plošného vodiče, jímž prochází signál, který nemá vliv na logickou operaci dotyčného hradla. Použití takových živých vývodů je možné až po podrobném ověření obvodového řešení. Po umístění všech plošných vodičů se doporučuje prohlédnout kresbu obrazce, aby se zjistilo zda vytváření definitivní předlohy nebude příliš obtížné. Všechny dráhy by měly být co nejrovnější, lomy by měly být umístěny spíše v sousedství pájecích plošek než uprostřed dráhy vodičů. Měla by se omezit schodovitost lomů na jeden dlouhý lom a všude, kde je to možné, by se lomy a vodiče procházející kolem pájecích plošek měly posunout o jednu nebo dvě souřadnice od pájecích plošek, aby se zvětšily izolační mezery. Ruční kreslení předlohy spojovacího obrazce Překreslení návrhu do konečné formy je náročné na pečlivost a čistotu práce, avšak při vhodném zvětšení (2:1) nevyžaduje mimořádnou pozornost. Předlohy se zhotovují na jednostranně matovaných fóliích z plastických hmot (např. Astralon, Sicoprint, Reprolar) s minimální tepelnou roztažností. Pro snadnější zhotovení kresby vodivého obrazce se doporučuje rastr s roztečí 2,5 nebo 5 mm v barvě modré (rastr se při fotografickém zpracování odfiltruje). Kresba vodivých obrazců se na fólie z plastických hmot zhotovuje na jejich matované straně. Nevhodný je pauzovací papír, a to zejména v těch případech, kdy je zapotřebí tuší pokrýt větší plochy, protože dochází ke smršťování pauzovacího papíru. Na plastickou fólii lze kreslit i tužkou, lze mazat a škrábat. Pro opravu se může použít dobře krycí bílé barvy, na kterou se po zaschnutí obrazce překreslí. Širší vodiče se kreslí dvěma obrysovými čarami trubičkového pera a střed vodiče se vybarví. Plochy musí být kontrastně kryty bez vlasových přerušení a šedivých míst. Nutno kontrolovat při zvětšení. Barvy, kterými se kreslí předlohy a matrice musí být černé, nelesklé a dokonale přilnavé. Ke kreslení se nejvíce používá temperových barev, zlepšených přidáním arabské gumy a speciálních tuší na astralon. Pro kreslení se s výhodou požije prosvětlovacích stolů s neoslňujícími světelnými zdroji. Jinou metodou ručního pořízení předlohy je nalepování předtištěných samolepicích symbolů. Tyto předtisky nabízí celá řada specializovaných výrobců - u nás se vyrábějí pod označením "Propisot - elektrotechnika" v měřítku 1:1 i 2:1 (viz obr. 7.131 a 7.132). Tento způsob umožňuje relativně snadné zhotovení dokonalé předlohy, především pokud jde o ostrost hrany obrazce. Předtisky jsou tedy přínosem z hlediska urychlení kresby a zlepšení čistoty práce, nikoli přesnosti. Uveďme některé zásady při ručním zhotovení předlohy s využitím samolepicích symbolů. Obtisky je vhodné uchovávat zabalené v polyetylenovém sáčku; jinak lepidlo vysychá a obtisky pak špatně lepí. Při práci pokládáme stranu opatřenou lepidlem vždy na ochranný papír se silikonovou vrstvou (přiložený výrobcem). Nikdy nepokládáme obtisky lepicí stranou na pracovní stůl, protože se obvykle přichytí nečistoty, které pak způsobují trhání obtisků při


Obrázek 9.131.: Obtisky Propisot Elektrotechnika

247

248



249

snímání. K vlastnímu snímání obtisků používáme nejlépe kovový hrot se zaoblenou špičkou dobře poslouží i nepíšící propisovací tužka. Místo, které chceme z obtisku sejmout, důkladně několikrát přitlačíme kovovým hrotem na předlohu až je zřejmé, že došlo k odlepení symbolu. Obtisk pak z předlohy sejmeme nikoli trhem, ale postupným odlepováním. Po sejmutí obtisku je vhodné místo zafixovat zatlačením plochou nehtu přes uvedený ochranný papír. Osvědčilo se i zatlačení čepičkou prstu. Poznamenejme, že pro integrované obvody s kruhovým uspořádáním není vhodné používat pájecí body z Propisotu - elektrotechnika 517 (obr. 7.132). To proto, že při vrtání otvorů dochází vzhledem k nevhodnému tvaru pájecích bodů k roztržení směrem do středu. Mimo to příliš malý průměr, na kterém jsou pájecí body uspořádány, neumožňuje vedení spojů pod integrovaným obvodem. Doporučujeme tento průměr volit dle průměru příslušné patice. V případě nutnosti lze pak pro realizaci funkčního vzorku použít patice. Taktéž úzké oválky pro pájecí body integrovaných obvodů v pouzdrech DIL užíváme pouze výjimečně v těch případech, kdy je zapotřebí mezi dvěma pájecími body vést signálový vodič. Potřebujeme-li vyznačit nestandardní otvor, např. otvory pro připevnění konektoru pomocí šroubků, vyznačíme pouze střed otvoru pomocí kruhového pájecího bodu, popřípadě ještě vnější průměr otvoru. Je nepraktické nakreslit jen vnější obvod bez vyznačení středu, protože při vrtání obvodu nelze nasadit vrták. V případě, že se při snímání symbolu odlepují i okolní symboly, je vhodné lehce proříznout (například zlomenou čepelkou)lepidlo kolem požadovaného symbolu. Největší problémy jsou při snímání čar, a proto je výhodnější raději čáry na předlohu kreslit tuší. Aby při snímání nedošlo k umašťení předlohy (například přirozenou mastnotou rukou), které by způsobilo špatnou přilnavost tuše, je vhodné předlohu neustále chránit čistým papírem před dotykem rukou. Při kreslení tuší je zapotřebí zajistit dobré krytí černých ploch a ostré obrysy. Kreslíme-li na průhlednou fólii, nesmí být při průhledu přes fólii za denního světla žádný spoj šedý. Zlepšení lze nejlépe dosáhnout přetažením čáry z druhé strany fólie. Při překreslování je zapotřebí dbát na potřebnou šířku plošných vodičů a na dodržení izolačních mezery mezi sousedními vodič. Šířka plošných vodičů se řídí : a) přípustnou (resp. požadovanou) kapacitou a indukčností mezi přilehlými nebo protilehlými plošnými vodiči, b) proudovou zatížitelností plošných vodičů, c) volnou plochou mezi jednotlivými prvky vodivého obrazce s přihlédnutím k požadovaným šířkám izolačních mezer mezi plošnými vodiči. Pro běžné signálové vodiče se doporučuje šířka 0,6 nebo 0,8 mm. Minimální šířka vodičů ve III. a IV. třídě je 0,3 mm. Doporučuje se však, aby tato minimální šířka byla používána pouze při průchodu mezi dvěma pájecími ploškami (obr. 7.133). Šířka izolačních mezer mezi sousedními plošnými vodiči (případně i jinými prvky vodivého obrazce) se řídí z hlediska přeskokového napětí. Pro běžné druhy desek se nedoporučuje, aby mezi sousedními dvěma vodiči bylo napětí vyšší než 500 V. Pokud je z konstrukčního hlediska nezbytné volit šířku izolační mezery menší než 0,65 mm (pro desky s pokovenými děrami je nutno tuto mezeru volit větší; při pokovení se mezery zúží), je tak možno učinit jen za předpokladu, že vodiče a mezery budou překryty vrstvou elektroizolačního laku. Tato vrstva musí zůstat neporušena po dobu životnosti zařízení, resp. dle potřeby obnovena. Minimální šířka izolační mezery na zhotovené výsledné desce smí být 0,25 mm. Pokud to rozmístění a elektrické parametry plošného spoje umožňují, je nutno volit šířky izolačnícj mezer co největší a pokud možno rovnoměrné mezi jednotlivými plošnými vodiči.

250


Obr. 7.133. Průchod plošného vodiče mezi dvěma pájecími body Při kreslení předlohy je vhodné, aby byly zakresleny i značkyh pro orientaci integrovaných obvodů . Dále se pomocí samolepicích obtisků uvede do plochy budoucí desky její označení. Předloha strany pájení se označuje navíc písmenem A; vodivý obrazec strany součástek písmenem B. Příhodné je také popsat některé významné vodiče, např +5V, 0V, +15 V,... Po sesazení obou předloh je nutné zakreslit do rohů předlohy (mimo spojový obrazec) body pro soukrytování. Aby nemohlo dojít k záměně, kreslí se jen tři body nebo se body očíslují na obou předlohách ve stejném pořadí. Bude-li se předloha zmenšovat fotograficky, je nutné na každé obvodové hraně desky vynést kóty normalizované délky (např. 100 a 150 mm), aby bylo možno při zmenšování provést na matnici korekci roviny fotografického přístroje. Protože ani při pečlivé práci nedojde ke zcela přesnému soukrytu pocelé ploše desky, nejsou u dvouvrstvých desek bez prokovených otvorů na předloze strany součástek vyznačeny středy pájecích plošek. Zhotovení matrice Posledním krokem je zhotovení matrice (někdy se používá termín klišé), která se použije pro výrobu desky s plošnými spoji (při vytváření leptuvzdorné masky). U nejjednoduššího způsobu se jako matrice použije přímo předloha nakreslená na vhodný průsvitný materiál. Připomeňme, že obrazec je třeba kreslit tak, aby byl v přímém styku se světlocitlivou vrstvou nanesenou na desku. Při zanedbání tohoto pravidla vyjdou plošné vodiče a pájecí plošky užší nebo širší (závisí na způsobu přenášení obrazce), protože dojde k podsvícení matrice. Desky určené pro montáž integrovaných obvodů vyžadují mnohem vyšší stupeň přesnosti, než se dá docílit přímým kreslením matrice. Obvyklou metodou je v takovém případě vytvoření předlohy s kresbou vodivého obrazce ve dvojnásobném zvětšení a potom její zmenšení fotografickou cestou na matrice v měřítku 1:1. Vedle zvětšení přesnosti má tento postup přednost i v tom, že lze matrice zhotovovat jako pozitivy nebo negativy s fotografickou emulsí na požadované straně. Pro dodržení vysoké přesnosti je zapotřebí co nejmenší počet optických transformací, tj. zmenšování a zvětšování. Optimální je použití velkoformátové kamery. "Běžné kamery" (Linhof Technik, Sinar) mají kazety na ploché filmy nebo desky nejvýše 18x24 cm. Na větší plošné spoje se užívaly precizní horizontální kamery.


251

Dobrých výsledků bylo docíleno ovšem i s přenosem přes kinofilm. Poznamenejme ještě, že filmové matrice lze retušovat (vyškrabáváním nebo dokreslováním na straně emulse). Strojní výroba matrice vodivého obrazce. Místo ručního překreslování návrhu vodivého obrazce na předlohu je možné užít strojní kreslení předloh nebo přímo matric. Přenos obrazce z navrženého náčrtu na číslicovou formu se provádí digitalizací. Souřadnice se přiřazují na hodnoty normalizované sítě 2,5x2,5 mm nebo 1,25x1,25 mm (nebo palcového ekvivalentu). Kresba se potom vytváří na kreslicím stole (např. klasický Digigraf), souřadnicovým zapisovačem nebo nejčastěji opticky přímo na film (tzv. expoziční zařízení nazývané též generátor matric nebo generátor obrazců). Tato zařízení dále umožňují pořizování příslušných značek a nápisů snadné opakování často používaných symbolů plošných prvků a používání děrné pásky pro následné operace, např. pro vrtání otvorů. Automatizovaný návrh spojového obrazce. U stále složitějších desek je tvorba vodivého obrazce mnohem náročnější na čas a způsobuje vážné výrobní potíže. Proto se ve stále větší míře užívá i pro vlastní návrh obrazce spojů počítače. 8.7.4

Návrh DPS počítačem

V současné době se při návrhu DPS ustupuje od ručního návrhu a téměř výhradně se používají počítačové programy CAD (Computer Aided Design), které pracují na počítačích řady IBM-PC. Je třeba si uvědomit, že i když návrh provádíme ručně, většinou je třeba stejně v závěrečné fázi jej zdigitalizovat i a to i v případě, že je matrice zhotovena ofotografováním ručně kreslené předlohy, abychom získali podklady pro výrobu DPS, hlavně soubory vrtání na souřadnicové vrtačce, pro osazovací a automaty apod. Výhody počítačového návrhu - podstatné zrychlení návrhu, a to i v případě, že nepoužijeme autorouter - možnost použití normalizovaných knihoven pro pouzdra součástek, schématické značky apod. - zabezpečení stejných přesně definovaných podmínek v souladu s příslušnými normami - návrh není třeba dodatečně digitalizovat, snadno se dají utvořit soubory pro výrobu, osazování apod. - při návrhu jsou omezeny, nebo úplně vyloučeny chyby způsobené lidským faktorem - snadná archivace podkladů Je třeba si uvědomit, že návrhové systémy jsou značně drahé a jejich nelegální používání je většinou zamezeno používáním hardwareového klíče. Při jeho pořizování je třeba ekonomicky zvážit výhodnost nákupu. Struktura návrhového systému Návrhových systémů je k disposici celá řada. Jedná se o speciální systémy pro plošné spoje, nebo je návrhový systém součástí komplexního grafického systému. Mezi nejznámější

252


návrhové systémy pro plošné spoje patří programy EAGLE (PADS Software Inc.), ORCAD, REDCAD, smARTWORK, ARIADNE a další. Návrhový počítačový systém se většinou skládá z následujících funkčních bloků (které jsou tvořeny samostatnými programy, nebo jsou součástí jediného programu): - editor pro kreslení schémat - editor pro kreslení spojů - autorouter - knihovny pouzder, symbolů a součástek - programy pro tvorbu technologických výstupů - programy pro tisk - další pomocné programy

Obrázek 9.134 : Schéma návrhu desek plošných spojů počítačem


253

Editory pro kreslení schémat a spojů jsou základní částí, jejich obsluhu je třeba dobře zvládnout. Kreslí se většinou pomocí myši. Program umožňuje vybírání prvků z knihovny jejich rotaci a přemísťování po pracovní ploše, kreslení definovaných šířek čar a velikostí ploch, definici rastru (palcová i metrická míra), vkládání alfanumerických symbolů, mazání, rotaci, zrcadlení, změnu měřítka, zobrazování, definovaných pracovních vrstev apod. Editory pro kreslení spojů mohou pracovat v několika pracovních vrstvách, které jsou od sebe barevně odlišeny.

Obrázek 9.135: Elektrické schéma vytvořené editorem schémat návrhového systému EAGLE Editor pro kreslení schémat Tato část systému slouží pro vytvoření schématu navrženého zapojení. Schéma je možno sestavovat z pevně nadefinovaných prvků vybíraných z knihovny, nebo je vytvářet individuálně. Umožňuje vytvářet sběrnicovou strukturu zapojení, označit popisem jednotlivé součástky a části zapojení. Jeho součástí je i automatická kontrola chyb elektrického propojení (zkraty výstupu proti zemi a napájení, zkraty napájení, propojení výstupu navzájem, neošetřené vstupy a výstupy apod.). Je většinou uzpůsoben tak, aby vylučoval při popisu možnost chyb a neurčitostí (nelze označit dvě součásti stejně). Schéma zapojení je možno použít buď samostatně, nebo jej použít pro návrh DPS. Dá se z něj většinou vytvořit rozpiska součástek. Příklad schéma- tu nakresleném v editoru programu EAGLE je uveden na obr.7.123. Editor pro kreslení spojů Umožňuje po umistění pouzder součastek vybíraných z knihovny do pracovního rozměru desky (pokud nepoužijeme autorouter) ručně vytvářet kresbu desky plošného spoje vodiči definované šířky. Ruční návrh předpokládá mít připraven návrh desky plošného spoje (nemusí být ve skutečném měřítku). Součástí editoru bývá stejně jako u kreslení schémat kontrola správnosti geometrie návrhu, což jsou kontroly izolačních vzdáleností mezi spoji, zkratů, použitých rozměrů pájecích

254


ploch, průměrů vrtaných děr, šířky spojů, lze provést kontroly umistění v rastru, úhly spojů, apod. Autorouter Jedná se o program, který automaticky navrhne plošný spoj tak, aby se vodiče nekřížily za dodržení předem definovaných podmínek návrhu (vzdálenosti mezi spoji, velikost a tvar plošek apod.). Pracuje většinou ve více etapách (tzv. průchodech). V prvních průchodech pokládá sběrnice, potom ostatní spoje a v dalších průchodech optimalizuje propojení.Téměř vždy je možno jeho činnost přerušit a ručně zasáhnout do návrhu. Předem nadefinované spoje autorouter nemění ( např, zemnění, choulostivé spoje z hlediska rušení, vazeb apod). Autorouterů se vyskytuje velké množství. Výsledná kvalita nezávisí pouze na jeho dokonalosti, je také do značné míry ovlivněna úrovní přípravy podkladů (rozmístění součástek) pro jeho činnost. Většinou trvá optimalizace několik desítek minut a výsledkem je návrh spojů na úrovni několikadenní práce zkušeného vývojáře. Při návrhu velmi složitých desek s velmi jemným rastrem trvá optimalizace i několik hodin a výsledkem je kvalita propojení, kterou lze těžko ručně dosáhnout. Konečný výsledek je v každém případě ovlivněn tvořivou činností člověka. Knihovny pouzder, symbolů a součástek Knihovna je samostatná část programu, ve které jsou uchovány používané tvary pouzder, symbolů a součástek, případně další často používané části. Pouzdro - jedná se o schématický nákres skutečného rozměru umísťovaného prvku na desku plošného spoje, včetně pájecích plošek umístěných ve správné rozteči. Symbol - jedná se o schématickou značku (rezistor, kondenzátor, tranzistor, hradlo NAND apod), v podobě v jaké ji chceme mít na schématu. Součástka - prvek v knihovně, ve kterém je jednoznačně zadefinováno přiřazení vývodu pouzdra k danému symbolu. Součástka může obsahovat více stejných symbolů. Např. součástka SN 7400 tj. čtveřice Obrázek 9.136: První varianta plošného spoje s „pružnými „ vodiči dvouvstupových hradel NAND má připojeny vstupy a výstupy jednotlivých hradel na definované přívody pouzdra DIL 14. Knihovny standardních prvků jsou většinou součástí každého návrhového systému. Při jeho používání je třeba počítat s tím, že téměř vždy je nezbytně nutné je doplnit o vlastní používaná pouzdra, symboly a součástky. Ve většině případů způsob kreslení prvků dodávaných v knihovně návrhového systému odpovídá normám a zvyklostem té země, ve které program vznikl.


255

Programy pro tvorbu technologických výstupů

1. Podklady pro výrobu desky plošného spoje V případě, že máme k disposici soubor s navržený rozmístěním a propojením desky plošného spoje, je možno pomocí převodních programů vytvořit soubory vhodné pro výrobu DPS. Podle použitého technologického zařízení sestavíme vhodný konfigurační soubor a spustíme vhodný program. Pro výrobu desky plošného spoje požadují výrobci následující podklady: - soubory kresby spojů DPS (jednotlivé vrstvy) - soubory kresby nepájivé masky - soubory kresby popisu - soubory pro vrtání - soubory pro ostřih (pokud se nepoužívá technologie ražení) Pro výrobu DPS je třeba zhotovit transparentní předlohu (matrici, klišé) pro exposici použitých resistů případně pro výrobu síťky pro sítotisk. Matrice se zpravidla zhotovují vykreslováním na fotoploteru, tj zařízení, které na fotografický film s minimální délkovou roztažností vykresluje světelnou stopou motiv kresby. Pro fotoplotery je nejpoužívanější formát GERBER. 2. Soubory pro kresbu motivu spojů, popisu a nepájivé masky Pro spoje a popis se matrice vykresluje positivním způsobem, tzn., že vodivé čáry a plochy jsou černé. Matrice pro nepájivou masku je kreslena zpravidla negativním způsobem, tj., že místa, kde nepájivá maska nebude, jsou černá. Při použití programu je možno zadat velikost přesahu ploch bez nepájivé masky přes pájecí plochy. Podle použitého kreslícího zařízení je možno zvolit kreslení bez emulace, nebo s emulací. Kreslení bez emulace - dá se použít v případě, že při návrhu jsou použity šířky čar a velikosti a tvary ploch, které odpovídají sortimentu kreslících clonek na fotoploteru. Čáry jsou kresleny exposicí pohybem požadované kruhové clony, plochy exposicí přes clonku požadovaného tvaru a velikosti. Je zřejmé, že kreslení probíhá rychle a velikost datového souboru je malá. Kreslení s emulací - používá se v případě, že šířky čar a velikosti a tvary ploch neodpovídají možnostem kreslícího zařízení. Libovolná čára případně plocha se vykreslí předem definovanou velikostí clony. Délka souboru je podstatně větší a tento způsob kreslení je velice zdlouhavý, zvláště v případě, že vykreslujeme velké vodivé plochy, proto je výhodnější použít pokud to jde kreslení bez emulace. 3. Soubory vrtání a pro ostřih DPS Pro zhotovení souborů pro vrtání a ostřih DPS (pokud se používá numericky řízené strojů ) bývají součástí návrhového systému programy určené pro specifická zařízení,které vygenerují patřičný soubor. Soubory mohou být samostatně pro pokovené a montážní otvory. 4. Konstrukční podklady pro montáž a osazování desek plošných spojů Mezi konstrukční podklady pro montáž a osazování DPS patří: - pokládací výkres - rozpiska součástek - soubor pro osazení DPS automatem Pokládací výkres - slouží jako dokumentace pro osazování a kontrolu DPS. Je možno jej vytvořit tiskem vhodných vstev základního souboru navržené desky plošného spoje. Musí obsahovat obrysy desky s rozmístěním součástek a jejich označením (příp. polaritou, někdy i hodnotou) a kresbou motivu pločného spoje. Doporučuje se zobrazit pouze to ,co je nezbytně

256


nutné pro orientaci na desce, aby se výkres nestal nepřehledným. Příklad je uveden na obr. 7.138. Rozpiska součástek - v případě potřeby se tiskne seznam součástek s uvedením počtu kusů, označením, hodnotou a typem. Soubory pro osazování DPS automatem - někteří výrobci návrhových systémů dodávají převodní programy, které umožní použít informací o součástkách (souřadnice, typ, označení, orientaci apod.) k vytvoření osazovacího programu pro přís- lušný osazovací automat. Pro techniku povrchové montáže to mohou být navíc podklady pro dávkování lepidla, případně pájecí pasty. 5. Ostatní programy Jedná se o soubory, které umožňují tisk na různých typech tiskáren, drivery pro různé grafické karty počítače, programy pro převod datových formátů mezi návrhovými systémy apod. Velice často se používají programy s jednoduchým ovládá- ním, (např. PCGERBER), které mají charakter editorů a umožňují již připravený soubor pro výrobu DPS pro kontrolu zobrazit a provést na něm případné drobné změny, zrcadlit, násobit motiv, rotovat apod. Tyto programy je možno použít samostatně pro kreslení DPS. 8.7.5

Postup pří návrhu DPS počítačem

Postup navrhu DPS je uveden na obr. 7.134.

Zadání a odzkoušení návrhu - provádí se i při ručním návrhu desky. Je vhodné si funkci navrženého zapojení odzkoušet s originálními součástkami na universální desce, případně si odsimulovat chování systému na počítači některým ze simulačních programů. Pro simulaci je třeba vytvořit na počítači schéma zapojení, které je ve většině případů použitelné i pro počítačový návrh DPS. Konstruktér by měl rovněž znát rozměr a konstrukci desky, rozměry pouzder použitých součástek a jejich typ. Teprve po těchto krocích je možno přistoupit k návrhu plošného spoje. Jakékoli dodatečné změny jsou obtížně realizovatelné a přináší problémy.

Obrázek 9.137: Výsledný návrhozmístění

Obrázek 9.138: Pokládací výkres


257

Kreslení schématu a návrh propojení. Před započetím práce je třeba důkladně prostudovat manuál k příslušnému navrhovému systému. Způsoby ovládání se u jednotlivých výrobců software značně liší. Dále bude popsán pracovní postup, který je v u velké části vývojových systémů stejný, nebo podobný a uvedeny příklady vytvořené na návrhovém systému EAGLE. Návrh plošného spoje začíná sestavením elektrického schématu desky (obr. 7.135). Z knihoven se do pracovního prostoru přemístí prvky (symbol, nebo součástka) a myší se propojí do tvaru zapojení, které požadujeme. Přidávané součástky jsou automaticky nebo ručně číslovány. Obrázek 9.139: Kresba plošného spoje autorouter systému EAGLE 2.05 Dále může následovat automatická kontrola chyb elektrického propojení. Je-li vše v pořádku, je možno obvykle provést převod ze schématu na návrh desky. Konstruktér automaticky obdrží první variantu plošného spoje, ve které se nachází všechny použité součástky, propojené "pružnými" spoji podle schématu (obr. 7.136). Tento postup lze použít pouze v případě , že bylo schéma kresleno knihovními prvky typu "součástka", tj.se zadefinovaným přiřazením vývodu k pájecí ploše. V opačném případě schéma nelze využít a je třeba ručně umístit a propojit jednotlivá pouzdra "pružnými" vodiči podle schématu. Potom může konstruktér uplatnit svou tvůrčí invenci a myší rozmístí pouzdra do definovaného rozměru desky podle své představy. Pružné spoje ho přitom dobře informují o hustotě signálů v daných oblastech desky. Možné rozmístění je uvedeno na obr. 7.137. Po rozmístění pouzder na desce je více možností. Buď je možno spoje vytvořit ručně postupnou přeměnou "pružných" spojů na plošné pomocí myši, nebo je možno použít autorouter. Většinou je také možno kombinovat práci autorouteru s ručními zásahy. Po nakreslení DPS lze ve většině případů spustit kontrolu geometrie návrhu (design rule check), což jsou kontroly izolačních vzdáleností mezi spoji,použitých rozměrů pájecích ploch, tloušťky spojů, umístění v rastru apod. Na obr.6 je uvedena kresba plošného spoje vytvořená autorouterem systému EAGLE 2.05. Je-li deska v pořádku, vygenerují se potřebné výrobní podklady. Data DPS je možno dodat výrobci, případně po domluvě vytvořit patřičné technologické soubory pro výrobu.

258

8.8


Pájení v elektronice

Základní metodou spojování součástek v elektronice je pájení. Jde o tzv. měkké pájení cínovými pájkami (existuje i tzv. tvrdé pájení a pájení sklem). Jde o proces spojování částí v tuhém stavu pomocí přídavného materiálu (pájky) ve stavu tekutém, která zatéká do mezery mezi spojovanými částmi, smáčí jejich povrchy a po ztuhnutí je spojuje. Pájením se tedy vytváří spoj na hranici základního kovu a pájiky, nejde tedy o hluboké protavení materiálů, jako je tomu při svařování. Kromě zvýšené teploty je třeba ještě splnit dva základní požadavky: odstranit povrchové znečišťující vrstvy a zajistit podmínky pro vzájemnou reakci tuhého a roztaveného kovu. Na rozdíl od svařování lze proces pájení uskutečnit při libovolné teplotě (závisející ovšem na druhu pájky) nižší než je teplota tavení spojovaných materiálů. Ty být velmi Obr. 7.140 Schematické znázornění průběhu pokovení mohou různorodé, i nekovové základního materiálu. (vhodně pokovené). 1) základní pokovovaný a pájený materiál 2) vrstva kysličníků Pájení může být ruční 3) tavidlo rozpouštějící vrstvu kysličníků nebo strojové (hromadné). 4) vznikající mezní vrstva - legování U ručně pájeného spoje je 5) pájka (větší měrnou vahou vytlačuje tavidlo) spolehlivost přibližně 6) zhytky tavidla na povrchu pájky -9 -1 5.10 hod . Strojní 7) pokovený pájecí hrot páječky pájení s následnými kontrolami dokáže zlepšit statickou spolehlivost jednoho spoje o dva až tři řády. Je tedy strojní pájení nezbytností, neboť kvalita a spolehlivost spojů dnes určuje spolehlivost celého zařízení. I u velice kvalitně pájených zařízení je stále 50 % všech závad ve spojích. Navíc veliké procento poruch použitých součástek má svůj důvod opět v kontaktech a spojích. Např. určíme-li jako závadu vadný rezistor, tak opět z více než 50 % měl špatně "nakontaktovanou" čepičku na základním tělese, totéž platí i o integrovaných obvodech. Z rozborů plyne, že nelze zvětšovat spolehlivost v elektronice bez toho, aniž bychom nejprve nezlepšili spolehlivost spojů a propojů. Spolehlivé spojování předmětů pájením - obvykle konců drátů spojů se špičkám součástek, nebo konců vývodů součástek k plošným spojům - předpokládá z praktického hlediska dvě základní fáze pájení: a) pokovení povrchů spojovaných částí v místě pájení pájkou nebo cínem b) vyplnění spár mezi seskupenými spojovanými částicemi pájkou


259

Pokovení povrchu základního materiálu pájkou nastane pouze na jeho dokonale očistěném povrchu, zbaveném nejen mechanických nečistot, ale hlavně vrstvy oxidů tavidlem, které současně během pájení chrání očistěný povrch i tekutou pájku před oxidací za zvýšené teploty - tzv. pracovní teploty pájení. Pájka smáčí ohřátý kov, roztéká se po jeho povrchu, proniká do spár a pórů povrchové vrstvy kovu, kterou rozpouští a nastalou difúzí tekuté pájky a tuhého základního materiálu vzniká na povrchu materiálu tzv. mezní (též dělící, přechodová) vrstva pájka povrch kovu leguje (obr.7.140). Vzniklý spoj má určitou (nevelkou) mechanickou pevnost, malý elektrický přechodový odpor, který se nemění chvěním, otřesy nebo rázy, pokud spojení nebylo tepelně nebo mechanicky rozrušeno. Mechanismus tvorby spoje Pájení je složitý technologický proces a jeho náročnost se projevuje především v souvislosti se zaváděním hromadného pájení. Jak již bylo řečeno, pájením rozumíme spojování dvou kovových (nebo pokovených) součástí pomocí roztaveného kovu, kterému říkáme pájka. Při pájení probíhají složité fyzikálně-chemické pochody na rozhraní tuhé a tekuté fáze. Na počátku vzájemného působení tuhého a tekutého prostředí je snaha systému o snížení mezifázové energie. Při smáčení jsou dva volné povrchy nahrazovány jediným rozhraním s nízkou volnou energií. V tomto stadiu probíhající děje mají charakter dějů kvantových. Na mezifázovém rozhraní se vytvářejí vazby zprvu v izolovaných místech a postupně se rozšiřují na celou stykovou plochu. Přechod systému "základní kov - pájka" do nové rovnováhy není okamžitý, ale probíhá po určitý časový úsek. Ovšem dobu působení mezi tuhou a kapalnou fází je možné prodlužovat pouze tehdy, nedojde-li v jejím důsledku ke snížení kvality vytvořeného spoje (především jeho mechanické pevnosti). Roztavená pájka v oblasti slévání je charakterizována těsným uspořádáním. Atomy taveniny ve sféře působení atomů krystalové mříže tuhého kovu jsou na jeho povrchu krystalograficky uspořádány. Na rozhraní se tak vytváří vrstva uskutečňující vazbu mezi fázemi. Teplem se zvětšuje pohyb atomů obou fází a jejich vzájemná difúze zesiluje vytvořené vazby. Krystalizace při chladnutí pozastavuje a upevňuje probíhající jevy. Je-li pájení ukončené (přerušením ohřevu) ve stadiu tvorby chemických vazeb, kdy heterogenní difúze v objemu spoje je zanedbatelná, označuje se pájení jako bezdifúzní. Při delším smáčení základního materiálu tekutou pájkou probíhá rozpouštění a difúze - stejně se také tento druh pájení nazývá. Rozpouštění je omezené, neomezené, nebo se vytvářejí eutektické směsi, což závisí na výchozích materiálech. Existují kovy, které nevytvářejí vzájemně ani slitiny, ani se chemicky neváží (např. Fe-Pb, W-Cu, W-Ag). Při pájení vtékají lehčeji tavitelné komponenty do mikroskopických kapilár tuhých částí a vytvářejí pevné spojení. V důsledku snížení volné povrchové energie tuhého kovu se rozptylují jeho částice v pájce - vzniká disperzní spoj. Omezíme-li se pouze na pájení užívaná při spojování vodičů, případně na pájení mechanických dílů

260


bez zvýšených požadavků na pevnost spojů, připadá v úvahu především pájení provázené rozpouštěním a difúzí. Při smáčení základního materiálu probíhá současně s chemickou reakcí rozpouštění v roztavené pájce. Složení zóny se mění, pokud není dosaženo rovnovážné koncentrace (průsečík izotermy s čárou likvidu v rovnovážném diagramu soustavy pájka-kov, bod C na obr. 7.141). Součesně s rozpouštěním probíhá difúze z kapalné fáze do tuhé. Pokud je rychlost rozpouštění pevného kovu v tavenině větší než difúze v tuhé fázi, difúzní oblast se nevytvoří. S přibližováním složení kapalné fáze k rovnovážnému stavu se rychlost rozpouštění zmenšuje, podíl difúze na přenosu hmoty je výraznější a oblast difúze narůstá. Po dosažení rovnovážné koncentrace v tekuté fázi (C) bude rovnovážná koncentrace tuhé fáze v pájce (bod D) dosažena jednak v důsledku nasycení difúzní oblasti, jednak tuhým roztokem vytvořeným při izotermické krystalizaci. Bude-li teplota udržována po patřičně dlouhou dobu, bude složení celé oblasti pájení odpovídat nasycenému tuhéhu roztoku - bod D. Obr. 7.141 Rovnovážný diagram pájka-kov. Difúzí pájky do tuhého kovu se ochuzuje zóna pájky a nastává její přesycení základním kovem. Celý pochod pájení s difúzí a rozpouštěním lze rozdělit na tři stadia : 1.stadium - koncentrace je v intervalu AC, převažujícím dějem je rozpouštění, 2.stadium - koncentrace je v intervalu CD, mezi tuhou a kapalnou fází je dynamická rovnováha, probíhá izotermická krystalizace, 3.stadium - koncentrace je v intervalu D-B, Obr.7.142 Smáčení povrchu kovu pájkou veškerá tekutá pájka je spotřebována na difúzi do tuhé fáze. . Rychlost dějů v 1.stadiu je omezována buď rychlostí rozpouštění nebo rychlostí difúze. Ve většině případů jsou děje limitovány difúzí základního kovu v tekuté pájce. Druhé stadium lze charakterizovat vzájemnou difúzí atomů a izotermickou krystalizací, při které dochází k vydělování buď pájky přesycené základním kovem nebo slitiny základního kovu a pájky. Třetí stadium je charakterizováno difúzí v pevné fázi. Při roztékání látky po povrchu tuhého tělesa nastane rovnováha sil povrchových napětí v bodech na okraji tekuté látky. Vzniká známá situace znázorněná na obr. 7.142. Úhel Q se nazývá úhel smáčení (stykový úhel). Funkce cos Q je někdy označována jako součinitel smáčení. Úhel smáčení musí být ostrý. Fyzikální pochody v pájeném spoji Vytvoření správně pájeného spoje záleží nejen na vlastnostech povrchů pájených předmětů, vlastnostech pájky a použitého tavidla, ale i na tvaru a rozměrech spoje. Souvisí to se skutečností, že tekutá pájka se řídí zákony hydrodynamiky platnými pro proudění laminárního typu. Relativně úzkou mezeru spoje vyplňuje pájka při pracovní teplotě působením kapilárních sil.


261

Podrobné úvahy lze nalézt v [12]. Především byl zkoumán klasický případ vývodu součástky (drátu) v pokovené díře v horizontálně umístěné desce plošných spojů. Vyšetřoval se vliv množství pájky a tloušťky desek plošných spojů. Došlo se k těmto závěrům : - malé množství pájky obvykle vede ke shodné geometrii horní a dolní výplně; horní i dolní profily jsou konkávní, - při vzrůstajícím oběmu pájky a jinak stejných podmínkách pájení zůstává horní profil konkávní, dolní postupně přechází na konvexní, - změny tloušťky desek plošných spojů dávají podobné výsledky. Objem výplní lze řídit buď množstvím dodané pájky při pájení přetavením nebo znalostí a řízením tlakových poměrů při pájení vlnou. Výše uvedené tendence spolu s respektováním velikosti tlaku v pájce (ve srovnání s okolním atmosférickým tlakem) umožní učinit tyto důležité závěry : 1. konvexní tvar horní výplně je známkou špatného smáčení, 2. konvexní tvar dolní výplně neznamená vždy špatné smáčení. Jestliže tedy byl pájený spoj konstruován tak, aby se dosáhlo konkávního profilu horní výplně a skutečný profil je konvexní, je příčinou rozporu špatné smáčení. Tyto závěry byly potvrzeny experimentálním ověřením. Mechanické a elektrické vlastnosti pájených spojů Mechanická pevnost pájených spojů závisí na vlastnostech základního kovu, konstrukci spoje, pájce, tavidlu a technologickému postupu při pájení. Největší vliv má velikost mezery mezi pájenými součástmi a plochy jejich překrytí. Obecně platí, že čím menší mezera (ale musí být), tím lepší spojení. Celá mezera musí být také pájkou zaplněna. Mechanické vlastnosti pájky se při tavení, slévání a opětné krystalizaci mění natolik, že lze jen velice hrubě usuzovat na pevnost spoje na základě znalostí hodnot mechanické pevnosti pájky zjištěných obvyklými postupy mechanických materiálových zkoušek. Nejzávažnější oblastí spoje z pevnostního hlediska je vrstva vytvořené difúzí. Její tloušťka se pohybuje v rozmezí 0,1 až 1000 mm, vzrůstá s teplotou a dobou pájení. Ve srovnání se základním materiálem i pájkou je obvykle křehčí. Je proto žádoucí vytvořit ji jen tak tlustou, aby spoj byl pevný, ale nikoli křehký. Z porovnání mechanické pevnosti spojů stejně konstruovaných, pájených různými pájkami, vyplývá, že jejich pevnost je úměrná mechanické pevnosti užité pájky. Pro pájky slitinové, sestávající ze dvou či více komponent, opět platí, že největší mechanickou pevnost mají pájky s eutektickým složením. Pevnost pájených spojů klesá s dobou stárnutí, s vyšší provozní teplotou a se stoupajícím dynamickým namáháním spoje. Z elektrických vlastností je nejzávažnější elektrický odpor pájených spojů. Elektrická vodivost pájek užívaných v elektrotechnice je o jeden až dva řády nižší než vodivost mědi. Průřez pájeného spoje musí proto být řádově větší než průřez pájených vodičů. To v praxi obvykle nečiní potíže. Odpor nepřesahuje hodnotu v řádu 0,1 až 1 mW. Pájecí vlastnosti předmětů určených k pájení Pájením připojujeme vývody součástek aktivních a pasivních, pomocné součásti (stínící kryty, držáky aj.) k částem vytvářejícím vnitřní spoje zařízení. Vzhledem k podstatně většímu počtu spojů pájených na deskách plošných spojů ve srovnání s připojovanými drátovými formami či kabely, budeme se v dalším zabývat především prvním z uvedených případů.

262


Pájené předměty mají obecně různé vlastnosti mající vztah ke vzniku a kvalitě pájeného spoje. Sledujeme především smáčitelnost jako míru fyzikálně-chemického děje smáčení odrážející interakci na rozhraní alespoň dvou fází. Po smáčení probíhá rozpouštění, difúze, tuhnutí (krystalizace) a reakce v pevné fázi. Míru všech těchto pochodů nazýváme po přihlédnutí k dosaženým vlastnostem výsledného pájeného spoje pájitelností. Může nastat i případ, kdy roztavená pájka pájený předmět nesmáčí. Pak ovšem nemůže dojít k žádným interakcím. To proto, že práce adheze, charakterizující vzájemnou interakci dotýkajících se fází, je podstatně menší než práce koheze, charakterizující vzájemnou interakci částic jedné fáze. V průběhu pájení i po něm může nastat i odsmáčení. Příčinou je změna podmínek smáčení. V novém stavu není současná kapalná fáze ekvivalentní počáteční. Jestliže přitom práce koheze podstatně vzroste, dochází ke zpětnému pochodu - odsmáčení. Může k němu dojít i v průběhu krystalizace či dokonce v pevné fázi. Z těchto teoretických poznatků plyne pro praxi asi následující. Aby bylo spojení dokonalé, musí mít jak spojované kovy, tak pájka určité fyzikální vlastnosti. Základní podmínkou je, že pájka musí mít mnohem nižší bod tání než jsou body tání materiálů spojovaných součástí. Pájený spoj je dobrý jen tehdy, když se na hranici styku pájky se spojovacím kovem vytvoří souvislá mezivrstva. Ta vlastně utváří kvalitu spojení a určuje jeho mechanické i elektrické vlastnosti. Technický vtip, na kterém je vlastně založeno dobré spojení cínovými pájkami, je dán fyzickými vlastnostmi cínové taveniny. Cínová tavenina (s přísadou tavidel) představuje pro většinu kovů silné a agresívní rozpouštědlo (tj. jde o rozpouštění a difúzi, jak již bylo uvedeno). To znamená, že na povrchu kovu vznikne intermetalická sloučenina, která umožňuje dobré smáčení pájkou. S cínem dobře reaguje měď a všechny její slitiny, zejména mosaz a bronz. Dobrou smáčivost v cínové tavenině má zinek, zlato stříbro a samozřejmě i jejich slitiny. Dobře smáčivý je kupodivu i hliník, ovšem pokud jeho povrch není pokryt oxidovou vrstvou. Jak víme, hliník a jeho slitiny se oxidovou vrstvou pokrývají samovolně i na vzduchu a to prakticky ihned, jen za působení běžné vlhkosti a atmosférického kyslíku. Všechny pokusy o praktické pájení hliníku jsou z tohoto důvodu založeny na způsobech, jak zlepšit smáčivost hliníku tím, že se působení oxidové vrstvy na povrchu kovu neutralizuje. Nejlépe odolným kovem je kupodivu železo. To se z běžných kovů v cínové tavenině nejhůře rozpouští. To znamená, že nejdokonalejším materiálem na hrot páječky je "železo". Z praxe víme, jak často musíme opravovat nebo vyměňovat měděné hroty páječek - proto by byl hrot "železný optimální, má však horší tepelné vlastnosti a je hůře smáčivý. Záruku dobrého pájení tedy v podstatě určuje základní vlastnost pájky, kterou nazýváme smáčivost. Smáčivost je schopnost pájky spojit se spolu se základním pájeným materiálem při doporučené teplotě taveniny. Pájka musí mít dobrou vzlínavost, "zabíhavost", přilnavost se schopností vytvořit se základním materiálem tuhý roztok v tenké, souvislé mezivrstvě na celém povrchu. Smáčivost se číselně (stejně jako smáčivost jiných kapalin) určuje velikostí úhlu, který svírá tečna kapky roztavené pájky v místě styku se základním materiálem. Zkoušky pájitelnosti jsou určeny normami. Pájecí vlastnosti vývodů součástek a spojovacích vodičů Tvar a rozměry vývodů elektronických součástek a materiál použitý pro jejich výrobu jsou velmi rozličné. To stěžuje do značné míry volbu optimálního režimu pájecího procesu. Je to důsledek historického vývoje součástek původně určených výhradně k pájení ručnímu,


263

individuálnímu, ale užívaných i při pájení strojním, hromadném. Moderní součástky již požadavky hromadného pájení respektují. Téměř všechny druhy vývodů mají charakter vrstvených materiálů. Podkladový kov zabezpečuje dobré vlastnsoti mechanické, tepelné a elektrické. Úkolem povlaků je, kromě zvýšení korozní a klimatické odolnosti, zaručit dobré a stálé vlastnosti pájecí. Podkladovými materiály je buď měď a její slitiny, nebo slitiny železa. Měď a její slitiny mají výhodné vlastnosti, užívají se především ve výrobě pasivních součástek. Slitin železa se užívá především při výrobě aktivních prvků. Mají obecně vlastnosti horší než měď, jejich užívání je vyvoláno řešením problémů odolnosti aktivních součástek proti cyklickým teplotním změnám (nízký teplotní součinitel délkové roztažnosti). Slitiny železa jsou špatně smáčivé, obtížně se pokovují galvanicky. Jejich používání je ale nezbytné, nejsou dosud k dispozici výhodnější materiály. Je zde nutné poznamenat, že vyřešením odolnosti součástek se zkomplikovaly dilatační poměry v pájeném spoji a ovlivnila negativně spolehlivost. Pájecí vlastnosti desek plošných spojů Pájecí plošky a pájecí otvory jsou většinou měděné, u jednovrstvých desek dále nepokovované, u dvou- a vícevrstvých desek s povlaky stříbra, zlata, cínu nebo slitiny Sn-Pb. Podstatným rozdílem proti vývodům součástek je okolnost, že desky plošných spojů obsahují jako základní materiál organický, (výjimečně anorganický) izolant. Tento materiál je obvykle méně tepelně odolný ve srovnání s kovy a dále může při zahřátí uvolňovat plyny. Otázkám odolnosti desek plošných spojů při pájení i výronům plynů je třeba věnovat zvýšenou pozornost, protože tyto příčiny jsou časté při hodnocení závad ve spojích. Na deskách se dále mohou vyskytovat ochranné organické povlaky, např. pájecí laky. Posledním podstatným rozdílem je, zvláště důležitým pro hromadné pájení, větší hmotnost desek a s tím související tepelná kapacita, určující množství tepla potřebného pro prohřátí spojovaných částí na potřebnou teplotu. Druhy a vlastnosti soustav "podkladový kov - kovový povlak" Úkolem kovových povlaků na přívodech součástek a na plošných spojích je zlepšení pájecích vlastností a zlepšení odolnosti proti klimatickým vlivům. Nanášejí se bezproudově, galvanicky nebo žárovým způsobem. S ohledem na jejich chování v roztavené pájce je klasifikujeme jako 1) tavitelné v pájce, 2) rozpustné v pájce, 3) netavitelné a málo rozpustné v pájce. Do skupiny první patří Sn a jeho slitiny, do druhé povlaky Au a Ag, do třetí povlaky ze slitin Cu-Ni a Sn-Ni. Tloušťky povlaků se pohybují v rozmezí jednotek až několika málo desítek mikrometrů. Povlaky vytvářené galvanicky jsou, zejména při tloušťkách pod 10 um, pórovité. Odstranění pórovitosti, nutné zemnéna s ohledem na dobrou pájitelnost i po delším skladování, je možné použitím leskutvorných přísad do galvanických lázní nebo následným tavením (horkým vzduchem, infračerveným zářením aj.). Výběr vhodné kombinace soustavy podkladový kov - kovový povlak je velmi důležitý z hlediska spolehlivostího. Pro nejnáročnější provozní podmínky (v kosmonautice) se povolují pouze soustavy měď-slitina Sn6OPb, kde povlak o tlošťce 10um je nanesen žárově, případně slitina Cu-Sn - slitina Sn60OPb. Jako podkladový kov je možné výjimečně užít i kovaru. Povlakové kovy Au, Ag, Sn se zásadně nedoporučují.

264


Pájecí vlastnosti cínu a jeho slitiny s olovem Povlaky se stávají stále užívanější nejen pro dobré pájecí vlastnosti, ale i pro možnost jejich uplatnění jako náhrady za povlaky z drahých kovů. Přitom platí obecný poznatek, že slitiny s olovem mají po delší době skladování lepší smáčivost než samotný cín. Vysvětlení je v odlišných charakterech oxidů. Náhrada za drahé kovy je omezována faktem, že slitiny železa jsou velmi málo smáčivé užívanými slitinami cínu. Pokud je základní kov elektrolyticky vyleštěn, je možné bezprostřední žárové pokovení za použití ostrých tavidel. Výhodnější je galvanické pokovení, a to lázněmi vylučujícími lesklé bezpórovité vrstvy bez jinak nutných mezivrstev. Pájitelnost je dobrá i po dlouhém skladování. Slitin cínu se užívá i pro závěrečnou úpravu zlatého povlaku na deskách plošných spojů a na vývodech součástek (IO). Účelem není zlepšení pájecích vlastností, ale zábrana znečištění pájecí lázně zlatem. Výběr kovového povlaku souvisí i s druhem používané pájecí slitiny. Je třeba respektovat skutečnost, že od zavedení hromadného pájení se přednostně používá binární slitina Sn -Pb složení eutektického nebo mírně podeutektického. Tato pájka byla převzata z technologie pájení ručního a má pro strojní pájení mnoho výhod (nejnižší pájecí teplota, nejvyšší mechanická pevnost spoje atd.). Snahy o nalezení vhodnější slitiny jsou motivovány stále stoupající cenou cínu na světových trzích. 8.8.1

Měkké pájky

Pro připojování vodičů v elektronice vystačíme s tzv. měkkým pájením charakterizovaným užitím pájek s teplotou tavení nižší než 450 oC. (Na rozdíl od pájení tvrdého, užívajícího pájky s teplotou tavení nad 600 oC.) Podstatnou složkou měkkých pájek jsou těžké kovy s nízkou teplotou tavení, zejména cín a olovo, příp. kadmium a zinek. Některé pájky obsahují i vizmut, antimon, indium. Tab. 7.6. Kovy obsaženév měkkých pájkách Většinou se užívá dvou- a třísložkových slitin, složitejších slitin či čistých kovů jen pro zvláštní účely. Přídavky malých množství kovů s vysokým bodem tání zlepšují mechanické vlastnosti pájených spojů. Základní údaje o užívaných kovech dává tab. 7.6 Cínové pájky Jsou nejužívanějšími pájecími slitinami. Rovnovážný diagram je na obr. 6.20. Při obsahu 61,9 %Sn vzniká slitina eutektická s teplotou tání 183,3 oC. Uvedený rovnovážný diagram


265

platí pro čisté kovy, bez příměsí. Ty ovlivňují polohu čar likvidu a solidu, mechanické vlastnosti a technologické vlastnosti pájky. Cínových pájek se užívá v rozmezí obsahu cínu 4 až 99 %. Přesné složení a vlastnosi jsou uvedeny v příslušných normách. V tab. 7.7 jsou základní údaje o některých pájkách Sn-Pb. Nejlepší pájky mají kolem 60 % cínu. Často se užívá Sn60Pb40 nebo slabě nadeutektická pájka Sn63Pb37 s bodem tání 183 oC. Pájecí drát mívá složení Sn40Pb60 s bodem tání asi 220oC. Pájky s malým obsahem cínu se Obr. 7.147. Rovnovážný diagram slitiny Sn-Pb hodí zejména pro klempířské práce. pro elektroniku a zejména strojní pájení musí mít pájka kromě přesného složení také přesně stanovené (a také zaručované) množství nečistot. Nejméně nebezpečnou příměsí je antimon, jehož vliv není významný až do obsahu 6 % Sn. Pouze pro pájení slitin zinku, tedy i mosazi, musí být jeho obsah menší než 0,5 %. Stříbro při obsahu nad 1 % způsobuje zrnitost pájky. Obsah niklu, vizmutu a arzénu do 0,2 % není škodlivý. Limitem železa a mědi je množství 0,1 popř. 0,05 %. Nejnebezpečnější příměsí je hliník (nad 0,05 %) a zinek (nad 0,001 %). Podstatně zhoršují pájitelnost. Naopak vizmut a kadmium se někdy úmyslně přidávají, neboť snižují bod tání a na smáčivost relativně malý vliv. Pro pájení vývodů hybridních integrovaných obvodů se někdy užívá pájka s obsahem stříbra 3,5 až 4,5%, která zabraňuje rozpouštění stříbra z pájecí plošky. Běžná pájka Sn60Pb40 je v ČR vyráběna ve dvou kvalitách a to v litém a v tvářeném stavu. V elektrotechnice není vhodné používat pájku litou, která má už při nasazení vysoký obsah nečistot. Jejich obsah se potom při provozu rychle zvyšuje a působí problémy při pájení. Pro použití do pájecího zařízení je vhodná pájka tažená, se zaručovaným obsahem nečistot. Její cena je samozřejmě poněkud vyšší, ale to je vynahrazeno delší životností pájecí lázně. Pájky pro hromadné pájení O volbě pájky byla již zmínka v předcházejících odstavcích. Je třeba připomenout, že složení pájky při jejím používání se stále mění, neboť pájka se obohacuje příměsemi z rozpouštěných kovových částí pájených předmětů. Požadavky praxe se soustřeďují hlavně na tyto otázky : 1) mechanická pevnost pájených spojů, 2) příčiny rekrystalizace pájky během života pájeného spoje, 3) přípustný obsah nečistot (příměsí) v pájce, 4) zajištění vysoké a stálé smáčivosti pájky, 5) složení a případně i tvar čerstvé pájky.

266


Pevnost pájeného spoje záleží, mimo jiné, na mechanických vlastnostech pájecí slitiny. Pro pájku Sn60Pb se snižuje pevnost v tahu při provozní teplotě 100°C na 75% pevnosti při 20°C, při teplotě 140°C klesá již na 50%. Přitom je pevnost natolik nízká, že se spoj nesmí nejen trvale zatěžovat, ale je třeba zabránit i krátkodobému zatěžování. Zlepšení mechanických vlastností změnou složení nevedou jednoznačně k cíli. Významnější jsou konstrukční opatření zabraňující mechanickému namáhání zejména tíhou součástky, pnutím v přívodech, rázy, otřesy aj. K rekrystalizaci pájky (cín zešedne, ztratí mechanickou pevnost a drolí se) dochází z různých příčin. Jako možnou příčinu lze ale vyloučit jev známý pod označením "cínový mor", kdy při teplotě 13,2°C dochází ke změně alotropické modifikace cínu přechodem ze šesterečné soustavy na kubickou, což je provázeno jeho rozpadem. U slitin cínu nebyl tento jev prokázán ani při hlubokých podchlazeních (sledováno vzhledem k užívání pájených spojů v kosmonautice). Nebyl zjištěn ani u galvanicky nanášených povlaků. Cínovým morem trpí někdy nádobí na starých hradech a v muzeálních sbírkách. Rekrystalizace začíná obvykle po velkých tepelných šocích při trvale nízkých teplotách. Za určitých podmínek může dojít k rekrystalizaci pájky bezprostředně po pájení. Měkké pájky vykazují mezi teplotou solidu a teplotou 140°C oblast tepelné křehkosti. Tuto oblast je třeba při ochlazování pájených spojů rychle překonat, i za pomoci umělého ochlazování, zejména při pájení součástek s velkou hmotností a celkovou tepelnou kapacitou. K rekrystalizaci dojde i cyklickým tepelným a současně mechanickým namáháním. Zvýšená teplota vyvolá rekrystalizaci obecně u všech pájecích slitin. Dochází k ní při teplotě asi 2/3 T, kde T je teplota bodu tání v Kelvinech [12]. Jsou tedy nejvíce ohroženy spoje, u nichž byla cínová pájka "přehřáta". Poslední známou příčinou rekrystalizace je přítomnost nežádoucích příměsí v pájce. Tvrdost pájky roste a pájka křehne. Kontaminace kovovými příměsemi se uplatní při rekrystalizaci, ovlivní smáčivost a pevnost. Nejsou dosud stanoveny všeobecně platné hodnoty obsahu jednotlivých příměsí v pájce. Vliv jednotlivých příměsí na různé vlastnosti je komplikovaný. Je na místě připomenout, že na znečištění pájecí lázně má významný vliv i obsluha zařízení. Odstraňování součástek, které náhodně vypadnou do lázně, pájení pouze schválených typů desek a čištění lázně musí být samozřejmostí. Čištění lze provádět nejefektivněji ochlazením pájky na teplotu těsně nad bod solidu a vycezením vzniklých krystalitů. Důležitá je i pravidelná kontrola chemického složení lázně pájky. Doporučované maximální hodnoty příměsí v pájce pro hromadné pájení bývají stanoveny výrobcem pájecího zařízení. Smáčivost pájky ovlivňují kovové nečistoty. Snižuje se i růstem obsahu oxidů kovů pájky, zejména tehdy, není-li omezen přístup povlaku z oxidů k pájeným místům. Vhodnou ochranou je vrstva oleje na hladině pájky nebo olej čerpaný "do vlny" spolu s pájkou. Smáčivost dále ovlivňují i obsahy oxidů, sulfidů a jiných sloučenin obsažených i ve výchozí, čerstvé pájce. Proto se pro pájení vyžadují pájky zvláště čištěné s potlačeným obsahem strusky a plynů (tavením ve vakuu, dokonalým balením pro dopravu aj.). Pájky s nízkým bodem tání Pro připojování součástek, které se vyšší teplotou snadno poruší, používáme kadmiové pájky se značně nižšími pracovními teplotami. Kadmiové pájky však jsou vhodné pro individuální pájení páječkou, neboť trvale roztopená lázeň kadmiové pájky se velmi rychle znehodnocuje sklonem kadmia k nezadržitelné autooxidaci a již při malém přehřátí lázeň zamořuje jedovatými výpary okolí.


267

Slitina s eutektikem ve složení 50%Sn 32%Pb 18%Cd má teplotu tání kolem 170•C. Některé používané pájky jsou v tabulce 7.8. Obecně tyto pájky hůře smáčejí povrch než pájky cínové, hůře se roztékají. Přítomnost kadmia a jeho sklon k oxidaci způsobují poróznost spojů a vylučují tyto pájky z aplikací ve vakuové technice.

Tabulka 7.8 Pájky s nízkou teplotou tavení Pro ještě nižší teploty se používají pájky Bi-Sn-Pb nebo Bi-Sn-Pb-Cd, případně In-Sn. Pro pracovní teplotu kolem 90°C jde např. o pájku Bi8 Sn40 Pb52 [AR 8/74:295]. V amatérské praxi se také užívají tepelné pojistky k tlakovým hrncům zakoupené v kuchyňských potřebách [AR-A 1/77:7]. Poznámka: Kadmiové pájky se také užívají, chceme-li minimalizovat termoelektrické napětí mezi spojovanými částmi. Na tuto skutečnost se musí upozornit v průvodní dokumentaci přístroje a musí být dodáno odpovídající množství pájky pro opravy. Pájky na hliník a jeho slitiny S hliníkem se velmi dobře spojuje zinek, který je proto obsažen ve většině pájek na hliník. Spoje jsou odolné proti korozi, vzhledem ke skoro nulovému stykovému potenciálu vůči hliníku. Posuzováno z tohoto hlediska je nežádoucí příměs olovo. Ze slitim Sn-Zn je nejvhodnější eutektikum Sn90-Zn s teplotou tavení 200°C. Ze soustavy Cd-Zn vyhoví slitiny s obsahem kadmia pod 70%, jejichž pracovní teploty se pohybují do 400 °C. 8.8.2

Tavidla

Užívaní tavidel, která usnadňují pájení, je technicky nutné. Tavidlo působí především chemickou reakcí, která podporuje smáčivost pájky, chrání očištěné pájené kovy a pájku během pájení před oxidací. Musí mít takovou viskozitu, aby napomáhala roztékavosti pájky. Nejdůležitější vlastností je vliv tavidla na povrchové napětí roztavené pájky, které zabraňuje tvorbě můstků a krápníků. Povrchové napětí taveniny se mnohonásobně zmenšuje, takže tavenina se dobře rozlévá, netvoří se kuličky a tavenina dobře zatéká i stéká při namáčení. Děj pájení proběhne tehdy, smáčí-li čistý kovový povrch základního kovu čistá pájka. Povrchy obou složek jsou však vlivem okolního prostředí znečištěny. Tavidla slouží při pájecím procesu k odstranění nečistot (převážně kysličníků) z obou pájených částí. Účelem působení tavidla je také zlepšovat smáčivost pájeného povrchu pájkou. Úhel smáčení (obr.7.144) musí být co nejmenší a musí být menší než 90°. Pro větší úhly je materiál nesmáčitelný, tedy i nepájitelný. Účinek tavidel ale nelze zaměňovat s čištěním povrchu před pájením.

268


Obrázek 7.144 : K definici úhlu smáčení : 1-základní materiál, 2-fólie, 3-tavidlo, a-úhel smočení

Tavidla obsahují zpravidla základní nosnou hmotu, ve které je rozptýlen aktivační prostředek. Ten je většinou silně agresivní - proto jeho obsah obvykle nepřesahuje 5%. Ideální aktivátor by měl být : - neagresivní pro pájené kovy a slitiny, - dostatečně aktivní, - dobře rozpustný v nosné hmotě, - zdravotně nezávadný. Chemická reakce mezi tavidlem a povrchovou vrstvou (nejčastěji oxidem) nastává až po dosažení účinně teploty tavidla. Pro správný průběh pájení je nezbytné, aby tato teplota byla nižší (zpravidla asi o 100°C) než je teplota solidu použité pájky. Je-li tato teplota příliš vysoká, roztaví se pájka dříve, než je povrch dostatečně očištěn a tavidlo je vytlačeno stranou mimo účinnou oblast spoje. Je-li naopak teplota mnohem nižší, tavidlo se nasytí nebo odpaří dříve, než úplně odstraní povrchovou vrstvu.

Obrázek 7.145: Vzájemné působení složek pájecího procesu PF – plynná fáze, KF – kapalná fáze, TF – tuhá fáze Během reakce tavidla dochází ke změnám jeho chemického složení a tím i ke změně teploty tuhnutí tavidla proti stavu před jeho použitím. Tavidlo musí tuhnout při teplotě nižší než je teplota solidu pájky, protože v opačném případě by mohly zůstávat zbytky tavidla v objemu pájky jako nežádoucí vměstky. Tyto snižují mechanickou pevnost spoje, elektrickou vodivost i odolnost proti korozi. Dalším úkolem tavidla je vytvoření ochranného povlaku na očištěném povrchu zabraňujícího následné oxidaci. Povlak však musí být snadno odstranitelný roztavenou pájkou.


269

Kromě působení na základní kov musí tavidlo čistit i povrch pájky a zabraňovat pohlcování plynů roztaveným kovem. Rozlišujeme dvě hlavní skupiny tavidel : 1) tavidla anorganická 2) tavidla organická První mají obvykle vyšší účinné teploty, mohutnější redukční schopnost, ale také způsobují ve větší míře korozi spojů a jejich okolí. Anorganická tavidla Základní složkou jsou chloridy, zejména chlorid zinečnatý ZnCl2 a chlorid amonný NH4Cl (salmiak). Účinná teplota prvního je 280°C, lze ji snížit přídavkem druhého až na 180°C. Často se užívá tavidla ze směsi chloridu zinečnatého, kyseliny chlorovodíkové a vody. Anorganická tavidla lze zahustit na pastovitou konzistenci vazelinou, olejem nebo škrobem. Spájená místa je nutné pečlivým omytím zbavit zbytků tavidla, jinak nastane silná koroze. Jejich používání je omezeno na značně znečištěné součástky nebo součásti z obtížně pájitelných materiálů. Typickým příkladem je "klempířská voda".

Obr. 7.145 Vzájemné působení složek pájecího procesu: PF-plynná fáze, KF-kapalná fáze, TF-tuhá fáze. Organická tavidla Tavidla lze obecně rozdělit na : - neaktivivaná, - mírně aktivovaná, - silně aktivivaná. Dalším možným kritériem je rozpustnost. Lze uvést : - tavidla vodná - rozpustná ve vodě (většinou s polyglykoly) - tavidla pryskyřičná - rozpustná v jiných rozpouštědlech.

Nejrozšířenějším organickým tavidlem je přírodní pryskyřice - kalafuna. Je to směs pryskyřičných kyselin s převážným obsahem kyseliny abietové. Aplikuje se buď tuhá, nebo častěji rozpuštěná v benzenu nebo etylalkoholu denaturovaném metylalkoholem či benzinem. Alkohol denaturovaný pyridinem není vhodný, protože při pájení se pyridin rozkládá a vzniklé produkty snižují odolnost spoje proti korozi. Nevýhodou kalafuny samotné je malá aktivační schopnost, takže lze pájet pouze nepatrně znečištěné povrchy. Výhodou je její schopnost vytvářet na hotovém spoji a jeho okolí ochrannou vrstvu. Je zdravotně nezávadná. tvoří proto základní hmotu většiny pájecích prostředků. Zvýšené účinnosti se dosahuje přídavkem aktivátoru do roztoku kalafuny v rozpouštědle. Nejužívanějšími látkami jsou halové soli organických aminů, např. anilin hydrochlorid, ortotoluidin hydrochlorid. Při teplotách pájení se tyto látky rozkládají, uvolňují kyselinu chlorovodíkovou, která se s oxidy kovů slučuje na těkavé chloridy unikající do ovzduší. Tyto aktivátory jsou toxické!!! Z ostatních látek se užívá jako aktivátorů halových solí hydrazinu. Vyznačují se mohutným redukčním účinkem. Lze jich proto přidávat jen velmi malé množství, čímž se snižuje nebezpečí koroze i toxicita.

270


Netoxickým aktivátorem je močovina (CH4N2O). Tvoří s halovými kyselinami adiční soli, které se při teplotách pájení snadno štěpí. Močovina sama se rozkládá na kysličník uhličitý a čpavek, unikající do ovzduší. Užívá se při ručním pájení, je účinnější než kalafuna. Přitom za studena nenapadá pájená místa. Zvláštní druhy tavidel Pro měkké pájení hliníku a jeho slitin se používají tavidla na základě fluoridů, zejména fluoridu boritého BF3. Ten je také jako aktivátor přidáván do tavidel sestávajících z primárních a terciárních aminů a jejich hydrofluoridů. Pájecí (redukční) laky byly původně vyvinuty pro pájení plošných spojů. Jejich úkolem je zachovat dobrou pájitelnost povrchů, které kryjí, a při pájení působí jako tavidlo. Sestávají z rozpustidla, tavidla a lakotvorné složky (např. solakryl). Tavidla pro hromadné pájení Mechanismus účinku tavidla je jak pro ruční, tak pro hromadné pájení obdobný, ale účinek tavidel pro hromadné pájení musí být podstatně vyšší. Rychlost působení musí být zvýšena tak, aby postačovala pro strojní pájení. Vliv na chyby pájení musí být maximálně potlačen. Jeho zbytky, včetně produktů rozkladu vzniklých při pájení, musí být snadno odstranitelné mytím. Poslední požadavek nelze někdy splnit, protože ne všechny součástky mytí dovolují. Operace mytí zvyšuje provozní náklady, některá rozpouštědla jsou hořlavá nebo škodlivá zdraví. Vývoj nových tavidel proto směřuje k takovým, která jsou odstranitelná vodou. Použití přírodních nebo umělých pryskyřic je potom problematické. Kvalita omytí se posuzuje podle množství iontových příměsí ve vodním výluhu, hodnocené měřením elektrického odporu tohoto výluhu. Základním tavidlem pro hromadné pájení je roztok kalafuny v organickém rozpouštědle. Roztok na deskách plošných spojů dobře ulpívá, lze ho dobře napěnit (při nanášení). Nezpůsobuje korozi, na deskách vytváří nelepivý tvrdý povrch. Aktivitu ovlivňuje přídavek aktivátoru. Potom je ale mytí nezbytné. Vzhledem ke složení je nutné mytí dvoustupňové: nepolární rozpouštědlo dobře odstraňující pryskyřici jako první lázeň, voda ke smytí iontových nečistot jako lázeň druhá. Dalším druhem jsou tavidla bezkalafunová, na bázi hydrochloridů organických kyselin. Vyžadují bezpodmínečně omytí vodou. Z anorganických tavidel se zásadně nepoužívají ta, která obsahují chlorid zinečnatý, cínatý a amonný (pozor na známá tavidla EU 2 a EU 3!). Používají se však tzv. "ostrá tavidla", obsahující jako aktivátor kyselinu chlorovodíkovou. Podmínkou je dokonalá rozpustnost ve vodě. Tavidla lze nanášet : - štětcem, případně jiným manuálním způsobem, - v pěně na speciálním zařízení a - nástřikem.

Poznámka: Obecně platí, že tavidla pro ruční a strojní pájení nejsou vzájemně zaměnitelná. Příkladem jsou hojně používaná vodou rozpustná tavidla pro strojní pájení, která obsahují polyglykoly. Použijeme-li je při ručním pájení, tak teplota pájecího hrotu vyšší než 260°C, nutná pro vznik teplotního spádu při pájení, vyvolá polymeraci. Vzniklé sloučeniny pak už prakticky nelze ze spoje odstranit jinak než mechanicky.


271

Poznámka: Služba výzkumu dodává pro ruční pájení v elektrotechnice pájecí roztok LETOL a sedm přípravků řady EPSILON (účinné látky nepublikovaného složení jsou rozpuštěny v isopropylalkoholu) pro ruční i strojové pájení. Pro odstranění izolace smaltovaných vodičů se dodává přípravek DESMALTOL (užívá se při pájení jako "tavidlo") a De-IZOL (užívá se před pájením - ponořením do taveniny). Podobné přípravky dodávají i zahraniční firmy. 8.8.3

Postup pájení

Pájení lze vždy rozložit do těchto základních operací : 1) odstranění povrchových nepájivých vrstev z pájených předmětů, 2) umístění pájených částí do vhodné vzájemné polohy a jejich fixace, 3) nanesení tavidla, 4) ohřev spoje na pracovní teplotu, 5) přivedení pájky do spoje, 6) ochlazení pájeného spoje, 7) očištění spoje a jeho okolí. Operace 4. a 5. jsou charakteristické pro jednotlivé technologie pájení. Podle způsobu provádění pájených spojů rozeznáváme pájení : a) ruční b) hromadné.

Ruční pájení Zdrojem předávaného tepla místu spojovanému měkkým pájením je páječka (v praxi též nazývaná pájedlo nebo pájka, tj. stejně jako používaný materiál). Spojované části i pájka jsou ohřívány na pracovní teplotu hrotem páječky (upevněným v držáku tak, aby pájení bylo pohodlné, neunavující ruku). Ohřev hrotu je nejčastěji elektrickýá (topný element na síťové napětí nebo na napětí nízká), výjimečně plamenem. Kvalitní páječky umožňují regulaci teploty hrotu. Ruční pájení cínovou pájkou se jeví na první pohled jako velice jednoduchý úkon. Není tomu tak vždy. Je třeba mít určité znalosti a především dodržovat "technologickou kázeň". Obecně se doporučuje dodržovat tyto zásady : - pracovat s dobře prohřátou páječkou (nebo hrotem pistolové páječky), - pájecí hrot musí být pokryt tenkou vrstvou pájky; dosahuje se toho tak, že nejprve naneseme cín s tavidlem na zahřátou páječku a pak se hrot otírá hadříkem, který nelíná chlupy (běžná bavlněná tkanina nebo jemná kůže), - na větší spoj používat masívnější páječku, - předem součásti očistit, mechanicky i chemicky a pocínovat, - umístit pájené části do vhodné vzájemné polohy (a její fixace), - pájené části pokrýt malou vrstvou tavidla,

272


- dobře prohřát celý spoj (přitisknout na pájené místo hrot páječky, pokud možno tak, aby přenos tepla byl maximální v pájeném místě; do pájeného místa postupně přidávat cínovou pájku, která zároveň zprostředkovává lepší přenos tepla), - pozorovat, jak se cín po povrchu roztéká (doba pájení musí být krátká, 2 až 5 sekund; za tuto dobu se pájka musí roztéci a zaplnit všechny prohlubně), - ve vhodné chvíli oddálit páječku, - po ukončení pájení nechat spoj řádně vychladnout (během chladnutí se nesmí spojované části vzájemně pohnout - rozhýbáním vývodů při tuhnutí pájky vznikne hrubozrnný spoj, je třeba pájet znovu) - nedoporučuje se foukáním nebo přikládáním kovových předmětů chlazení urychlovat. Pro kvalitní spoj je důležité, aby páječka měla správnou teplotu, a aby množství tepla dodaného do pájeného spoje bylo právě takové, aby se pájka v celém spoji roztekla bez vytváření "špiček". Správný spoj musí být hladký a lesklý - to však závisí i na procentu cínu v pájce (na jakosti pájky). Pokud se při oddalování hrotu páječky od pájeného místa Obr. 7.146. Dobrý, přijatelný, špatný pájený spoj vytahují špičky, svědčí to o nízké teplotě při pájení. Někdy však je tento vzhledový nedodstatek spojen s jakostí pájky. V tomto případě prospěle dodat do pájeného místa více kalafuny.

Obr. 7.147. Hájitelnost povrchu DPS

Obrázek 7.148: Připájené vývody součástek na jednostranné DPS a dvoustranné DPS (s prokovenými otvory)


273

Obr. 7.149. Postup při pájení vodiče k trubičkovému vývodu Zásada je, že ve spoji musí být dostatečné, nikoli však nadměrné množství cínu. Pájet je nutné rychle (obvykle 2 až 5 sekund), aby se cín nepřipálil a aby se teplo zbytečně nerozvádělo do okolí. Přenos tepla z hrotu zlepší kapka cínu. V pájeném místě by se neměly spalovat či "připékat" nečistoty a pájka musí vnitřek všech spojovaných částí dokonale smáčet bez "lunkrů". U některých typů spojů, například při pájení drátků do dutinek konektorů, ?pájení drátků do tenkých trubiček apod. je výhodné, jsou-li všechny díly vydatně pocínovány (příp. do dutinky vložíme ještě trochu tavidla i pájky) a spoj pak pouze na co nejkratší dobu ohřejeme (obr. 7.149). Kalafunou nelze při cínování a pájení šetřit. Spoléhat se na účinnost náplně kalafuny v trubičkovém cínu není radno, snadno vyrobíme studený spoj (vzniká při nedostatečném slinutí pájky s vývody součástek nebo plošným spojem; má velký přechodový odpor nebo dokonce žádný elektrický kontakt, ale navenek vypadá spolehlivě). Základní podmínkou jakostního spoje je, aby spojované součásti byly čerstvě pocínovány. Spoléhat na to, že vývody součástek byly pocínovány při jejich výrobě není správné; mezi okamžikem jejich výroby a pájením uplyne často dlouhá doba. Na povrchu pocínovaných vývodů se časem vytvoří vrstvička oxidu, která brání jejich dokonalému smáčení v roztavené pájce. Důsledkem toho je, že nedokonale odstraněný povlak oxidu spolu s atmosférickými vlivy způsobí vnitřní korozi spoje, který se Obrázek 7.150: Páječka s automatickou regulací potom po čase může projevit jako " teploty hrotu studený" spoj.

274


V praxi tedy u součástek, které nejsou zcela nové, přistoupíme k "oživení" pocínovaných vývodů, a to i těch, které jsou stříbřeny nebo zlaceny. Pocínování (oživení) se provádí v roztavené cínové pájce za použití dostatečného množství kalafuny. Nežádoucí oxidy potřebují někdy k rozpuštění pod kalafunou mnohem delší dobu, než je přípustná doba při pájení na plošných spojích. Proto není možno tuto operaci spojovat s vlastním pájením. U starších součástek musíme často dobrému pocínování napomáhat nechanicky "drhnutím" vývodů hrotem páječky pod vrstvou kalafuny. Přitom je nutno v některých případech odvádět ze součástky přebytečné teplo (např. pinzetou), pozor na kontakty a patice které obsahují termoplasty (deformují se teplem), a také u keramických kondenzátorů se mohou velkým teplem odpájet vnitřní vývody. (Pro úplnost uvádíme, že přepalování vlásenek u pistolové pájky je důkazem chemického čištění mědi kalafunou až do úplného odleptání vlásenky.) Výrobci spotřební elektroniky se zpravidla spokojují s tím, že ve výrobě využívají součástek, které nebyly dlouho skladovány. Při výrobě elektroniky investičního charakteru přijímají výrobci další opatření (viz poznámka). Poznámka: Při výrobě součástek leptáme (opalujeme) spojovaný materiál (špičky, dráty, plošné spoje) ještě ve stadiu základních polotovarů v kyselině, čímž dokonale odstaníme nejen tekké vrstvy oxidu na povrchu materiálu, ale i hrubší oxidy, hlouběji proniklé do povrchu materiálu válcováním nebo tažením. Leptaný materiál se mikroskopicky vrásní, čímž se až o 100% zvětšuje aktivní povrch. Obrázek 7.151: Odsávačka cínu, kleště na odstraňování izolace, pistolová páječka a trubičkový cín Po dokonalém odstranění stop kyseliny se pak vzápětí (během 6 hodin) očištěný materiál buď pod tavidlem leguje (pokoví), obvykle v lázni, což je dlouhodobá konzervace povrchu. Krátkodobou konzervaci provedeme galvanickým pokovením (špičky) nebo nanesením vrstvy pájecího laku (ponořením konců odizolovaných konců drátů nebo postřikem desek plošných spojů). Materiál krátkodobě konzervovaný nutno pod tavidlem zahřát na pracovní teplotu, přiložit pájku a tekutou pájkou rozpustit galvanicky nanesenou vrstvu, nebo spálit vrstvu laku, základní kovy legovat a vyplnit spáry. Desky je třeba před pájením mechanicky očistit (v sériové výrobě kartáčováním, v kusové nejjemnějším smirkovým papírem, brusnou pastou, práškem na nádobí, pastou Silichrom apod.). Dále je potřeba desky odmastit. K tomu lze použít vídeňské vápno nebo různé odmašťovací přípravky (trichlóretylén, saponáty). Amatéři užívají i pastu na zuby. Po odmaštění je třeba chránit plošné spoje před opětnou oxidací. Často se k tomuto účelu


275

používá lak, zhotovený rozpouštěním kalafuny v lihu (čistá kalafuna má dobré izolační vlastnosti). Tento lak je z hlediska pájení dobrý, avšak práce s ním je nepříjemná, neboť povrch je i po dlouhé době lepkavý. Spoje se pak při práci snadno znečistí ohmatáním ruky. Dále pak jsou k dispozici laky od různých výrobců. Amatéři s úspěchem vyzkoušeli i lak na vlasy. Posoudit kvalitu spoje je obtížné. Obvyklá je zkouška mechanickým namáháním. Malými plochými kleštěmi nebo pinzetou zatáhneme za připájenou součástku, a když spoj drží, považujeme ho za dobrý i po elektrické stránce. Hodně napoví i vzhled spoje. Cín musí být rovnoměrně rozteklý, na vývodech má mít plynulý přechod (konvexní tvar kužele), má být lesklý a hladký. Při opakovaném pájení na stejném místě postupujeme stejně, jako kdybychom pájeli poprvé. Nikdy "nelepíme" vrstvy cínu na sebe, tj. celý spoj musí být prohřátý. Při opravách je potřeba starý cín ze spoje odstranit. Běžně se užívá tzv. odsávačka. Kromě odsávačky lze použít i improvizované pomůcky. Ze zbytku (není podmínkou) měděného kablíku s co nejtenšími drátky (s výhodou pocínovaného nebo postříbřeného) odstraníme část izolace, vytvoříme tak malý "štěteček". Odizolovanou část ponoříme do roztoku kalafuny v lihu a necháme oschnout (nebo zahřejeme páječkou na kusu kalafuny). Přitlačí-li se lanko horkou páječkou na spoj, odsává (kapilární elevací) roztavenou pájku (asi jako "piják"). Zacínovanou část lanka odstřihneme a se zbytkem pracujeme dále stejným způsobem. Pro dobré spojení cínovou pájkou si je třeba uvědomit i některé konstrukční zásady. Spojení cínovou pájkou má velmi malou mechanickou pevnost, žádnou odolnost proti dynamickému namáhání, nesnáší tepelné šoky a nadměrné oteplení. Statické namáhání by nemělo překročit asi 3,5 g na jeden spoj. Ale i u spojů, které vyhovují tomuto kritériu, musíme spoj chránit před dynamickým namáháním. To znamená, že každá "těžší" součástka by měla být na desce s plošnými spoji nějakým způsobem mechanicky upevněna. Pod mnohé součástky se vkládají podložky, které součástky mechanicky fixují (může přinášet problémy, pokud desky myjeme). Drátové vývody musí mít dostatečnou (ale ne nadměrnou) délku a mají být tak tvarově upraveny, aby neměly ostré rohy a záhyby. Dále používat např. rezistory v poloze na výšku (tzv. japonská montáž) se nedoporučuje. Součástka z hlediska tepelného namáhání nás zajímá dvakrát. Při pájení musíme některé druhy nejen polovodičových součástek, ale i rezistorů s krátkými vývody, apod. chránit různými typy měděných chladítek, abychom je teplem pájky nepoškodili. Naopak u součástek s příkonem větším než 0,5 až 1 W, bychom měli znát jejich maximální oteplení. U nich je nebezpečí ohřívání plošných spojů i cínového spojení. Na příklad v paměti s obvody 74S201 docházelo k měknutí cínu a až k "vyletování" obvodů. Používané chladiče mají být od desky s plošnými spoji odděleny buď vzduchovou mezerou nebo izolační podložkou. Někdy ovšem používáme plošný spoj sám jako chladič. Spojujeme-li dva vodiče, tak pokud možno nepoužíváme tzv. spojení natupo. Ideální je, jsouli vodiče před pájením vzájemně ovinuty, nebo jinak mechanicky zafixovány. Páječky Ruční elektrická páječka pro trvalý provoz u níž pájecí hrot (obvykle měděný) je zahřívaný elektrickým topným článkem má mít vhodný tvar, malou hmotnost, přiměřený výkon a má být dobře ovládatelná izolační rukojetí. Vzhledem k trvalému zapojení páječky (po celou pracovní dobu) se klade důraz na ekonomii a účinnost.

276


U ruční páječky na nárazový provoz (např. pro opravy) není tak důležitá hmotnost a účinnost, ale pohotovost. Páječka se zapojuje jen v případě potřeby - na zcela krátkou dobu. Zde se plně uplatní transformátorová páječka, obr. 7.151 u níž pájecí hrot tvoří měděná smyčka. Průchodem proudu vyvolaném malým napětím 0,4 až 0,5 V se rozžhaví smyčka za dvě až pět sekund po zapnutí. Spínač i transformátor jsou v tělese páječky. Rozsvícení malé žárovky indikuje zapnutí páječky a současně slouží k osvětlení pájeného místa. Pistolovou páječkou lze pájet pouze menší spoje, ty větší se neprohřejí. V profesionální praxi se pistolové páječky přestávají používat. Jmenovitě vůbec nejsou ve specifikacích NASA. Zvláštní pozornost je potřeba věnovat hrotu, který musí: - zajistit dostatečný přenos tepla z topného elementu do pájeného spoje, - umožnit svým tvarem a rozměry potřebnou manipulaci v pracovním prostoru - malými nároky na údržbu při dlouhé životnosti zabezpečit stálé podmínky pro proces pájení. Dobrý přenos tepla je podmíněn smáčením pracovní oblasti hrotu pájkou, která v tekutém stavu na počátku pájení zprostředkuje styk s pájenými částmi v mnohem větší ploše než je čistá dotyková plocha hrotu a jednotlivých dílů. Tvar hrotu i stav jeho povrchu se mění jednak oxidací, jednak rozpuštěním materiálu hrotu v pájce. Oba faktory snižují životnost hrotu a zhoršují podmínky pro správné pájení. Podmínka dobré tepelné vodivosti hrotu vyžaduje použití mědi na jeho výrobu. Tvarovou stálost lze zajistit buď povrchovou úpravou kovem dobře pájkou smáčeným a přitom zanedbatelně v pájce rozpustným (Fe, Ni, Cr v tloušťkách 30 až 50 um), nebo zhotovením pracovní špičky hrotu z takového materiálu kompaktního. Miniaturní páječky na nízké napětí mají hroty celé ze slitiny např. Cu46Zn39Ni13, zbytek Pb, Mn, Fe; nebo ze slitiny Ni-Co. V dutině hrotu je umístěno vyhřívací tělísko. Čistota měděného hrotu a jeho rovnoměrné a čisté pocínování jsou předpokladem dokonalého pájení. Hrot (zvláště větší pájky) se musí pravidelně ošetřovat - očistit drátěným kartáčem nebo pilníkem, potom kalafunou a pocínovat kolem dokola. Některé hroty vyžadují k čištění použít salmiak (chlorid amonný) nebo obdobné razantní prostředky (pozor, jen pro pocínování hrotu, ne pro pájení na desce plošných spojů!). Stejnou operaci je nutno provést, když se na povrchu cínové kapky, uchycené na hrotu, začne tvořit šedá blanka. To je neklamná známka zvýšené teploty cínu a jeho přepalování. (Pro zamezení přepalování cínu při pájení s přestávkami se doporučuje snížit příkon páječky předřadným rezistorem, kapacitorem nebo triakovým regulátorem. Moderní pájky mají regulaci teploty. Někdy se pro chlazení hrotu užívá na odložení otvor v železné kostce (např. kusu kolejnice.))

Obr. 7.152. Hrot s otvorem pro pájení integrovaných obvodů. Pro pájení integrovaných obvodů se osvědčil hrot pájky podle obr. 7.152. Hrot je vyroben z mědi, zahřívá pouze to místo, kde bude spoj. Zároveň využívá kapilárních vlastností cínu. Hrot se nasune kolmo na vyčnívající konec vodiče (např. vývodu IO) a současně se přidá potřebné množství cínu. V případě, že se "podaří" na pájené místo dopravit více cínu než je


277

třeba, stačí prudkým pohybem ruky vyčistit otvor v hrotu páječky a při dalším přiložení hrotu se přebytečný cín odsaje. Hrot se dosti rychle opotřebovává, proto použijeme pájku s regulací teploty. Nevýhodou obvyklých hrotů (smyček) pistolových páječek, zhotovených z měděného vodiče, je malá životnost a málo výrazné soustředění tepla na pracovní část smyčky. Na obr. 7.154 vidíme skládaný hrot ze dvou měděných vodičů délky 50 mm, průměru 1,6 mm (a), s vloženou částí pozinkovaného železného drátu (b). Jednotlivé díly jsou natupo spájené stříbrnou pájkou (Ag450) s použitím boraxu. Po vytvarování upevníme hrot na transformátorovou páječku, železnou část ponoříme do roztoku ZnCl a pájku zapneme. Takto očištěnou část pracovního hrotu pocínujeme. Délka železného vodiče je asi 20 mm, závisí na příkonu páječky (ovlivňuje teplotu hrotu). Proto autor úpravy (ARA1977/12:455) doporučuje ověřit několik různých délek odstupňovaných po 1 až 2 mm. Hroty tohoto typu je také možno koupit v některých obchodech (tzv. věčné hroty).

Obr. 7.153. Úprava pistolové páječky

Obr. 7.154. Smyčka pistolové páječky s vloženou železnou částí

Obr. 7.155. Smyčky k pistolové páječce: a) z měděného plechu, b) k vypájení integrovaných obvodů v pouzdře DIL. Na obr. 7.155a vidíme smyčku k pistolové páječce vyrobené z měděného plechu o rozměrech 6x59x1,2 mm. K výrobě se použije lupénková pilka a pilník. Přívody mají čtvercový průřez o rozměrech 1,2x1,2 mm. Výhodou je zvýšená tepelná kapacita smyčky (AR 1969/1:33). Na obr. 7.155b vidíme tvar smyčky určené k vypájení integrovaných obvodů v pouzdře DIL z desky plošného spoje (ARA 1984/11:410). Pomocí této smyčky lze současně nahřát všechny vývody a pomocí pinzety integrovaný obvod vytáhnout. Na obr. 7.153 je nakreslena úprava pistolové pájky, u které došlo ke stržení závitu, což je dosti častý případ. Páječkou 500 W připájíme vnitřek z lámací svorky (viz [AR1964/1:6]). Jiná úprava je v [AR1969/1:3].

278


Hromadné pájení.

Při hromadném pájení je zdrojem tepla přiváděného pokovovanému nebo pájenému materiálu přímo roztopená lázeň pájky. Její teplotu můžeme přesně nastavit a udržovat automatickou regulací příkonu topných elektrických článků (obvykle +-5°C). Pájené části, zajištěné proti vzájemnému pohybu po celý pájecí proces, opatřené tavidlem, se ponořují do lázně roztavené pájky. Pájené části se ohřívají rychle, za asi 1 až 2 s. Materiály pájených dílů musí tento tepelný šok snést bez škodlivých následků. Pracovní teplota se volí co nejnižší (eutektické pájky), snižuje se tak i tvorba oxidů na povrchu pájky. Oxidaci zabraňuje i ochranná atmosféra nebo vrstva oleje či jiného přípravku pokrývající hladinu. Případné povrch znečišťující vrstvy se musí před ponorem odstranit (mechanicky), aby neklesla kvalita spojů vlivem cizorodých částic v objemu spoje. Hromadné pájení desek plošných spojů je jedním z prostředků jak nejen racionalizovat proces, ale i jak zvyšovat spolehlivost celých systémů. Již bylo uvedeno, že spoje pájené hromadně vykazují přibližně o dva řády vyšší spolehlivost (za předpokladu dokonalého zvládnutí technologie). Je to dáno menším vlivem lidského faktoru a stále stejnými podmínkami. Pájecí zařízení využívají k zapájení několika různých principů, tj; vzájemného působení pájené desky a pájky (obr. 7.156) : a) kolmý ponor - před ponorem je třeba mechanicky odstranit vrstvy nečistot z hladiny pájky (stěrkou), b) postupný ponor - pájené části (desky plošných spojů) jsou ponořovány pod úhlem 5 až 7° a sklopeny do vodorovné polohy; z klínové mezery jsou povrchové nečistoty vytlačeny, c) kolmý ponor se stíráním - po ponoření je pájenými díly pohybováno rovnoběžně s hladinou; jsou tak odstaněny oxidy, zbytky tavidla i redukční zplodiny, d) vlečné pájení na plocho - pájené části vstupují do lázně pod úhlem 5 až 7•, probíhají lázní a opět šikmo vystupují; před pájenými částmi je stírán povrch lázně; ohřev je pozvolnější, tepelný šok menší, e) ponořování s kývavým pohybem - spojení varianty b) a c) při zachování výhod obou; není vhodné pro převážně rovinné útvary, f) ponor do lokálně vzduté hladiny - roztavená pájka je čerpadlem vháněna tryskami k hladině, kterou vzdouvá; pájené části jsou po přiblížení k hladině pájeny pouze v místech vzdutí, g) pájení kaskádou - roztavená pájka dopravená čerpadlem stéká po šikmé ploše s hradítky, na nichž vytváří vlny při svém přetékání; pájené části jsou posouvány proti směru toku pájky a procházejí jednotlivými vlnami; neustálým prouděním je povrch zbaven znečišťujících povlaků, h) pájení stojící vlnou - roztavená pájka je čerpadlem protlačována širokou tryskou a vytváří vlnu definovaného tvaru; pájené součásti procházejí vlnou ve výšce dané podmínkami pájení. Poslední z uvedených principů je v současné době nejrozšířenější.


279

Obr. 7.156 Princip pájení ponorem Pájení stojící vlnou V principu se jedná o pájení, kdy se osazená deska pohybuje po tečně k cínové vlně (resp. pájky cín-olovo). Vlna může mít různý tvar (viz obr. 7.157). Je také možné pro speciální použití vhodnými prostředky tvar vlny poněkud změnit - např. do tvaru dvojité vlny.

Obr. 7.157. Různé typy vln pro hromadné pájení: a) dvoustranná vlna s parabolickým obrysem, b) jednostranná vlna, c) kombinace předchozích Výsledek pájení závisí na - technických parametrech zařízení - dodržování všech technologických zásad (teploty, čistoty aj.) - čistotě a složení pájky. Pochody probíhající na povrchu pájených složek jsou schematicky znázorněny na obr. 7.158. Vzhledem k závažnosti je třeba se blíže zabývat vlivem čistoty pájky na výsledek celého procesu. Největší vliv mají některé kovové nečistoty. Obr. 7.158. Princip hromadného pájení plošných spojů. 1) směr pohybu plošného spoje 2) základní kov 3) difuzní vrstva 4) tuhá vrstva pájky 5) olej 6) tekutá pájka 7) tavidlo a zbytky oleje 8) tavidlo 9) vrstva oxidu

280


Blíže si všimneme vlivu některých prvků, které se mohou do lázně dostat z galvanických povlaků pájených součásti (Au, Ag) nebo z nevhodně volených konstrukčních dílů (Cd, Al, Zn). Zlato (Au) - do určité úrovně nevadí, ale při větších koncentracích způsobuje zvyšování tvrdosti a křehkosti pájky, zhoršuje se odolnost vůči vibracím (volba intermetalických sloučenin). Stříbro (Ag) - vesměs se uvádí, že nevadí, naopak pro náročnější aplikace se do pájky přidává až 2,5% stříbra. Měď (Cu) - celkový obsah mědi a stříbra nemá přestoupit 0,55%, při překročení působí zhoršení smáčivosti a zrnitosti. Kadmium (Cd) - je považováno za pájecí jed. Shromažďuje se většinou u dna a dostává se do lázní z nevhodné povrchové úpravy součástí. Zinek (Zn) - projevuje se nepříznivě už od koncentrací 0,001%, zhoršuje roztékavost pájky, zvyšuje možnost koroze. Antimon (Sb) - povolená hranice je 0,3%, má vliv na tavení pájky, při větším obsahu zhoršuje mechanické vlastnosti. Vizmut (Bi) - kladně podporuje smáčivost a roztékavost pájky. Příznivě působí na cín proti vlivu nízkých teplot (zamezuje cínovému moru). Lázeň se musí pravidelně kontrolovat. Je nutno provádět rozbory se zřetelem na výše uvedené prvky. Je samozřejmé, že s e v lázni vyskytuje také určitý obsah nekovových nečistot. Kladně se projevuje použití speciálních olejů, které se používají pro krytí povchu cínové pájky pro zabránění oxidace (někdy se mixují s pájkou), obsahují speciální aditiva, která působí příznivě na čistotu pájky. Z tohoto důvodu není také vhodné používat oleje rostlinného původu - tyto se jednak teplem rozkládají, dále neobsahují zmíněná aditiva a také u nich není zaručováno složení, tj. poměr nasycených a nenasycených uhlovodíků, což ztěžuje následné mycí procesy. Je třeba poznamenat, že u všech způsobů pájení s nuceným pohybem pájky vznikají potíže způsobené oxidací. Cirkulací pájky je mnohonásobně zvětšen volný povrch, na kterém dochází k reakci se vzdušným kyslíkem. Oxidační rychlost je až 20x vyšší než u roztavené pájky ponechané v klidu. Při oxidaci pájky typu Sn-Pb probíhají reakce 2 Pb + O2 -> 2 PbO 2 Sn + O2 -> 2 SnO PbO + SnO -> Pb + SnO2 Cín má větší afinitu ke kyslíku než olovo a proto je jeho obsah v oxidové vrstvě větší. Lázeň se tak ochuzuje o cín, celkové složení pájky se mění se všemi důsledky. Olovo se v malé míře také vypařuje a zamořuje pracovní prostředí. Cínová pájka se znečišťuje tím, že do ní vnikají kovy z pájených předmětů.


281

Technologické operace a zařízení pro hromadné pájení

Základními technologickými kroky při hromadném pájení jsou: - upevnění desky - nanášení tavidla a jeho sušení (většinou infraohřevem) - předehřívání osazených desek (může být totožné se sušením tavidla) - vlastní pájení - zkracování vývodů (pokud je tento krok potřebný) - čisticí procesy - lakování desek (pokud se používá) Operace (až po čištění) jsou většinou soustředěny do jednoho zařízení. Mytí desek plošných spojů a jejich případné lakování se provádí odděleně na speciálních zařízeních

Nanášení tavidla Na začátku procesu se na zakládacím stanovišti deska plošného spoje (PS) vloží do zakládacího rámu nebo se přímo vloží do prstového dopravníku. V nanášecím modulu se většinou ve formě pěny nanese tavidlo (je též možné použít nástřik nebo nanášení štětcem). Pokud má být zaručena vysoká spolehlivost osazené desky plošného spoje, musí být nanesení tavidla rovnoměrné a musí být před vlastním pájením vysušeno (v sušicím modulu). Tato operace je velmi důležitá při hromadném pájení PS, protože by mohlo při styku desky s pájecí lázní docházet k "prskání" a k možnosti tvorby můstků mezi vodiči. U hromadného pájení je důležitým parametrem tavidla teplota, při které dochází k aktivaci. Tato musí být nižší než teplota pájení, aby při procesu pájení nejdříve došlo k aktivaci tavidla a tím k odstranění kysličníků. Zkracování vývodů Moderní součástky pro osazování desek plošných spojů mají přívody upraveny tak, že jsou bez formování a zkracování vhodné k pájení. Vhodným tvarem se vyznačují např. IO v pouzdrech z polymerních hmot, jejíchž vývody jsou v částech zůstavajících na straně součástek rozšířené, takže poloha součástky ve vertikálním směru je po dosednutí rozšířené části přívodu přesně definována. Existuje však celá řada součástek s přívody, které vyžadují zkrácení a často i formování do potřebné délky a tvaru. Formování se děje většinou ještě před osazením daných prvků do desky PS na jednoúčelových strojích. Přitom jsou vývody již upravovány na potřebnou délku. To je však možné pouze u součástek upravených pro strojní vkládání. Po osazení se dají vývody odstřihnout a ohnout ručně, nebo pouze zkrátit frézováním. Frézováním se vývody zkracují buď před pájením nebo i po pájení. Přívody součástek, které se formují a zkracují předem, se dají vytvarovat tak, že není nutná další fixace před a při pájení; pohyb, resp. posun součástek je nežádoucí. U součástek, jejichž vývody takto upravit nelze, je po osazení jejich poloha zajištěna vhodně profilovanými závažími nebo zátěží působící přes pružnou umělou hmotu, v poslední době též přitmelením (speciálním tmelem naneseným na stranu součástek). Nejproduktivnějším způsobem zkracování vývodů je jejich frézování po zapájení. Odpadá upevňování součástek. Postup však vyžaduje vysokou vlnu pájecí slitiny, která pokrývá i části vývodů frézováním odstraňované. Zvyšuje se tak spotřeba pájky i příkon nutný k ohřevu

282


pájecí lázně. Dochází často i ke vzniku prasklin ve spojích. Oprava je možná pouze dalším přepájením celých desek. Tyto důvody vedou k tmelení součástek a jejich frézování před pájením. Tmel je odstraněn z desek při pájení. Výhodné je, když tmel vykazuje současně vlastnosti tavidla.

Předehřívání osazených desek V první řadě se předehřátím odstraní rozpouštědla z tavidel nanesených v předchozí operaci. Dále se desky předehřejí, čímž se zrychlí vlastní pájení a sníží teplotní ráz, kterému je deska vystavena při postupném průchodu pájecí vlnou. Předehřátí odstraní částečně i snadno těkavé látky ze základního materiálu desek PS a ze součástek, zejména vodu. Únik těchto látek ve formě plynů se bez předehřívání děje až při a těsně po průchodu vlnou roztavené pájky v průběhu chladnutí pájky ve spojích. Vznikají bubliny, někdy i otevřené krátery. Tyto vady patří mezi velmi závažné. Pájení stojící vlnou roztavené pájky Nejrozšířenějším způsobem je pájení stojící vlnou roztavené pájky (viz obr. 7.156h). Asi 80% pájecích zařízení používá tohoto principu. Pro potlačení jevu odsmáčení získává popularitu i vlečné pájení (obr. 7.156d). Pájení stojící vlnou umožnůje pájení přívodů součástek do desek PS jednostranných, oboustranných i vícevrstvých s pokovenými otvory. Pohybující se pájecí slitina proniká tlakem a kapilárními silami pokovenými otvory a vytváří pájecí kužel i na součástkové straně desky. Pájka je vzdutá čerpadlem, ponořeným do lázně. Čerpadlo nasává čistou pájku ze střední hloubky lázně, kterou žene vhodnou štěrbinou nad hladinu lázně. Vhodné přepady štěrbiny tvarují hřeben a tvar vlny, aby se docílil vhodný náběhový úhel a (odplavení zbytků tavidla) a výstupní úhel ß(zabránění tvoření "rampouchů" z přebytečné pájky). Velikost úhlů závisí na rychlosti, druhu a teplotě pájky i na rychlosti posuvu nosiče plošných spojů. Pájením ve dvou i třech za sebou následujících vlnách se snižuje pravděpodobnost výskytu špatného spoje na minimum. Velikost konstrukční jednotky je omezena pouze šířkou vlny. Obr. 7.159 Pájení v hřebenu vzduté vlny pájecí lázně. kj - konstrukční jednotka a - náběhový úhel ß - výstupní úhel š - štěrbina čerpadla

Obr. 7.160 Princip pájení stojící vlnou roztavené pájky


283

Obr. 7.161 Princip vzniku krápníků a jejich potlačení náklonem

Obr. 7.162 Potlačení vzniku krápníků širokou vlnou a vlnou s olejem Hřeben vlny je prostý kysličníků pájky, protože roztavená pájka je v neustálém pohybu udržována čerpadlem, vhánějícím pájku do trysky formující vlnu. Osazená deska prochází vlnou rychlostí v1. Pájka smáčí dolní povrch desky a díky povrchovému napětí na ní ulpívá. Přebytečná pájka stéká zpět do vlny (do její týlové části) rychlostí v2. Přitom se vytváří závoj (jeho měřitelná délka y je vyznačena v obr. 7.160). Musí být splněna podmínka v1 < v2. Závoj vytváří na pájených spojích "krápníky" a "můstky". (Krápníky vznikají v místech při spojování součástek na vyčnívajících vývodech, můstky spojují sousední plošné spoje přes izolační mezery.) Rychlost stékání pájky do vlny lze ovlivnit snížením povrchového napětí, a to zvýšením teploty pájky. Změna rychlosti v1 není většinou možná, což je dáno výrobním zařízením. Pokud je možné naklonění dopravníku desek, lze tvorbu krápníků omezit náklonem asi 4 až 10°. Podpoří se stékání pájky a závoj se zmenší. Situaci znázorňuje obr. 7.161. Tato úprava je v současnosti všeobecně rozšířena. Dalšího potlačení lze dosáhnout širokou vlnou. Desky se dotýkají vlny v místě, kde má proud pájky opačný smysl než pohyb desky. Spolu s náklonem lze krápníky téměř vyloučit (obr. 7.162a). Povrchové napětí snižuje i čerpání oleje do vlny (obr. 7.162b). Potíže však způsobují zbytky oleje na deskách a jeho odstraňování. Podobně jako široká vlna působí i vlna reflexní, u níž proud pájky má také opačný smysl než pohyb desek plošných spojů obr. 7.163. Odstranění již vzniklých krápníků lze provést odtavením další, nižší vlnou. Obr. 7.163. Princip reflexní vlny

284


Obr. 7.164. Základní druhy pájecích vln. Oboustranné vlny : a) úzká, b) zdvojená, c) široká Reflexní vlny : d) delta, e) dutá, f) turbulentní Základní druhy pájecích vln jsou přehledně uvedeny na obr. 7.164. Jsou rozděleny na dvě skupiny: vlny oboustranné a vlny reflexní. Z první skupiny je třeba upozornit na zdvojenou vlnu odstraňující již vzniklé krápníky. Z reflexních vln má zajímavé vlastnosti vlna dutá, jejíž rychlost je ve srovnání s ostatními velmi vysoká. Dosahuje hodnot až 1 m/s. Tato vlna se snadno přizpůsobuje povrchu prohnutých desek. Tato vada bývá obvyklá u desek PS velkých rozměrů. Kromě toho, dutá vlna při svém styku s deskou a součástkami vytváří ve stykové oblasti zónu sání, takže desku i součástky stahuje směrem dolů. Mechanické přidržování součástek při pájení je tak možno omezit nebo zcela odstranit. Poznámka: Je zapotřebí, aby se při pájení vlnou desky pohybovaly ve směru převládajících spojů (ne "napříč"), zmenší se tím vznik zkratovacích "můstků" (bridging). Desky je vhodné již navrhovat z tohoto pohledu. Je to důležité u desek s digitálními obvody. U desek s analogovými obvody nelze dodržet "rovnoběžnost" spojů, jsou zde však naštěstí větší vzdálenosti mezi spoji.

Čistící procesy po pájení Vzhledem k nutnosti použití agresivnějších (ostřejších) tavidel, přistupuje k pájecímu procesu další operace - odstranění zbytků tavidel po pájení. S ohledem na omezený rozsah skript není možné uvádět podrobnější rozbor. Obecnou zásadou při výběru vhodného čistícího media je charakter použitého tavidla. Platí pravidlo, že látky polární se rozpouštějí v polárních rozpouštědlech, nepolární v nepolárních. Dále je nutné respektovat : - technologickou použitelnost čistícího prostředku - toxicitu, případně nutnost likvidace odpadu ve speciálních neutralizačních stanicích - ekonomickou dostupnost - další nařízení pro ochranu životního prostředí V praxi se mytí provádí většinou ve speciálních zařízeních, jako jsou ultrazvukové pračky, karuselová mycí zařízení apod. Nejúčinnější a hlavně nejefektivnější je ostřikový oplach,


285

který se ovšem zatím z důvodů potřeby speciálního zařízení (a především investičně náročného) zatím příliš nerozšířil. Pro zabezpečení dokonalého odstranění všech zbytků tavidel nesmí být na zapájené desce místa těžce přístupná čistícímu mediu. Dále musí být odzkoušena inertnost prostředku vůči použitým součástkám. K čištění se prakticky používají : a) freony (fluorované uhlovodíky) jako azeotropické směsi s alkoholy a b) voda. Freonová media jsou velmi účinnými prostředky při použití pryskyřičných tavidel včetně aktivovaných, ale jejich použití je vázáno na přísné předpisy pro ochranu životního prostředí (v mnoha zemích je použití dokonce zakázáno); musí být použity pouze ve speciálních ultrazvukových pračkách s vymrazováním par. V celém světě vývoj tavidel směřuje k tavidlům vodným, tzn. rozpustným a umyvatelným ve vodě. Pro dosažení co nejlepších výsledků se uplatňuje právě tady mytí v kaskádových pračkách, kde poslední lázní je destilovaná voda. Součástí moderních zařízení je i vzduchový nůž (air knife), který odstraní po posledním oplachu kapalinu z desky plošného spoje včetně v ní rozpuštěných nečistot proudem horkého vzduchu. Míra úspěšnosti mycího procesu se hodnotí podle množství zbytků tavidel a vše se přepočítává na ekvivalent - µg NaCl/cm2 plochy desky. Dále se dá měřit vodivost výluhu. Na příklad deska pro počítač měla 9,8 µg NaCl/cm2, mezi vývody IO byl nános způsobený migrací iontů. Mytím se snížila kontaminace na 3,6 µg NaCl/cm2 a zvlášť pečlivým mytím na 0,8 µg NaCl/cm2. Čistící proces je nezbytnou součástí techniky pájení. Objevují se proto snahy o zavedení nové generace tavidel. Vynechání odstraňování zbytků tavidel je možné připustit jedině pro nenáročná použití, např. ve spotřební elektrotechnice. Pokud by na desce zůstaly zbytky po pájení, může dojít ke korozi a potom k destrukci vývodů součástek. Korozní zplodiny mohou způsobovat migraci iontů po izolanti plošného spoje a tím dochází k těžko definovatelným poruchám zařízení (např. při změnách atmosferických podmínek, především při velké vlhkosti).

Hodnocení pájecího procesu Jako u všech výrobních procesů, je kontrola na základě určitých kvalitativních kritérií nezbytností. U procesu pájení, a především u hromadného pájení, dosud není vypracována jednotná metodika.

Obr. 7.165 Správně zapojené vývody součástek

286


Pro hodnocení pájitelnosti platí norma ČSN 34 5770 - "Zkouška pájitelnosti a odolnosti při pájení". Podle ní se hodnotí vývody elektrických a elektronických prvků. Pájitelnost desek PS je uváděna v technických podmínkách výrobců PS. Hodnocení zapájeného spoje je velmi rozdílné. Platí však, že pájka musí být navzlínaná do otvoru, kde musí ztuhnout tak, aby nezůstaly žádné vzduchové mezery (bubliny). Důležitým hodnotícím kritériem je velikost a tvar pájecího kužele, kvalita povrchu pájky, který musí být bez vměstků, kráterů a bublin. Příklad správného zapájení je uveden na obr. 7.165, možné vady jsou na obr. 7.166. Množství povolených vad se liší u jednotlivých výrobců. Lze říci, že není vhodné trvat na "opravách" zdánlivých vad po hromadném pájení ručním přepajováním, protože tímto se zvyšuje výskyt tzv. studených spojů. Dojde totiž k odsmáčení pájky z přívodu součástky vlivem úplného rozpuštění galvanického povlaku a tím k obnažení nepájitelného základního kovu, většinou kovaru.

Obr. 7.166 Špatně zapájené vývody součástek

Nanášení laků a kaučuků Povlaky se nanášejí jako ochrana proti vlhku. Na desku se nalévají. Lakování se děje běžnými lakařskými postupy, požaduje se obvykle minimální i maximální přípustná tloušťka pokrytí. Tlustá vrstva laku způsobuje na členitých površích značná mechanická napětí a mohlo by docházet k destrukci drobnějších součástek. Obvykle se předepisované tloušťky pohybují v rozmezí 0,02 až 0,4 mm. Při konstrukci desek PS a jejich osazování se musí vytvořit pod všemi součástkami dostatečně veliké mezery, aby byl vytvořen povlak i pod nimi a mezi přívody.


8.9

287

Technologie povrchové montáže

Technologie povrchové montáže se v současné době stává ve světě převládající výrobní technologií. Změny ve výrobě, vyvolané touto novou montážní technologií, jsou velice rozsáhlé a v mnohém převratné. Principiálně tato technologie není zcela nová. Je již po léta běžně užívána při výrobě hybridních integrovaných obvodů. Z historie je zajímavé, že firma Philips dělala první pokusy s povrchovou montáží koncem šedesátých let. Pod pojmem povrchové (plošné, planární) montáže součástek rozumíme montáž součástek bez drátových vývodů (čipů) nebo s vývody upravenými do roviny, přímo na tu stranu desky, na které jsou plošné spoje. Součástky se osazují na jejich povrch, takže nevyžadují vrtání, případně pokovené otvory. Obrazce plošného spoje musí však mít pájecí plošky, které jsou v souladu s tvarem kontaktů součástek. I mimo angloamerickou jazykovou oblast se pro technologii povrchové montáže používá zkratka SMT (Surface Mount Technology), a potřebným součástkám se obecně začalo říkat čipy nebo součástky pro povrchovou montáž (Surface Mounted Devices, zkratka SMD). Povrchová montáž součástek má před klasickými technologiemi, které nahrazuje, několik předností. Jsou to: - podstatná redukce potřebné plochy desky plošných spojů; zmenšení potřebné plochy je od 40% do 70% (průměrně o 50%), cena klesla až o 50 % - větší hustota osazené desky, - podstatné snížení nákladů na osazení desky, - možnost zcela automatizovaného osazení součástek na desku plošného spoje, - větší odolnost proti nárazům a vibracím (důsledek menší hmotnosti součástek a pevnější přichycení), - větší spolehlivost osazených desek se součástkami SMD v důsledku menšího počtu pájených spojů, - výhodnější vysokofrekvenční vlastnosti (odstranění parazitních kapacit a indukčnosti přívodů), - unifikace typů jednotlivých desek, - zvýšení uživatelských hodnot a kvality, - menší spotřeba materiálů a proto možnost nižší ceny, - menší prostor potřebný pro výrobu plošných spojů, - menší hmotnost a menší rozměry hotových výrobků, - levnější desky plošných spojů; není zapotřebí vrtání a pokovování otvorů (při aplikaci pasívních součástek a obvodů malé integrace). Necelá polovina desek plošných spojů je v současné době osazována čistou povrchovou montáží, zbytek je osazován tzv. smíšenou povrchovou montáží. Ceny součástek pro SMT na světovém trhu již dosáhly stejné hladiny jako u konvenčních součástek s drátovými vývody. Některé typy součástek se již dokonce přestaly vyrábět v provedení s drátovými vývody a další výroba je zabezpečována pouze jako bezvývodové součástky pro SMT montáž. Vzhledem k pokračující miniaturizaci je nutné přecházet k menším rastrům zapojení, a tím i ke zvětšení hustoty osazených součástek na desce plošných spojů. Výhodou povrchové montáže součástek je i to, že mohou být osazovány na obou stranách desky.

288


Obrázek 9.167: Dvě provedení téhož obvodu – klasická a povrchová montáž Součástky pro povrchovou montáž. Klíčovou podmínkou povrchové montáže je dostatek povrchově montovatelných aktivních a pasivních součástek. Čipy pasívních součástek jsou dostatečně známy, vznikly pro potřebu hybridních obvodů. Teprve v posledních letech vznikly základní polovodičové součástky vhodné pro povrchovou montáž: integrované obvody, tranzistory a ostatní polovodiče v mikropouzdrech. V současné době je na světovém trhu takový sortiment součástek, že je možno v přístrojích spotřební elektroniky až 80% součástek možno povrchově montovat. Základním požadavkem na SPM je kromě ostatních normálních vlastností odolnost vůči tavidlům a teplotě 260°C po dobu 10 s. Tento požadavek je bezpodmínečně nutný kvůli pájení, kdy součástka je namáhána pájecí teplotou.


289

Obrázek 9.168: Tvary součástek pro povrchovou montáž Dá se říci, že dominantním polovodičovým prvkem pro povrchovou montáž jsou integrované obvody. Vyrábějí se ve třech provedeních: integrované obvody s malými rozměry (SO nebo SOIC, Small Outline Integrated Circuit), nosiče čipu na plastovém (příp. i keramickém) nosiči (PLCC, Plastic Leaded Chip Carrier, LCCC, Leadless Ceramic Chip Carriers), a zatím s méně používaným pouzdřením typu flat nebo quad pack. Tranzistory pro povrchovou montáž se vyrábějí ve třech modifikacích v plastickém pouzdru s malými rozměry: SOT-23, SOT-89 a SOT-143. V tomto pouzdru je možné zhotovovat tranzistory, diody a FET. SOT-143 je čtyřvývodová verze SOT-23 se stejnými

290


Obrázek 9.169: Porovnání způsobů osazování pouzder integrovaných obvodů rozměry a teplotními charakteristikami. SOT-89 je poněkud větší provedení se ztrátovým výkonem do 1 W. Diody a Zenerovy diody mohou být pouzdřeny v provedení Melf (metal-electrode face bonding) a Mini Melf s malým válcovým tvarem o ztrátovém výkonu až do 0,5 až 1 W. Po polovodičích jsou u povrchové montáže nejvíce zastoupeny čipové odpory a kondenzátory. Rozmezí dodávaných odporů je od 10 W do 2,2 MW. Čipové kondenzátory se dělí do tří kategorií: keramické vícevrstvé (asi 80%) o kapacitě 1 pF až 1 µF, tantalové o kapacitě 0,1 až 100 µF a elektrolytické hliníkové o kapacitě od 1,5 až 47 µF. Dostupné jsou i další typy součástek, jako např. toroidní transformátory, relé, křemenné krystaly apod. Vývoj v této technologické oblasti neustále rychle pokračuje. Důležitou roli zejména pro další zpracování součástek pro povrchovou montáž hraje balení. Pro automatické osazování se součástky balí do různých zásobníků (tyčových, souřadnicových atd.) nebo do pásu a i sypané. V poslední době začali výrobci balit součástky do prohlubně vytlačené do pásu z plastu zakryté páskou (jako některé druhy léků - tzv. Blister-Pack). Tomuto druhu balení se předpovídá v budoucnu masové použití. Pásy jsou široké 8, 12, 16, 24 nebo 32 mm a jsou na jednom okraji perforované. Technologie povrchové montáže je označována zkratkou SMA (Surface Mount Assembly). Zjednodušeně můžeme mluvit o třech fázích technologie povrchové montáže: - osazování desek součástkami - pájení součástek na desky - kontrola


291

292


Osazování desek součástkami se provádí vysokoproduktivními automaty nebo poloautomaty po jedné nebo obou stranách (oboustranná montáž). Aby součástky na povrchu držely až do zapájení, fixují se speciálním tmelem nebo lepící pájecí pastou. Pájecí pastu možno nanášet sítotiskem, lepicí tmel po kapkách dávkovacím zařízením. Obrázek 9.171: Metoda pájení dvojí vlnou Pájení probíhá tak, že se pocínované konce součástek zapájí s předcínovanými pájecími ploškami na obrazci plošného spoje. Pájecí plošky se předcínovávají již zmíněnou pájecí lepivou pastou. Pro samotné spájení osazených součástek je možno použít metodu přetavení (ohřev infra nebo v parách) nebo pájení speciální vlnou, což je nejčastěji používaná metoda. Pájecí vlna může být jednoduchá s turbulentním účinkem, dvojitá, popř. i trojitá. Kromě této tzv. čisté povrchové montáže, existuje ještě smíšená montáž. V případě, kdy nejsou k Obrázek 9.172: Metoda pájení v parách dispozici všechny součástky v provedení pro povrchovou montáž, je možno přechodně použít kombinovaného způsobu osazování součástek, kdy se součástky s drátovými vývody nebo kolíky osazují na stranu součástek desky plošného spoje a součástky pro Obrázek 9.173: Náčrtek desky plošných povrchovou montáž ze strany měděné spojů s přilepenými SMD: L-lepidlo, fólie. Oboje součástky se pájí najednou M-kontakt, P-pájecí ploška vodivé dráhy v pájecím zařízení s vlnou. Kontrola zapájené desky se v podstatě neliší od kontroly běžné desky plošného spoje osazené součástkami s drátovými nebo kolíkovými vývody. Vyžaduje však důkladnější vizuální kontrolu vzhledem k menším rozměrům obvodu. U povrchové montáže součástek se pro výrobu desek plošných spojů nevyžadují speciální materiály. Je tedy možné používat desky běžného provedení, jako např. FR4 (pro jednostranné desky i FR3) a pro vysokofrekvenční aplikace pak speciální materiály.


Obrázek 9.174:Pájecí plošky pro různé typy bezvývodových součástek

Obrázek 9.175: Různé typy vývodů pouzder integrovaných obvodů

Obrázek 9.176: Dvě používaná pouzdra typu flat-pack

293

294


Materiál desky plošných spojů pro povrchovou montáž by měl mít součinitel délkové roztažnosti přibližně stejný jako materiál použitých součástek. Jinak by v důsledku rozdílných tepelných dilatací desky plošných spojů a součástek mohlo vzniknout nadměrné mechanické namáhání pájeného spoje. Velikost mechanického napětí je přitom dána rozdílem součinitelů délkové roztažnosti. Bezpečné osazování součástek nezávisí tedy jen na jejich velikosti, ale např. i na teplotách při provozu finálního zařízení, tj. zejména na mezních teplotách při provozu a na změnách teploty okolí. Odolnost zapájeného spoje proti prasknutí závisí také na jeho tvaru. V některých případech je tedy nutné použít speciálně upravené desky plošných spojů. Při běžné aplikaci povrchové montáže na skloepoxidové desce plošných spojů (FR4) mohou být podle zkušeností bez nebezpečí následujícího popraskání zapájených spojů osazovány miniaturná pasívní součástky (rezistory, keramické kondenzátory) až do velikosti 10 mm, integrované obvody v provedení SO, plastové nosiče čipu, obvody flat pack, quad pack, TAB (Mikropack) atd. Nedoporučuje se osazovat keramické nosiče čipu, jejichž součinitel délkové roztažnosti neodpovídá roztažnosti desky. Tloušťky desek plošných spojů se neliší od běžných provedení. V současné době jsou u evropských výrobců k dispozici desky o tloušťkách 0,8 až 3,2 mm, přednostní rozměr je 1,6 mm. Měděná fólie se vyrábí v tloušťkách 35 um, 70 um a 105 um, popř. i více. Materiál FR4 je dodáván s měděnou tólií o tloušťce 18 um, 9 um i 5um. Tyto nejtenčí fólie se používají pro nejjemnější spoje, což je právě případ některých speciálních aplikací povrchové montáže. Zhodnocení technologie povrchové montáže. Používání čipových součástek, vzhledem k jejich miniaturní velikosti, přináší úsporu místa, zvyšuje hustotu montáže tak, že je již ekvivalentní hybridním integrovaným obvodům. Ze součástek, které jsou zdrojem tepla, se zlepšuje jeho odvod. Úspory desek plošných spojů dosahují 30 až 50 % plochy, zmenšuje se spotřeba vícevrstvých desek a tím, že součástky nejsou opatřeny drátovými vývody, vzniká úspora Cu (210 kg na 1 milión kusů součástek). Samotná součástka PM je přechodně dražší než konvenční vývodová. Její ekonomie se projeví v souvislosti s automatickým osazováním. Kromě již zmíněných úspor odpadá nebo se snižuje potřeba vrtání otvorů. Náklady na osazování 1 součástky klesnou na 1/3 až 1/10 oproti ručnímu osazování s prosvětlováním. Zároveň se zvyšuje spolehlivost osazení. Chyba osazení se zmenší z dosavadní hodnoty 200.10-6 až 500.10-6 na 50.10-6 (tj. 50 ppm). Automatické osazovací linky pro SPM jsou mnohem menší než linky pro součástky s vývody a uspoří 50 % zástavbové plochy. Elektronické obvody zhotovené technologií povrchové montáže mají lepší vlastnosti, zejména rychlé logické obvody. Krátké nebo žádné vývody nevytváří totiž tolik parazitních kapacit a indukčností. Nevýhodý technologie povrchové montáže spočívají v tom, že součástky jsou poněkud dražší (1,5 až 2x), je větší spotřeba cínu na jeden spoj, jsou větší nároky na obrazce plošného soje (požadují se tenčí dráhy), je nutné navíc používat speciálního lepícího epoxidového tmelu s rychlou vytvrzovací dobou nebo speciální pájecí viskózní lepící pastu (v případě pájení přetavením). Vzhledem k velké hustotě součástek na desce je nutné použít speciálně upravených pájecích zařízení s dvojí vlnou a používat neagresívních tavidel, které nenarušují povrchovou ochranu SPM. Počáteční investice na zavedení povrchové montáže je poměrně velká, neboť je nutno zakoupit nové osazovací a pájecí zařízení.


295

Zvláštnosti návrhu DPS pro techniku povrchové montáže

Při návrhu kresby DPS pro povrchovou montáž je třeba dodržovat určité zásady, které přináší tato technologie. Jde především o miniaturizaci a o to, že se používají desky plošných spojů bez otvorů (kromě smíšené montáže). Je třeba si uvědomit, že použité součástky mají podstatně menší rozměry než klasické, proto jsou větší nároky na kvalitu a přesnost kresby. Kresba plošného spoje je umístěna téměř výhradně v rastru 1,27 mm, spoje se navrhují pokud to jde jako jednostranné bez prokovených otvorů. S ohledem na technologie pájení se téměř vždy používá nepájivá maska. Před započetím návrhu desky je třeba mít bezpečně ujasněno, které typy pouzder a součástí použijeme, nejlépe je mít předem připraveny. Dodatečná záměna typů pouzder je vzhledem k nemožnosti tvarovat vhodně přívody vyloučena. Pro ruční kreslení předlohy a matrice je možno používat stejné postupy jako při návrhu klasickém. Předloha se kreslí téměř vždy ve zvětšeném měřítku. Jelikož jsou součástky umístěny na desce ze strany spojů, předloha se kreslí výhradně ze strany spojů. Výhodnější je navrhovat kresbu spoje pro SMT počítačem pomocí návrhového systému. Většina novějších versí je již vybavena autorouterem, který umožňuje návrh pro SMT a knihovny obsahují většinu pouzder. Návrh kresby je ovlivněn následujícími faktory - technologií osazování - technologií pájení - požadavky na testování a oživování desek Speciálním případem jsou vysokofrekvenční zapojení při kterých vedení spojů a jejich vzdálenosti mají důležitý význam (přenosové vedení), a při návrhu spojů je na to nutné brát zřetel. Ovlivnění návrhu technologií osazování Při ručním osazování součástek nemusíme dbát na žádné odlišnosti, jiná je situace při osazování automatem. V tomto případě je třeba, aby součástky byly rozmístěny s ohledem na možnost přístupu osazovací hlavice a je třeba dbát na to, aby stroj vykonával co nejméně pohybů, což má vliv na rychlost osazování a na životnost automatu. V případě osazování dvoustranných desek by měla být snaha umístit součástky, které automat "nezvládne", všechny na jednu stranu. Vzhledem k tomu, že technika SMT je určena pro osazování automaty je vhodné s uvedenými pravidly počítat při každém návrhu. Ovlivnění návrhu technologií pájení Z hlediska technologie pájení musíme vzít v úvahu - typ osazované součástky; použitý typ součástky má vliv na postup pájení, a tím také na tvar pájecích plošek. Některé součástky SMD (flat pack, nosiče čipu, PGA atd.) vyžadují pájení přetavením, smíšená montáž naopak zase běžné pájení, - tolerance desky plošných spojů a součástek ovlivňují potřebné velikosti pájecích plošek, - při pájení ponorem (vlnou) nebo ručně je cín na příslušná pájecí místa (pájecí plošky) nanesen až při vlastním procesu pájení. Přitom je nutné zajistit, aby mezi sousedními součástkami byl dostatek prostoru. Také vzdálenost mezi sousedními vodiči a

296

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně součástkami nesmí být menší než minimální přípustné hodnoty, aby se zabránilo vzniku můstků nebo zkratů. Ze stejných důvodů nemohou být také součástky pro povrchovou montáž s malými roztečemi vývodů pájeny vlnou nebo ručně,

Podle způsobu pájení se podstatně navzájem odlišují i tvary pájecích plošek. Na obr. 7.177 je uveden rozdíl umístění pájecích ploch pro pájení Obr. 7.177 Umístění pájecí plošky pro pájení vlnou a pájení přetavením vlnou a pájení přetavením (reflow). Při reflow procesu, je vhodné, aby pájecí plocha byla umístěna více pod přívod, na rozdíl od pájení vlnou, kdy proces probíhá "zvenku" a pájecí plocha by měla být větší a přesahovat více přes součástku. Pro lepší ilustraci jsou na obr. 7.178 (vlevo) typické pájecí plošky pro kondenzátor (a) rezistor (b) a tranzistor (c) určené pro ruční pájení, kdežto na obr. 7.178 (vpravo) jsou pájecí plošky určené pro pájení přetavením. Pro pájení vlnou nebo ruční jsou plošky užší a delší, aby umožnily vznik meniskusu pájky, kdežto pro pájení přetavením jsou pájecí plošky širší a kratší. Plošky pro ruční pájení (a vlnou) jsou v tomto případě určené i pro ruční osazování součástek. Podobně na obr. 7.179, 7.180 a 7.181. Při pájení vlnou musí být součásti před pájením přilepeny. Je nutno respektovat pravidla návrhu pro použití lepidla. V případě, že nejsou Obrázek 9.178: Kresba plošek pro pouzdra SOT-23, SOT-143, SOT-89, SOD-80 mezi ploškami pro součástku taženy spoje je vhodné zde umistit slepou plošku (obr. 7.182). To umožní použití menšího množství lepidla. Větší množství lepidla může způsobit znečistění pájecích plošek, což je nežádoucí.


297

298


Obr. 7.182 Umístění slepé plošky pod součástku Při pájení přetavením mají součástky v okamžiku, kdy se pájka taví, tendenci se pohybovat v důsledku toho, že soustava zaujímá termodynamicky stav s nejmenší povrchovou energií. Pokud jsou pájecí plošky stejně velké a jejich plocha a plocha přívodů dobře pájitelná, součástka se sama vyrovná, v opačném případě může Obr. 7.183 Umístění testovacích plošek dojít k nežádoucímu posunu, případně i k postavení součásti na hranu, tzv. "tombstoning" efekt (anglicky tombstone = náhrobní kámen). Obecně lze říci, že přívod k plošce součástky by měl být realizován vodičem podstatně menší šířky, než je šířka pájecí plocha pro součástku tak, jak je uvedeno dále. Při aplikaci pasívních součástek SMD, tranzistorů v pouzdru SOT (small outline transistor - tranzistor malých rozměrů) a integrovaných obvodů v pouzdru SO je možné využít návrh v modulu 1,27 mm (1,25 mm). V případě použití aktivních součástek větší integrace, jako jsou nosiče čipu (obvody flat pack a obvody quad pack) je možné přejít ještě na menší moduly (0,635 mm, 0,625 mm, 0,406 mm a 0,254 mm). Typická šířka spojů je dnes 0,25 mm a předpokládá se snížení šířky vodiče na 0,16 mm a mezery na 0,20 mm. Návrh plošného spoje s ohledem na testování Připojení testovacích hrotů vyžaduje téměř vždy umístění měřicích plošek, protože plocha pájecích plošek je malá (zvláště pouzdra PLCC) s roztečí 1.27 mm a menší. Zásady pro umístění měřicích plošek jsou uvedeny na obr. 7.183. Měly by být umístěny vždy z jedné strany desky v rastru 2.54 mm.

Rozmístění součástek na desce Při pájení přetavením nezáleží na orientaci součástek, omezení jsou pouze ve vzdálenosti mezi ploškami a součástkami. Pro pouzdra SOIC může být minimální vzdálenost ploch mezi řadami 0.3mm, u pouzder s přívody tvaru "J" (pouzdra PLCC) se tato vzdálenost doporučuje několik mm z důvodů kontroly pájení a oprav. V případě, že budeme umísťovat na desku


299

měřicí a testovací body, je třeba vzdálenost zvětšit, anebo testovací body umístit na druhé straně desky (pokud je oboustranná). Při pájení vlnou musí být vzdálenosti mezi součástkami větší, doporučené vzdálenosti jsou uvedeny na obr. 7.184.

Obr. 7.184 Doporučené vzdálenosti mezi součástkami při pájení vlnou

Obr. 7.185 Umístění vodičů mezi ploškami (pouzdra SO-14 a SOD8O).

Při rozmísťování součástek je vhodné dodržovat, pokud to je možné, stejnou orientaci pouzder IO, tranzistorů, diod aj. Při ručním osazování se snižuje pravděpodobnost chyb a při použití automatu se zvyšuje rychlost osazování. Zásady umísťování vodičů Plošný spoj pro SMT se převážně navrhuje v rastru 1,27 mm. Vodiče tedy umísťujeme v rastru 1,27 mm, pro jednodušší aplikace pak v rastru 2.54mm, stejně jako u klasických DPS. Umístění vodičů pod pouzdry SO-14, SOD80 a mezi ploškami s mezerou 0,635 mm v kombinaci s pájecími plochami ukazuje obr. 7.185.

Návrh ploch pro součásti Plošky musí být navrženy dostatečně velké s ohledem na nepřesnosti při osazování součástí a nanášení pájecí pasty sítotiskem, na druhé straně nesmí docházet k tvoření můstků.

300


Správný návrh ovlivňuje podstatnou měrou tepelné a mechanické vlastnosti desky a její spolehlivost. Šířka pájecích plošek se obvykle navrhuje stejná, jako jsou přívody součástek. U součástek, které mají přívody velmi úzké je možno šířku zvětšit, např. u SOT23. Doporučené rozměry jsou pro pájení vlnou i přetavením uváděny v katalozích. Obecně lze konstatovat, že pro pájení vlnou je plošky třeba navrhovat větší s dostatečným přesahem. Jako příklad jsou uvedeny typické rozměry pájecích plošek pro tranzistorová pouzdra (obr. 7.178) a pasivní čipové součástky (obr. 7.186 a tab.7.8.1). Z důvodů již dříve uvedených jsou plošky pro pájení přetavením menší a jsou umístěny více pod přívody součástek. Pro čipové pasivní součástky se navrhuje šířka plošek pro pájení vlnou i přetavením stejná, větší o 0,2 mm, než šířka součástky.

Obr. 7.186 Kresba plošek pro pasivní součástky Tab. 7.10 Rozměry plošek pro pasivní součástky (čipové odpory a kondenzátory) [mm]

typ 0805 1206 1210 1808 1812 2220

a 1,45 1,7 2,75 2,25 3,25 5,3

Pájení vlnou b 1,2 1,4 1,4 1,5 1,5 1,6

B 3,65 4,85 4,85 6,45 6,45 7,6

a 1,45 1,7 2,75 2,25 2,25 5,3

Pájení přetavením b B 0,8 2,65 1,0 3,65 1,0 3,65 1,1 5,2 1,1 5,2 1,2 6,2

Ostatní doporučení Vzhledem k malým rozměrům pouzder, mají spoje minimální šířku 200 µm. Spoj se navrhuje většinou jako jednostranný, pokud možno bez prokovených otvorů. Pokud je to nezbytně nutné, používají se otvory nejmenšího průměru 0,3mm. Při vedení spojů je nutné brát v úvahu ještě některé další okolnosti, které vyplývají z technologického procesu osazování součástek SMD. Při propojování plošek umístěných blízko sebe musí být propojka provedena tenkým vodičem. Při nesprávném propojení (obr. 7.187) dochází k nahromadění pájky na velké ploše a při ohybu desky může dojít k prasknutí spoje. V případě pájení přetavením může pájka, která se roztéká po ploše, způsobit posuv součástky. Při použití nepájivé masky tento jev nenastává, avšak v každém případě se doporučuje respektovat toto pravidlo.


301

Obdobně je nutno řešit připojení pájecího bodu (např. pro vodič, pájecí špičku) k pájecí plošce (obr. 7.188). Toto řešení navíc kromě důvodů uvedených v předchozím, brání nadměrnému ohřevu součástky při pájení přívodu. V případě, že se nepoužije nepájivá maska, doporučuje se použít šířku vodiče 0,25 mmm a délku nejméně 0,5mm. Návrh nepájivé masky Nepájivá maska je nepájivá vrstva nanesená na povrch plošného spoje a má za úkol zajistit ochranu části plošek a vodičů proti pokrytí pájkou. Je nezbytná při pájení vlnou. Na obr. 7.189 je zakreslen tvar nepájivé masky kolem pájecích plošek. V případě, že je mezi ploškami umístěn vodič, je třeba nánést nepájivou masku i mezi plošky, v ostatních případech to není bezpodmínečně nutné. Při navrhu DPS nízké a střední hustoty je možno nepájivou masku nanášet sítotiskem, při vysoké hustotě čar a plošek je třeba bez nebezpečí znečistění plošek použít masky fotolitografické. V současné době existuje mnoho různých doporučení pro návrh umístění spojů a pájecích plošek, které se v některých případech dosti podstatně odlišují. Postupně se však formulují potřebné šířeji platné zásady. Především je nutné zaměřit se v první řadě na způsob pájení součástek, a tomu pájecí plošky přizpůsobit. Kromě toho musí být pamatováno i na plošky

Obr. 7.188 Připojení pájecího bodu

Obr. 7.187 Spojování pájecích plošek

pro hrotové testování a příp. i na vyvrtání otvorů pro smíšenou montáž. Dodržené musí být i minimální vzdálenosti mezi sousedními součástkami a vedenými spoji, které nesmějí překročit minimální hodnoty, jinak se mohou z pájky vytvářet propojovací můstky.

Obr. 7.189 Tvar nepájivé masky

302


8.10 Stínění Stínění je účinným prostředkem na potlačení parazitních vazeb. Nejedná se o jeden typ fyzikálního působení, naopak uplatňuje se tu více fyzikálních mechanismů. Podle druhu rušivého pole a stínicího materiálu rozlišujeme : - magnetostatické stínění - elektromagnetické stínění - elektrické (elektrostatické) stínění Stínění můžeme definovat jako lokalizaci elektromagnetického pole v ohraničeném prostoru nebo (vlastně současně) zábrana šíření elektromagnetické energie jakoukoliv formou mimo uvažovaný ohraničený prostor. Intenzita blízkého elektrického a magnetického pole ve volném prostoru je nepřímo úměrná druhé mocnině geometrické vzdálenosti od vyzařujícího prvku. Intenzita elektromagnetického pole záření je nepřímo úměrná první mocnině geometrické vzdálenosti. Proto se zvětšováním vzdálenosti vymizejí (relativně vzato - při srovnatelném výkonu) vazby blízkým elektrickým a magnetickým polem. Poznámka: Podle obecně užívané terminologie jsou stíněním členy mechanické, nikoliv tedy obvody přístroje. Filtry a oddělovací obvody se považují za členy účinkující odděleně od stínění. Není tomu tak. Oddělení mechanické a elektrické konstrukce přístroje může vést k problematickým výsledkům. Je třeba zdůraznit nedílnou spoluúčast stínění a filtrů na potlačení parazitních vazeb (přenosů). Z důvodu pedagogických je však potřeba jednotlivé oblasti probírat postupně. Poznámka: Stínění je účinné pouze na parazitní kapacitní nebo indukční vazbu. Vazbě odporové se nebráníme stíněním, ale správným vedením vodičů, viz. dříve. Každý individuální případ musí být analyzován pečlivě a samostatně. V první řadě je nutno najít zdroje a příjímače rušení a možný způsob parazitní vazby. Analýza musí vycházet z jasných fyzikálních představ podpořených alespoň zjednodušenými výpočty. Nedokonalé a nesprávně provedené stínění, založené na nesprávném pochopení problému, může situaci zhoršit a vyvolat nové problémy. a)

Magnetostatické stínění využívá velké magnetické vodivosti (reluktance) feromagnetických materiálů (železo a jeho slitiny). Kryt s vysokou permeabilitou vytváří dobře vodivou cestu pro magnetické pole, které se koncentruje v tomto materiálu a nevniká do stíněného prostoru (vlastně "dutiny ve feromagnetickém tělese"). Toto stínění je účinné na snížení rušivých vlivů stejnosměrných magnetických polí a také střídavých magnetických polí nízkých kmitočtů. Se zvyšujícím se kmitočtem zaniká účinnost magnetostatického stínění a projevuje se pouze účinek stínění elektrostatického (popřípadě také elektrického). Stejnosměrná magnetická pole jsou způsobena např. trvalými magnety reproduktorů a měřícich přístrojů, budicími cívkami relé, vodičů, elektromagnetických spínačů, zemským magnetismem apod. Jejich účinek se projevuje rušivě hlavně na výchylku citlivých měřicích přístrojů nebo na výchylku elektronového paprsku obrazovky apod. Hlavními zdroji střídavých magnetických polí jsou síťové transformátory a tlumivky, oscilátorové cívky, výstupní transformátory, motory apod. Jsou-li v blízkosti těchto


303

střídavých polí umístěny vstupní transformátory, indukční cívky vinuté rezistory, magnetofonové hlavičky, kabelážní smyčky apod., mohou se v nich indukovat rušivá napětí projevující se bručením (brumem) nebo nežádoucími vazbami a kmitáním. b) Elektromagnetické stínění využívá zeslabení rušivého pole vlivem vířivých proudů (které vznikají ve stínění a vytvářejí pole opačného směru - to působí proti rušivému poli a zeslabuje jej). Toto stínění je účinné jen pro střídavá magnetická pole středních a vyšších kmitočtů. Jako stínicí materiál se hodí každá elektricky dobře vodivá látka. V praxi se užívají kryty z diamagnetických materiálů, a to z hliníku a z mědi. Z důvodu průtoku vířivých proudů se doporučuje stínicí kryt uzemnit.

Obr. 7.190. Princip stínění magnetického pole : a) homogenní magnetické pole, b) magnetické pole vzniklé vířivými proudy, c) stínění magnetického pole na principu "vytlačování" magnetického pole, d) stínění magnetickým materiálem na principu "vstřebávání" magnetického pole c) Elektrické (elektrostatické) stínění se užívá k omezení kapacitní vazby. Může se použít libovolný kovový materiál, protože nerozhoduje magnetická ani elektrická vodivost, ani síla stěn krytu. V praxi se používá hliník a měď. Na povrchu elektrostatického stínění naindukovaný náboj je potřeba neutralizovat (zrušit). Proto pro správnou funkci elektrostatického stínění je nezbytné důkladně uzemnit stínicí kryt (obal), obvykle spojením se společnou vodivou kostrou zařízení. Ke stínění můžeme mít dva základní přístupy: a) Stíníme zdroj rušení. Snažíme se omezit a uzavřít prostor, ve kterém rušení působí a nedovolit jeho šíření mimo uzavřenou oblast. Napájecí a signální vodiče vedeme přes odrušovací filtry, které mají zamezit průniku nežádoucího signálu ze stíněné oblasti. Takto stíníme a odrušujeme různé motory, tyristorové usměrňovače, regulátory apod. b) Stíněním chráníme citlivé, zejména vstupní části zařízení. stínění má zamezit, aby se na obvod nedostal jiný signál, než požadovaný. Účelem stínění je v každém případě odstranit z prostoru citlivého objektu rušivé pole, přičemž je lhostejné, stíníme-li zdroj rušení, nebo rušený prvek. Zpravidla postupujeme tak, že když máme v přístroji více citlivých objektů a pouze jeden zdroj rušení (např. síťový

304


transformátor, odstíníme vzhledem k hospodárnosti zdroj rušení. Chceme-li však současně odstranit vzájemné ovlivňování citlivých objektů (mf transformátory, vf cívky apod.), je vhodné odstínit každou součást samostatně a zdroj rušení nestínit. Jakost stínění posuzujeme podle velikosti koeficientu stínění, který udává poměr intenzity magnetického pole vně (Ho) a uvnitř (Hi) stínicího krytu: H S= o (1) Hi Pro praktické účely je vhodné definovat jakost stínění tzv. stínicím útlumem, který udává v decibelech přímo zeslabení rušivého magnetického pole: ⎛H ⎞ (2) b p = 20 ⋅ log(S ) = 20 ⋅ log⎜⎜ o ⎟⎟ ⎝ Hi ⎠ Při analýze stínicích účinků vodivých krytů vycházíme obvykle z klasických Maxwellových rovnic, které pro případ vodivého stínicího krytu značně menšího než délka vlny mají tvar rot H = σ ⋅ E rot E = − j ⋅ ω ⋅ µ ⋅ H

Pro řešení průběhu elektromagnetického pole uvnitř stěn krytu můžeme rovnice sloučit rot rot E = − j ⋅ ω ⋅ µ ⋅ σ ⋅ E a upravit známým způsobem do tvaru grad div E − ∇ 2 E = − j ⋅ ω ⋅ µ ⋅ σ ⋅ E

Poněvadž z prvé rovnice vyplývá, že div E = 0 , dostáváme jednoduchý vztah ∇ 2E = j ⋅ ω ⋅ µ ⋅ σ ⋅ E

Řešením této základní rovnice dostáváme vztahy určující součinitel stínění S, definovaný jako poměr intenzit elektromagnetického pole vně a uvnitř stínicího krytu (za předpokladu homogenního pole vně krytu), pro různé tvary krytů a mezní podmínky. Přesný výpočet stínění je složitý a matematicky řešitelný pouze pro tři základní geometrická uspořádání: dvě rovnoběžné nekonečné desky (obr. 7.192a), nekonečně dlouhý dutý válec (obr. 7.192b,c) a dutou kouli (obr. 7.192d).

Obr. 7.191. Základní typy stínění: a) dvě rovnoběžné nekonečné desky, b) nekonečný válec v podélném magnetickém poli, c) nekonečný válec v příčném magnetickém poli. d) dutá koule


305

Obr. 7.192. Náhrada technických tvarů stínění základními typy stínění Matematické řešení stínění základních geometrických útvarů ukazuje, že tvar stínění má na velikost stínicího účinku podřadný vliv a že rozhodujícími činiteli jsou permeabilita a vodivost stínicího materiálu a relativní velikost krytu. Tento poznatek umožňuje nahradit při výpočtu stínění v praxi běžné tvary stínicích krytů ekvivalentním stíněním některého ze základních typů podle obr. 7.191, přičemž se řídíme těmito směrnicemi: a) Úzké podélné stínicí kryty (obr. 7.191a), jejichž šířka D je zlomkem ostatních rozměrů, nahradíme ekvivalentní dvojicí rovnoběžných desek o vzdálenosti D. b) Podélné kruhové i hranolové kryty, jejichž poměr délky ke skutečnému nebo ekvivalentnímu poloměru je větší než 4 (obr. 7.191b,c) nahradíme nekonečným válcem. c) Všechny druhy stínicích krytů, jejichž rozměry jsou ve všech směrech přibližně stejné, nahradíme ekvivalentní koulí o přibližně stejném objemu (obr. 7.191d). V případě krychle má ekvivalentní koule poloměr R = 0,62a (a = hrana krychle), v případě hranolu R = 0,5 a ⋅ b ⋅ c (a, b, c = hrany hranolu ) .

8.10.1 Elektromagnetické stínění Elektromagnetické stínění využíváme k odstínění střídavých magnetických polí středních a vyšších kmitočtů. Toto stínění spočívá v tom, že rušivé střídavé magnetické pole indukuje ve stěnách stínicího krytu vířivé proudy (nazývané též Foucaltovy), které vyvolávají vlastní magnetické pole, jež působí proti původnímu rušivému poli a zeslabuje ho (vytlačuje ho, viz obr. 7.190 ). Toto zeslabení je tím dál větší, čím silnější vířivé proudy v materiálu vzniknou, tj. čím větší je frekvence rušivého pole, čím bude stínicí materiál

306


silnější a čím větší bude jeho elektrická vodivost. Pro elektromagnetické stínění možno použít každého elektricky dobře vodivého materiálu (tabulka 7.11). Je tedy použití feromagnetických materiálů při vyšších kmitočtech nevhodné vzhledem ke značným ztrátám ve stínění. Poznámka: Vířivé proudy jsou ve vodiči rozděleny nerovnoměrně následkem povrchového jevu (skinefektu, v překladu něco jako efekt kůže nebo slupky), který způsobuje že magnetické pole se úměrně hloubce vniku zeslabuje, neboť spodní vrstvy vodiče jsou stíněny vrchními vrstvami. Vlivem těchto vířivých proudů je magnetické pole vlastně vytlačováno z vnitřku materiálu k povrchu, takže jeho intenzita směrem od povrchu exponenciálně klesá (obr. 7.193). V libovolném bodě vodiče, ve vzdálenosti x od povrchu, klesne původní intenzita magnetického pole Ho na hodnotu: H x = H o ⋅ exp(− x / δ )

(3)

Veličina d, udávající "rychlost" ubývání intenzity magnetického pole, je funkcí frekvence a vlastností stínicího materiálu a je určena vztahem

δ ≅ 16 ⋅

ρ f ⋅µ

> mm 2 / m , kHz

(4)

kde r je specifický odpor materiálu, µ relativní permeabilita a f je frekvence. Je také nazývána ekvivalentní hloubka vniku. Fyzikálně udává vzdálenost od povrchu vodiče, ve které je intenzita vnějšího magnetického pole zeslabena na 37%. Dosadíme-li totiž do výrazu (3) x = d, zjistíme, že v hloubce d klesne hustota proudu, popřípadě intenzita pole e-krát, tj. na 0,37 (1/2,727..) hustoty na povrchu. Stejný průběh jako intenzita magnetického pole má i průběh proudové hustoty vířivých proudů. Z toho důvodu se často, v souhlase s teorií skinefektu, označuje d jako tloušťka ekvivalentní vodivé vrstvy (ekvivalentní hloubka vniku). V tomto případě značí d tloušťku vodiče, který by měl při konstantní proudové hustotě stejnou vodivost jako má vodič s proudovou hustotou podle obrázku 7.193. Pro daný materiál je hodnota d pouze funkcí frekvence.

Obr. 7.193. Definice hloubky vniku, neboli tloušťky ekvivalentní vodivé vrstvy.

Je zřejmé, že ekvivalentní hloubka vniku charakterizuje stínicí účinek vířivých proudů. Čím menší je ekvivalentní hloubka vniku d, tím větší proud teče ve vrchních vrstvách vodiče, a tím větší je také intenzita pole působícího proti původnímu poli zdroje rušení. Je-li stínění z feromagnetického materiálu, je jeho stínicí účinek větší (pokud příliš nevzroste měrný odpor), neboť vzrostou vířivé proudy. Stínicí účinek vytlačováním pole je pro libovolný materiál dán poměrem m/r . Protože zeslabení pole 2,727-krát v hloubce x0 je pro stínění nedostatečné, definujeme ještě hloubky vniku d0,1 a d0,01, kde je hustota proudu, resp. intenzita pole, zeslabena desetkrát či stokrát. Jde ukázat, že platí δ 0,1 = 2,3 ⋅ δ


307

δ 0, 01 = 4,6 ⋅ δ Důležitou charakteristikou elektromagnetického stínění je tzv. koeficient vířivých proudů p, který se objevuje v řešení Maxwellových rovnic ve formě výrazu: p = 0,063 ⋅ d ⋅

f ⋅

µ ρ

[mm, kHz, Ω mm

2

/m

]

(7)

Pokud je p < 1, jsou indukované vířivé proudy rozloženy rovnoměrně po celém průřezu stínění, jež působí jako závit nakrátko kolem stíněného prostoru. Je-li p > 1, způsobují vířivé proudy u povrchu materiálu jakousi "přehradu", omezující pronikání rušivého magnetického pole stíněním. Z fyzikálního hlediska udává koeficient vířivých proudů p, kolikrát je tloušťka materiálu d větší, než ekvivalentní tloušťka vodivé vrstvy d, tj. d (8) p=

δ

a je přímým měřítkem stínicího útlumu jednoduchého vodiče. bs = 8,7 p [dB]

(9)

Čím je hloubka vniku menší, tím tenčí plech postačí k dosažení stejných stínicích účinků krytu.

Tab. 7.12 Hloubka vniku pro různé materiály a kmitočty. Převážná většina rušivých magnetických polí vzniká na síťovém kmitočtu a jeho násobcích. Jak plyne z tabulky, je pro tyto kmitočty nutno používat ke stínění feromagnetické materiály pokud možno s velkou permeabilitou (nesmí však dojít k jejich nasycení vlivem silných magnetických polí, pak by ztratily své výhodné vlastnosti).

Tab. 7.13. Hloubka vniku pro různé materiály a kmitočty

308


Z tabulky také vyplývá, že počínaje středními vlnami je efektivní stínění z jakéhokoli kovu, pokud je tlusté 0,5 až 1,5 mm. Proto se při návrhu tloušťky stínění a výběru materiálu nevychází z elektrických, nýbrž z mechanických vlastností materiálu (pevnosti, tvrdosti, odolnosti proti korozi, stykování materiálů, malého odporu kontaktů, pájitelnosti popř. svařitelnosti apod.). Pro kmitočty větší než 10 MHz poskytuje dostatečné stínění stříbrná fólie tlustá 0,1 mm. Proto je zde možné stínit např. i cuprextitem nebo cuprexcartem, popř. jiným izolačním materiálem, na němž je nanesena stříbrná nebo i měděná vodivá vrstva. Hloubka vniku pro oceli s relativní permeabilitou µr = 50 ukazuje, že ocel stíní i na vyšších kmitočtech více než nemagnetické materiály. Je-li stínění z oceli, musí se ovšem počítat se značnými ztrátami ve stíněném obvodu, a to působením velkého měrného odporu a hystereze. Proto se ocelová stínění používají pouze v těch případech, kdy lze zanedbat vznikající ztráty. Pro jádra vysokofrekvenčních cívek se nepoužívají plechy, protože plechy způsobují velké ztráty. V těchto případech se používají jádra z práškového železa nebo feritu, která mají menší ztráty.

Obrázek 9.194: Útlum stínění


Řešením Maxwellových elektromagnetických polích

rovnic

309

dostáváme

pro

součinitel

stínění

⎛d ⎛ ⎞⎞ ⎛H ⎞ k⋅D ⎟⎟ bs = 20 ⋅ log⎜⎜ o ⎟⎟ ≅ 8,69 ⋅ ⎜ + ln⎜⎜ ⎟⎟ ⎜ δ H ⋅ ⋅ ⋅ 2 2 µ δ ⎝ i⎠ ⎝ r ⎠⎠ ⎝

[dB]

ve

vf

(10)

kde d je síla stěny krytu, k součinitel tvaru krytu o velikosti k = 1 pro dvě nekonečné desky, k = 0,5 pro válec a k = 1/3 pro kouli, µr je relativní permeabilita materiálu krytu, D vzdálenost desek, popř. průměr válce nebo koule a konečně d je ekvivalentní hloubka vniku vf proudu určená vztahem (6). Poznámka: U vztahu (10) je hodnota v závorce rovna součiniteli stínění v neperech (Np). Platí 1 Np = (20 ⋅ log e ) dB ≈ 8,686 dB . To je důvod pro výskyt koeficientu 8,69 v některých vztazích v dalším textu. Z tohoto jednoduchého vztahu (10), který platí ovšem za předpokladu d >> d, vyplývá, že součinitel stínění se skládá ze dvou složek, z nichž prvá závisí jen na síle stěny krytu a použitém materiálu a druhá na relativní velikosti krytu. Obě složky se v logaritmickém vyjádření sčítají, v numerickém vyjádření tedy násobí. Oba členy tedy rostou s kmitočtem. Obecnější tvar tohoto vztahu platný pro všechny kmitočty bude Ho d D ⋅ (1 + j ) d = cosh (1 + j ) ⋅ + ⋅ sinh (1 + j ) ⋅ Hi δ δ 2 ⋅ µr ⋅ δ z něhož můžeme pro nízké kmitočty, kde d < d, odvodit zjednodušený vztah 2

⎛k ⋅d ⋅D⎞ Ho ⎟⎟ = 1 + ⎜⎜ µ Hi ⋅ d ⎠ ⎝ r Za předpokladu, že Ho/Hi >> 1, vyplývá tedy pro nízké kmitočty dokonce lineární vztah Ho 1 = ⋅ k ⋅ d ⋅ω ⋅δ ⋅ D Hi 2 ⋅ π

(12)

Pro praxi je užitečné grafické vyjádření útlumu v nejpoužívanější oblasti. Na obr. 7.194 je řada křivek, zobrazujících průběh součinitele stínění v závislosti na relativní síle stěny d/d a na činiteli velikosti krytu a = kD/µrd. Z grafu je zřejmé, že hlavním určujícím činitelem je síla stěny resp. poměr d/d, velikost krytu má vliv značně menší. V praxi proto často počítáme pouze s prvým členem, tj. jakoby a = 1, čímž vlastně považujeme druhý člen za jakousi rezervu nebo součinitel bezpečnosti. Platí tedy zjednodušený vztah d [dB] bs ≅ 8,69 ⋅ (13)

δ

Také pro určení hloubky vniku je užitečné grafické vyjádření podle obr. 7.195. Uvedené grafy ukazují, že na vyšších kmitočtech není obtížné dosáhnout činitelů stínění přes 100 dB při malé síle stěny stínicího krytu. Je však třeba si uvědomit, že požadavky praxe jsou často značně vysoké. Tak např. v koncových obvodech vysílačů máme často intenzity elektromagnetického pole v řádu 100 kV/m, zatímco vně skříně musí být podle bezpečnostních předpisů intenzita pole menší než 10 V/m, tj. snížená o 160 dB.

310


Obr. 7.195: Ekvivalentní hloubka pronikání vf proudu v závislosti na materiálu a kmitočtu při 20oC. Také u měřicích přístrojů bývají požadavky na stínění v řádu 160 - 180 dB, úměrné požadované citlivosti a přesnosti přístroje. V takových případech bývá nutné použít stínění dvojité, v zásadě např. podle obr. 3. Vnitřní stínění smí být ovšem spojeno s vnějším pouze v jednom bodě, aby nedocházelo k vzájemné vazbě vířivých proudů. Dosud jsme předpokládali homogenní stínicí stěnu. Skutečné stínění se však často skládá z dílů, jejichž spojením vznikají ve stínicí stěně spáry, švy a štěrbiny, které při nevhodném umístění mohou nepříznivě ovlivnit průběh vířivých proudů a zhoršit kvalitu stínění. Při elektromagnetickém stínění vyniká stínicí účinek vlivem vířivých proudů, jež probíhají v rovinách kolmých ke směru magnetického pole. Nemá-li se stínicí účinek zhoršit, nesmí být průběh vířivých proudů porušen a proto musíme elektromagnetický stínicí kryt navrhnout tak, aby spáry a švy byly kolmé ke směru magnetického pole (obr. 7.196 a 7.197), eventuálně rovnoběžné s rovinou vinutí stíněné cívky nebo transformátoru. V každém případě volíme v místě spojení dostatečný přesah materiálu, a kde je to možné, spáru dokonale proletujeme, čímž zaručíme elektricky výborné spojení obou částí. Materiály, které nelze pájet, spojujeme lemováním, nýtováním, bodovým svářením apod. Nezbytnou součástí většiny stínicích krytů jsou víčka, která při vhodném provedení a umístění usnadňují cestu vířivým proudům a zlepšují tak stínicí účinek.


311

Při elektromagnetickém stínění se musíme ovšem postarat o dobré spojení mezi víčkem a krytem (zpravidla pájením). U hranatých krytů je nutné, aby víčko bylo kolmé ke směru magnetického pole, aby se nepřerušil okruh vířivých proudů, který má snahu se vytvořit na obvodu krytu (obr. 7.198). Použití víček je účelné zejména u kratších válců v příčném magnetickém poli (obr. 7.199), neboť zde vytvoří část dráhy vířivých proudů. Jestliže je délka válce větší než dvojnásobek jeho průměru, nepřináší použití víček podstatné zvýšení stínicího účinku. Lze si to vysvětlit tím, že v tomto případě je na koncích otevřeného válce dosti místa, aby se mohly proudové silokřivky uzavřít podél obvodu válce. Víčko ovšem v tomto případě může působit jako součást elektrického stínění.

Obr. 7.196. Nesprávné umístění dělicí spáry elektromagnetického stínicího krytu (průběh vířivých proudů ve stěnách stínění je porušen).

Obr. 7.197 Správné umístění dělicí spáry elektromagnetického stínicího krytu (průběh vířivých proudů je neporušen).

krytu

Obr. 7.198. Umístění víčka stínicího krytu : a) nesprávné - okruh vířivých proudů na obvodu krytu je porušen, b) správné - okruh vířivých proudů na obvodu je neporušen.

Obr. 199. Vliv krycích víček na průběh vířivých proudů ve stěnách válcového stínění.

Tyto zásady lze splnit u stínění menších dílů (typicky cívek), ale nemusí být snadné je splnit u větších celků (skříní). K utěsnění dveří, přírub apod. užíváme elektromagnetické těsnění (angl. gasket) různých tvarů. Známé jsou kontaktní pružiny (pružné hřebínky) z fosforové bronze nebo vodivé materiály skutečně připomínající těsnění. (Pokud jsou dveře nebo připevněné stěny skříní spojeny vodičem s kostrou, je to kvůli elektrické bezpečnosti, popřípadě kvůli elektrickému stínění, pro elektromagnetické stínění je to však spojení nedostatečné.)

312


Obrázek 9.200: Různé druhy elektromagnetického stínění Přístrojová skříň nebývá dokonale uzavřena (až na výjimky), protože musí mít otvory pro přívody a pro případné ovládací a zobrazovací prvky. Tyto otvory zhoršují činitel stínění, ale při účelné konstrukci je možno jejich vliv udržet v únosných mezích. Je třeba dodržovat tyto zásady : - otvory popř. kanály volit co nejmenší, nejvýše o průměru 1/100 délky vlny pracovního nebo rušivého signálu - otvory umístit co nejdále od bodů s pracovním a rušivým signálem - štěrbiny orientovat podélným směrem tak, aby byly rovnoběžné s dráhou vířivých proudů (nebo se siločárami elektrického pole pro elektrické stínění nebo magnetického pole pro magnetostatické stínění, viz později). Obrázek 9.201: Použití hřebenových pružin

Nedodržíme-li shora uvedené zásady, může se nám otvor nebo štěrbina chovat jako štěrbinová anténa a vytvářet při poli E1 uvnitř krytu vnější pole o intenzitě 4 d ⋅l ⋅ (14) λ⋅R 3 kde d, l jsou šířka a délka otvoru nebo štěrbiny, l délka vlny a R vzdálenost od štěrbiny, za předpokladu, že d << l >> 1. U kanálů musíme opět uvážit, že se mohou chovat jako vlnovody s útlumem E2 = E1 ⋅


313 2

⎛λ ⎞ [dB / m, m] (15) 1− ⎜ o ⎟ λo ⎝λ⎠ kde l je pracovní nebo rušivá délka vlny, lo je mezní vlnová délka, u kruhového průřezu lo = 1,7 D, u průřezu obdélníkového lo = 2 l (dvojnásobek délky delší strany).

α=

53,5

Obrázek 9.202: Nevhodné a vhodné umístění otvorů

Příklad: V určitém výrobním procesu je průběžně měřena relativní permitivita a tangenta ztrátového úhlu jisté kapaliny. Navrhněte stínění pro měřící obvod, pracující na kmitočtu 10 MHz, s útlumem 120 dB a stanovte přípustnou minimální délku stínění kanálu pro přívod a odvod měřené kapaliny. Potřebný objem stínění je 1 dm3, je vyrobeno z mosazi, součinitel tvaru k = 0,4, přívodní trubka má průměr 25 mm. Obrázek 9.203: Měřící komůrka Řešení : Hloubka vniku podle obr.4-2 je d = 0,04 mm. k ⋅ D 0,4 ⋅ 100 Činitel velikosti a = = = 1000 . µ r ⋅ δ 1 ⋅ 0,04 Z obr. 7.194 určíme d/d = 7, z toho potom nejmenší tloušťku stěny měřící komůrky d = 0,28 mm. Přívodní trubka se chová jako vlnovod, platí tedy vztah (15). Pracovní délka vlny lambda = c/f = 30 m, mezní vlnová délka vlnovodu lo = 1,725 = 42,5 mm. 2

53,5 ⎛ 0,0425 ⎞ Měrný útlum α = 1− ⎜ ⎟ = 1259 dB / m , 0,0425 ⎝ 30 ⎠ potom pro požadovaný útlum 120 dB vychází minimální délka potrubí l = 120/a = 95 mm. Závěr : Nejmenší tloušťka stínění je 0,28 mm, nejmenší délka stíněného kanálu pro přívod a odvod měřené kapaliny je 95 mm. Náčrt možného uspořádání je na obr.4-3.

314

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 8.10.2 Magnetostatické stínění

Magnetostatické stínění se užívá k odstínění stejnosměrných a nízkofrekvenčních magnetických polí. Pro tento druh stínění jsou vhodné výhradně magneticky měkké materiály s vysokou počáteční permeabilitou, jako je železo s obsahem 3 až 4% křemíku, nebo speciální slitiny železa a niklu (permalloy), označované v ČR písmeny PY a číslem, udávajícím přibližný procentní obsah niklu. Přehled vlastností nejdůležitějších magneticky měkkých materiálů je uveden v tabulce 7.13. Princip magnetostatického stínění je naznačen v obr. 7.190. Stěny krytu z vysoce permabilního materiálu představují pro silokřivky rušivého magnetického pole mnohem menší magnetický odpor než vzduch. Umístíme-li takový kryt do homogenního magnetického pole, budou se magnetické silokřivky soustřeďovat do snadno vodivých stěn a uvnitř krytu vznikne prostor, v němž bude rušivé pole podstatně zeslabeno, takže stínicí kryt vytváří kolem stíněného objektu pro magnetické silokřivky vlastně magnetický zkrat.

Tabulka 7.13. Vlastnosti feromagnetických látek Pro stínění nízkofrekvenčních elektromagnetických polí jsme již odvodili jednoduchý vztah (12), který platí za předpokladu, že Ho/Hi >> 1, že w > 1 a že uvnitř krytu je prostředí neferomagnetické, tj. µr @ 1. Potřebujeme však pro praxi vyšetřit ještě případ, kdy w -> 0 a kdy uvnitř krytu máme ferromagnetický předmět, který chceme chránit před vnějším polem

Obrázek 9.204: Magnetostatické stínění . To je ovšem úloha magnetostatická, kterou můžeme řešit pouze aplikací Kirochhoffova zákona na magnetický tok. Vezmeme-li si za základ naší úvahy uspořádání podle obr. 7.204, kde uvnitř krytu máme chráněný ferromagnetický předmět ve tvaru krychle o straně rovné


315

jednotce, kde stínicí kryt má vnitřní rozměr a, vnější rozměr b, pak můžeme předpokládat, že vnější magnetický tok se při průchodu krytem rozdělí na dvě části, z nichž prvá půjde stěnami krytu a druhá chráněným předmětem. Z obrázku odvodíme, že průměrná délka magnetické siločáry na prvé cestě bude 3/2 b a že síla stěny d = (b − a ) / 2 . Můžeme pak vyjádřit velikost magnetického odporu obou cest, za zjednodušujících předpokladů, že materiál krytu má relativní permabilitu µr >> 1 a materiál vnitřního předmětu též, a že se v krytu neuplatňuje vliv vířivých proudů, takto : 3/ 2 ⋅ b a −1 Rmo = Rms = 4 ⋅ a ⋅ d ⋅ µr 2 Celkový tok se nyní rozdělí podle poměru vodivostí obou cest na dvě části, takže bude platit Φ = Φo + Φs Φ s Rmo 4 ⋅ µ r ⋅ a ⋅ (b − a )(a − 1) = = Φ o Rms 3⋅b

celkový činitel stínění můžeme pak vyjádřit Φs Φ 1 Ko = 1 = = [4 ⋅ µ r ⋅ a ⋅ (b − a )(a − 1) + 3 ⋅ b] ⋅ Φo Φo + 1 3⋅b Nyní vyšetříme podmínky, za nichž dosáhneme maximálního účinku. Nejprve přijmeme předpoklad stálého vnějšího rozměru b = konst. a vyšetříme při jakém rozměru a dosáhneme nejlepšího účinku. Derivací a anulováním výrazu v hranaté závorce zjistíme, že optimální rozměr 2⋅b +1 a= 3 z čehož vyplývá pro sílu stěny krytu b −1 d= 3 a pro sílu vzduchové mezery b −1 m= 3 Činitel stínění pak bude za těchto podmínek 8 1⎞ Φ ⎛ (17) K s = 1 = 1 + ⋅ µ r ⎜ 2b 2 + 3b + ⎟ 81 Φo b⎠ ⎝ Síla vzduchové mezery má tedy být vždy dvojnásobkem síly stěny krytu, nezávisle na permabilitě použitého stínicího materiálu, pokud ovšem µr >> 1. Podle zkušeností nemá však tvar stínicího krytu podstatný vliv na stínicí účinek, který je určen pouze tloušťkou stěny a objemem krytu, materiálovými konstantami a frekvencí. To umožňuje nahradit např. technicky nejužívanější pravoúhlý kryt ekvivalentní koulí, jejíž průměr je geometrickým středem tří rozměrů pravoúhlého krytu. Pro činitel stínění duté koule o vnitřním průměru D, tloušťce stěny d a permeabilitě µr platí (za předpokladu d << D) 4 d Ko = 1 + ⋅ µr ⋅ (18) 3 D

316


Ze vztahu (17) možno vypočítat, že stínicí kryt z železného plechu 1 mm o permeabilitě µ = 350, velikosti 50 x 60 x 70 mm, odpovídající ekvivalentní kouli o průměru 59,5 mm, zeslabí rušivé magnetické pole asi o 20 dB, T.j. na 10 % původní hodnoty. K zeslabení rušivého pole o 40 dB by bylo třeba tloušťky stěny 12,5 mm (potom ovšem již rovnice (17) neplatí přesně). Stejného stínicího účinku bychom dosáhli užitím permalloye (µ = 5000) s tloušťkou stěny asi 0,9 mm. Z uvedeného příkladu plyne důležité pravidlo : Při daném vnějším tvaru stínicího krytu možno zvýšit magnetostatický stínicí účinek vyšší permeabilitou nebo větší tloušťkou stínění, přičemž pro daný stínicí účinek je směrodatný součin permeability a tloušťky stínění. Je zde ovšem jedno omezení. Magnetostatické stínění je účinné pro stejnosměrná magnetické pole a pro pole střídavá, jejichž kmitočet je nižší než tzv. mezní kmitočet magnetického materiálu

ρ

[kHz, mm, Ωmm / m] d ⋅µ Při tomto kmitočtu se hloubka vniku vířivých proudů rovná síle stěny krytu. Chceme-li tedy plně využít magnetostatického stínění, nesmí být tloušťka stěny krytu pro odstínění rušivého magnetického pole daného kmitočtu větší než jistá mez (viz tabulka 7.14) fo ≅

2

Tabulka 7.14. Maximální tloušťka různých magnetických materiálů, při niž je pro frekvence 50 nebo 100 Hz ještě plně využito magnetostatického stínicího účinku. Nedosáhneme-li s daným materiálem, při maximální dovolené tloušťce, potřebného stínicího účinku, nutno užít stínění, složeného ze vzájemně isolovaných vrstev. Tím se zmenší vířivé proudy a mezní frekvence se posune k vyšším hodnotám. Ovšem vícevrstvé stínicí kryty jsou výrobně problematické a drahé, proto se někdy zhotovují ze dvou částí(vinutých z pásového permalloye s oxidovaným povrchem), které se do sebe zasouvají (podobně jako se uzavírá krabička zápalek).

Obrázek 9.205: Vinuté dvoudílné krabicové kryty

I když jednotlivé závity ocelového nebo permalloyového pásu netvoří uzavřené kryty, celkový stínicí účinek se od mnohonásobného krytu příliš neliší. Je ovšem třeba si uvědomit, že stínicích vlastností permalloye plně využijeme jen tehdy, jestliže kryt po zhotovení tj. ohýbání, nýtování, svařování apod., tepelně zpracujeme žíháním ve vodíkové atmosféře


317

přesně podle technologických předpisů výrobce (zpravidla při 800 - 900 oC), tím se materiál zbaví mechanického pnutí vzniklého při navíjení. Po provedeném žíhání smí být kryt namáhán jen v mezích pružných deformací. Jestliže magnetostaticky stíníme cívku nebo transformátor se železným jádrem, tvoří jádro vzhledem k stínicímu krytu magnetický bočník, který zhoršuje stínicí účinek. Čím menší je vzdálenost mezi jádrem a krytem, tím je vodivost tohoto magnetického bočníku větší a stínicí účinek menší, přičemž permeabilita hraje podřadnou úlohu(pokud není vzdálenost mezi jádrem a krytem příliš malá). Tento jev je zvláště nepříznivý u hranatých krytů a transformátorových jader, kde je na rozdíl od zaoblených krytů většina ploch rovnoběžná. Má-li být vliv ferromagnetického jádra stíněného objektu na velikost magnetostatického stínicího účinku zanedbatelný, má být vzdálenost mezi cívkou a stěnami krytu rovna minimálně 1/3 průměru cívky. Nemůžeme-li tuto podmínku splnit, musíme navrhnout stínicí kryt pro větší stínicí útlum (o 10 až 20 dB), než jaký skutečně potřebujeme, čímž případné zmenšení stínicího účinku vykompenzujeme. Při elektromagnetickém stínění se stínicí účinek vlivem feromagnetického jádra nepatrně zvětšuje. Při návrhu stínění však toto zvýšení nemusíme brát v úvahu a stačí spokojit se s větší bezpečností výpočtu. Obdobně jako v minulé kapitole i magnetostatické stínění nebývá homogenní, skládá se z dílů, jejichž spojením vznikají ve stínicí stěně spáry, švy a štěrbiny, které při nevhodném umístění mohou nepříznivě ovlivnit průběh magnetických silokřivek. U magnetického stínění, které vytváří kolem stíněného prostoru magnetický zkrat, nesmějí spáry a švy zvětšovat odpor tohoto zkratu, což by u vysoce permeabilního materiálu mohlo nastat již při velmi malých mezerách. Proto nutno navrhovat magnetostatické stínění tak, aby spáry a švy byly rovnoběžné se směrem magnetického pole (aby nebyl přerušen průběh siločar rušivého pole). Stíníme-li tedy cívku nebo transformátor, je účelné, aby byla dělicí spára krytu rovnoběžná s osou cívky, respektive kolmá k rovině vinutí (obr. 7.206), neboť je nutné zeslabit především ty složky magnetického pole, jež jsou rovnoběžné s osou cívky. Kde to nelze z výrobních důvodů provést, musí být švy provedeny s dostatečným přesahem materiálu. Vlastní spojení provádíme přiměřeně hustým nýtováním nebo svařováním (bodováním). Pájení není vhodné, neboť cínová vrstva působí pro magnetické pole jako vzduchová mezera.

Obr. 7.206 Správné umístění spáry ve stěně stínicího krytu při magnetostatickém stínění (průběh magnetických silokřivek ve stěnách stínění je neporušen)

Obr. 7.207 Vliv spár na průběh magnetického pole ve stínicí stěně

318


Nezbytnou součástí většiny stínicích krytů jsou víčka, která při vhodném provedení a umístění usnadňují cestu magnetickým silokřivkám (u elektromagnetického stínění - viz minulá kapitola - usnadňují cestu vířivým proudům) a zlepšují tak stínicí účinek. Při magnetostatickém stínění nutno provést víčka tak, aby se magnetický odpor obvodu v dělicí spáře pokud možno nezvětšil. Proto musí být víčko zhotoveno s přiměřeným přesahem materiálu a s minimální vzduchovou mezerou. 8.10.3 Vícenásobné stínění

Stínicí účinek lze značně zvýšit použitím vícenásobného stínění (obr. 5), neboť při dostatečné vzdálenosti mezi stíněním je výsledný stínicí účinek roven součinu jednotlivých stínicích účinků.

Obr. 7.208. Vícenásobný stínicí kryt

Jde o jiný problém než vrstvené stínění (obr. x), vytvořené kvůli potřebě stínit pole o kmitočtu vyšším než mezní kmitočet materiálu (při dané tloušťce). Zde musí být mezi vrstvami určitá mezera. Zpravidla se vine pás současně s izolační vložkou o dvojnásobné tloušťce. Dále vyšetříme za jakých podmínek dosáhneme nejlepšího účinku v nejmenším prostoru s minimálními náklady, tj. podmínky ekonomické optimalizace. a) U jednoduchého krytu je váha krytu úměrná výrazu b2(b-1), činitel stínění má pak optimální velikost v poměru k váze krytu při b = 1,8. Platí pak d = 0,13 m = 0,27 b) Při použití n-násobných krytů roste celkový objem krytu s 3n-tou mocninou rozměru b, zatím co celkový činitel stínění roste s n-tou mocninou činitele stínění jednoho krytu. Pak můžeme naší úlohu formulovat tak, že při daném celkovém objemu n-násobného krytu V = a3n= konst. hledáme optimální relativní rozměr b a optimální počet krytů n, u nichž bude celkový součinitel stínění S maximální. Ze zadané podmínky vyplývá vztah mezi počtem krytů a relativním rozměrem b 3n . ln b = ln V = konst. Φ zatím co logaritmus součinitele stínění ln K S = S n = n ⋅ ln 1 Φ0 Má-li tedy být celkový poměr

Sn maximální, musíme nalézt maximum poměru: ln V

⎛Φ ⎞ ln⎜⎜ 1 ⎟⎟ ln ⎡1 + 8 ⋅ µ r 2b 2 − 3b + 1 / b ⎤ ⎢ ⎥ ⎝ Φ o ⎠ = ⎣ 81 ⎦ ln b ln b

(

)


319

Derivací a anulováním pravé strany výrazu získáme vztah

µ r (4b − 3 + b −2 )

(

)

1 ⎡ 8 ⎤ − ⋅ ln ⎢1 + ⋅ µ r 2b 2 − 3b + b −1 ⎥ = 0 81 ⎣ 81 ⎦ + µ r 2b 2 − 3b + b −1 b 8 Jeho řešením nalezneme podmínku optimálního dimenzování ve tvaru ln (b ) ⋅

(

)

⎛Φ ⎞ ln⎜⎜ 1 ⎟⎟ = 1,6 ⎝ Φo ⎠ tj. nejúspornější prostorově i nákladově je kryt, který má součinitel stínění 16 Φ1 Φ2

=e =S

Větší činitel stínění je účelné realizovat jako vícenásobné kryty, jejichž počet bude S S n = n [Np ] = n [dB ] 1,6 13,9 Rozměry (relativní) každého krytu nalezneme řešením rovnice určující činitel stínění. Získáme tak vztah b = 1+

13,5

µr

[m, Hm ] −1

tj. pro běžný transformátorový plech µr = 400 bude b = 1,18, pro permalloy µr = 10,000 je b = 1,037. Potřebný objem stínicího materiálu pak vychází pro transformátorové plechy cca 0,25, pro permalloy je 0,040 stíněného objemu. Váha a objem materiálu stínicího krytu tedy vychází u permalloye šestkrát menší než u běžného transformátorového plechu pro stejný stínicí účinek. Poměr cen za 1kg je však větší, takže permalloyové stínění je ekonomicky výhodné jen tam, kde potřebujeme i úsporu prostoru. V praxi se od tohoto optimálního řešení často odchylujeme proto, že vícenásobné kryty jsou výrobně pracné. využíváme skutečnosti, že nalezené optimum je poměrně ploché. Volíme-li například pro potřebný součinitel stínění 25 jednoduchý kryt permalloyový s b = 1,09 bude spotřeba materiálu jen o polovinu větší než u dvojitého krytu optimálního se součinitelem 5 a celkový objem bude větší jen o 5%, pracnost výroby však podstatně klesne. U jednoduchých krytů se použití permalloye vyplácí téměř vždy, poněvadž při optimálním rozměru (b = 1,8) je jeho stínicí účinek cca 25krát větší než u běžných materiálů. Při praktickém návrhu krytu vycházíme od optimálního řešení pro S1 = 1,6 Np, určíme rozměry a, b, d podle uvedených vztahů a podle použitelného materiálu a určíme počet potřebných krytů. Pak uvážíme jejich výrobní pracnost a optimalizujeme návrh přechodem na vyšší S1 a nižší n s cílem minimalizace nákladů. Poznámka: Na stínění objektů proti vnějším polím (v širokém rozsahu kmitočtů) je třeba užívat dvojvrstvé nebo vícevrstvé kombinované stínění. Sestavuje se z vrstev diamagnetických a feromagnetických materiálů. Nejvyšší stínicí účinek vykazuje kombinace měď - železo. Na druhé místo se zařazuje hliník - železo, potom olovo - železo. Tato poslední kombinace, i když zabezpečuje nepříliš dokonalé stínění, se v praxi používá na obaly kabelů, protože umožňuje hermetické utěsnění pláště olověným obalem.

320


Příklad: Navrhněte jednoduché magnetické stínění pro vstupní transformátor rozměrů 20x20x20 mm se součinitelem stínění KS = 50 a) z šedé slitiny µr = 100, b) z transformátorových plechů µr = 400, c) z permalloye µr = 10 000. Řešení: a) dosazením do (4.8) pro KS = 50 dostáváme rovnici 8 ⋅ 100 ⎛ 2 1⎞ ⎜ 2b − 3b + ⎟ 81 ⎝ b⎠ jejimž řešením dostáváme b = 2,44, hledané rozměry krytu jsou b = 48,8 mm, a = 39,2 mm a d = 4,8 mm b) řešením pro µr = 400 dostáváme b = 1,69 a rozměry b = 33,8 mm, a = 29,2 a d = 2,3 mm, c) řešením pro µr = 10 000 dostáváme b = 1,13 a rozměry b= 22,6 mm, a = 21,8 mm a d = 0,4 mm. Závěr: Rozměry stínicího krytu jsou v tabulce. 50 = 1 +

Tabulka 7.15: Rozměry stínícího krytu Kromě stínění máme ještě další možnosti, kterými můžeme snížit vyzařování a škodlivé vlivy magnetických polí, a to jejich kompenzací, jinak též neutralizací nebo astatizací (podle astatické magnetky známé z fyziky). U síťových transformátorů např. chceme snížit vyzařování jejich magnetického pole do okolí. Můžeme proto použít pro konstrukci transformátorů toroidálního vinutí rovnoměrně rozloženého na prstencovém jádře, což je nejdokonalejší a také nejdražší. Nejvíce vyzařuje běžné jádro tvaru E-I s vinutím na středním sloupku. Lepším řešením (jen o málo horší než toroid) je jádro rámové s dvěma cívkami se souměrně rozděleným primárem a sekundárem, jichž vyzařování se ve větší vzdálenosti vzájemně ruší. Účinným dalším prostředkem je navrhnout transformátor s malým sycením, např. o třetinu sníženým proti normálu, což sníží vyzařování o 60 - 80% (vyzařování je totiž úměrné intenzitě pole H, nikoliv sycení B). U citlivých vstupních transformátorů užíváme též rámových jader složených z permalloyových řezů tvaru L, méně často toroidů. Je-li vinutí rozloženo na jádře souměrně, pak napětí indukované vnějším polem do obou částí vinutí se vzájemně do značné míry ruší. Zbývající rušivé napětí bývá podle dokonalosti symetrie a homogenity rušivého pole o 20 - 40 dB nižší než u transformátorů nesymetrických.


321

Dále je třeba vhodně orientovat nízkofrekvenční transformátory a vstupní obvody vzhledem k síťovému transformátoru nebo tlumivce tak, aby vzájemná indukčnost byla minimální (jejich silokřivky musí být navzájem kolmé). Především je ovšem potřeba pečlivě rozmístit vodiče a součástky obvodů s nízkou úrovní signálu vzhledem ke střídavým polím. Jmenovitě 1. Citlivé obvody umisťujeme co nejdále od zdrojů rušivých magnetických polí (síťových transformátorů). 2. Citlivé vodiče vedeme tak, aby naindukované napětí bylo co nejmenší, tj. rovnoběžné s magnetickými siločárami.

Obrázek 9.209: Připojení zátěže ke zdroji může být zdrojem rušivého magnetického pole: a) správné připojení zátěže ke zdroji, které nevyvolává v okolí rušivé mag. pole, b) jsou-li zdroj a zátěž samostatně uzemněny, teče přes 1-2 rozdílový proud a kompenzace zkroucením vodičů není úplná Obrázek 9.210: Vedeme-li výkon k zátěži souosým kabelem, nevzniká vlivem procházejícího proudu žádné rušivé pole vně kabelu Obrázek 9.211: Příklad zapojení citlivého analogového vstupu a výkonového napájecího zařízení. Z napájecího zdroje mohou téci značné proudy, které by mohly být zdrojem rušení pro citlivé analogové obvody. Proto je zdroj připojen souosým kabelem, u něhož je plášť použit jako zpětný vodič. Analogový vstup je připojen souosým kabelem spojeným se zemí pouze na straně vstupu. 3. Velice účinné je používat zkroucených vodičů pro vedení střídavých signálů, zvláště větších proudů. Dříve to bylo typické pro žhavicí přívody elektronek. Vzájemně opačný proud v obou vodičích a zkroucení vodičů způsobí kompenzaci magnetického pole pro každý závit. Nesmí však být vytvořena žádná jiná paralelní vodivá cesta. Nesprávné provedení je na obr. 7.209b. Spojením 1-2 vznikne nesymetrie, zemním spojením teče proud i3 = i1 - i2 a kompenzační účinek zkroucení vodičů se zmenší. Spojení 1-2 nemusí být jen přímé, podobně působí např. i nesymetrie kapacity zátěže. Ke zmenšení parazitních nesymetrií se doporučuje vést zkroucené vodiče těsně podél zemní plochy a dodržovat minimální velikost plochy možných parazitních smyček. 4. Pro vedení signálů velkých úrovní je vhodné použít souosý kabel (obr. 7.210). V tomto případě se nejedná o stínění, jak bylo popisováno dříve, ale o kompenzaci magnetického pole, vznikajícího průchodem proudu. Příklad použití souosého vedení pro stínění a kompenzaci rušení je na obr. 7.211. Pro napájení logických obvodů TTL (5 V) je použit

322


souosý kabel, připojený na obou koncích, aby bylo zabráněno vyzařování vlivem spínacích jevů. Pro citlivé obvody je užit souosý stíněný vodič. 5. Indukované napětí je úměrné ploše smyčky a její orientace ke zdroji rušení. Plochu smyčky omezíme co nejvíce zmenšováním rozměrů a vzdáleností použitých vodičů. Orientaci pole můžeme ovlivnit umístěním vedení a zdrojů rušení (natočením transformátorů apod.). Shrnutí : Pro volbu materiálu stínicího krytu je směrodatná frekvence rušivého magnetického pole. Při nízkých frekvencích, případně při stejnosměrném magnetickém poli dosáhneme podstatného stínicího účinku pouze s vysoce permeabilními materiály (nesmí však dojít k nasycení vlivem silných magnetických polí, pak by ztratily své výhodné vlastnosti). Čím vyšší je permeabilita, tím nižší je mezní frekvence materiálu, takže v případě použití permalloye bývá vhodné i pro technické kmitočty stínění vrstvené např. svinuté z několika vrstev pásku. Při středních a vyšších frekvencích získáme velké stínicí útlumy i s tenkými nemagnetickými materiály. Zde se volí materiál stínění hlavně z hledisek výrobních a technologických (fólie, plech, odlitek). Použití feromagnetických látek při vyšších kmitočtech je nevhodné vzhledem k značným ztrátám ve stínění. Pro praktické použití byly vypracovány různé monogramy pro návrh stínění. Nomogram podle [ST 1956/6:192] je na obr. 7.212. Nomogram vychází z útlumu vrstvy čisté mědi 1 mm silné S Cu = 1,314 ⋅ 10 2 f

[dB/mm, MHz].

Pro jiný materiál platí vztah S = S Cu 1,72 ⋅ µ / σ

[dB/mm, µW/cm3]

Výsledný útlum v dB je dán útlumem S dle výše uvedených vzorců a síly uvažované vrstvy v mm. Tj. jak odpovídá předchozímu textu, útlum je přímo úměrný síle vrstvy a druhé odmocnině ze součinu kmitočtu, odporu a permeability. Pro materiály s velkou vodivostí, jako je čistá měď apod., lze útlum SCu odečíst přímo v závislosti na kmitočtu na levé krajní stupnici nomogramu. Pro jiný materiál postupujeme podle klíče. Za permeabilitu nutno dosadit tu hodnotu, která odpovídá sycení materiálu v daném případě. K nomogramu je přidána tabulka hodnot specifických odporů r, počáteční a maximální permeability nejužívanějších materiálů. Příklad : Jaký bude účinek uzavřeného krytu cívky o síle 0,5 mm při 10 kHz, použijeme-li čisté mědi nebo permalloye. Pro útlum v mědi čteme okamžitě ACu = 13 dB/mm, v našem případě je útlum 0,5.13 = 6,5 dB. Pro permalloy nastavíme r = 21, µ = 50 000, f = 10 kHz a odečteme A = 7000 dB/mm. Skutečný útlum je 0,5.7000 = 3500 dB. 8.10.4 Stínění nízkofrekvenčních a napájecích transformátorů

V transformátorech s jádry z feromagnetických materiálů se podstatná část magnetického toku uzavírá v jádru. Pouze malá část toku (tzv. rozptylový tok) se dostává do okolního prostoru a může být příčinou parazitních indukcí. Jakékoli opatření, snižující rozptyl


323

transformátoru, zmenšuje i parazitní indukci. Z toho plyne, že prvním a hlavním stíněním transformátoru je jeho magnetický obvod. Zlepšení magnetického obvodu použitím materiálů s velkou relativní permeabilitou a zmenšení vzduchové mezery zmenšuje parazitní indukci. Je výhodné užít jader typu C nebo ještě lépe toroidních. Je-li transformátor umístěn tak, že může být zdrojem nebo příjmačem rušení, řeší se jeho stínění. Někdy stačí vhodná orientace magnetického obvodu vzhledem k vnějšímu magnetickému poli. Problematika již byla řešena na straně. . Někdy je třeba řešit pouze elektrické stínění transformátoru, viz. str. . 8.10.5 Stínění cívek a vysokofrekvenčních obvodů

Stínění vysokofrekvenčních cívek, rezonančních obvodů a celých vf obvodů proti vyzařování a vnikání elektromagnetických polí je častou úlohou. Při návrhu těchto stínění je třeba uvážit nejen potřebu dosáhnout žádaného činitele stínění, ale současně též další vedlejší vlivy zejména změny velikosti indukčnosti a jakosti cívky. Každé stínění zejména u válcových cívek, můžeme chápat jako zkratový závit induktivně vázaný s cívkou, a jeho účinek pak snadno objasníme pomocí náhradního schématu na obr. . . Pro tento obvod zřejmě platí známé vztahy z teorie vázaných obvodů U 1 = j ⋅ ω ⋅ L1 ⋅ I1 + j ⋅ ω ⋅ M ⋅ I 2

0 = j ⋅ ω ⋅ M ⋅ L1 + ( j ⋅ ω ⋅ L2 + R ) ⋅ I 2

Jejich řešením můžeme snadno nalézt, že U1 ω 2M 2 = j ⋅ ω ⋅ L1 + I1 j ⋅ ω ⋅ L2 + R Dosazením známé definice vzájemné indukčnosti M = k L1 L2 a zavedením předpokladu w L2 >> R (tj. že činitel Q zkratového závitu >> 1) nalezneme

(

)

U1 L = j ⋅ ω ⋅ L1 1 − k 2 + R ⋅ k 2 1 I1 L2 což ukazuje, že účinkem krytu klesá indukčnost cívky úměrně činiteli (1-k2) a že její sériový ztrátový odpor roste o přídavnou složku, vyjadřující ztrátu energie vířivými proudy v krytu. Při praktickém výpočtu považujeme kryt za jednozávitovou cívku, jejíž indukčnost vypočteme z geometrických rozměrů podle známých vztahů. Odpor R vypočteme též z šířky a délky proudové dráhy, přičemž vycházíme z poznatku, že hloubka pronikání definovaná v předchozím odstavci je ekvivalentem tloušťky vodiče, protékaného homogenně rozloženým proudem, a že tedy součin této hloubky pronikání a šířky proudové dráhy nám udává průřez vodiče pro výpočet odporu. Činitel vzájemné vazby k počítáme též z geometrického rozložení.

324


Obrázek 9.212: Nomogram pro výpočet stínění


325

Praktické zásady, které z těchto úvah vycházejí, můžeme shrnout asi takto : - stínicí kryty cívek nutno konstruovat z materiálů dobře vodivých (měď, hliník) - tloušťku krytu volit rovnou nejméně pětinásobku hloubky pronikání pracovního proudu při pracovním kmitočtu (jinými slovy tloušťka krytu nesmí být menší než hloubka vniku δ0,01. - průměr krytu volit nejméně dvakrát větší než průměr stíněné cívky. - vzdálenost čel krytu od cívky volit větší než poloměr cívky (t.j. rozměry válcového krytu se volí tak, aby mezera mezi cívkou a stíněním nebyla na všech stranách menší než polovina průměru cívky. Obr. 7.213. Kryt jako zkratový závit Tyto zásady platí pro válcové cívky bez feromagnetických jader. V případě feritových uzavřených jader rámových nebo hrníčkových, kde větší část magnetického toku probíhá jádrem, je možné volit kryt těsnější, například jen o 20% větší než rozměr jádra. Přípustnou mez zjistíme nejsnáze měřením změny činitele jakosti cívky po přiložení krytu. Poznamenejme, že u běžných cívek (dlouhých jeden až tři průměry) po vložení do krytu minimálních rozměrů (dle výše uvedených zásad) zmenší se indukčnost o cca 15%. U cívek velkých rozměrů (např. pro vysílače) se uplatňuje ještě další podružný jev, který u malých cívek těžko zjistíme. Má-li totiž stínicí kryt (který je v těchto případech tvořen obvykle hliníkovými stěnami skříně) vlastní činitel jakosti značně velký, zjistíme, že činitel jakosti cívky v krytu může být dokonce o několik procent vyšší než u cívky bez krytu. Tento paradoxní jev se vysvětluje tím, že velké cívky bez stínění již působí částečně jako antény a vyzařují energii, a dále tím, že rozložení proudu po obvodu vodiče cívky je ve stíněném stavu rovnoměrnější. Nakonec ještě poznámka o stínění rezonančních obvodů. Má-li být stínění účinné, je třeba, aby maximální část elektromagnetického pole obvodu byla uzavřena v krytu. Není proto účelné stínit pouze cívku, můžeme-li dovnitř krytu umístit i kondenzátor. Je-li jeden konec uzemněn, spojujeme jej s krytem pouze v jediném bodě. Cívky vyvolávají magnetický tok, orientovaný určitým způsobem, s čímž se musí počítat při návrhu stínění a při navrhování štěrbin pro vývody. Všechny štěrbiny musí být orientovány tak, aby nepřekážely průchodu vířivých proudů, vyvolávající stínicí jev. Na obr. 55 a 56 jsou typické příklady stínění a přípustná i nepřípustná štěrbina. Stínění elektrického pole se v uvažované konstrukci dosáhne bez jakýchkoli dalších úprav. Stínění musí být dobře spojeno s kostrou přístroje.

Obr. 7.214. Přípustná a nepřípustná štěrbina ve stínění pro vývody

326


Obr. 7.215. Správné a chybné umístění cívek ve stínění

8.10.6 Elektrické stínění

Elektrické stínění odstraňuje nežádoucí kapacitní vazby mezi jednotlivými obvody, případně vodiči. Elektrické stínění bývá nutné u vodičů s vysokým odporem vůči zemi, zejména pokud vedou signály nízké úrovně.

Obrázek 9.216: Náhradní obvod pro parazitní kapacitní vazbu: a) bez stínění, b) se stíněním Na obr. 9.216a je ur napětí zdroje rušení (spínací tranzistor, hradlo TTL apod.). Cp je nežádoucí parazitní kapacita, R je vstupní odpor přijímače rušení, kterým může být např. ur , který vyvolává na vstupní obvod zesilovače apod. Obvodem protéká proud ir = R + jX p

vstupním odporu R úbytek napětí uro = ur (1 + jX p ) , kde Xp je reaktance kondenzátoru Cp. Zapojíme-li podle obr. 7.216b mezi body 1 a 2 nekonečně velkou dokonale vodivou desku 3-4 spojenou v bodě 4 se společným potenciálem, rozdělí se Cp na Cp1 a Cp2. Smyčkou 1-3-4 sice poteče proud přes kapacitu Cp1, ale vzhledem k dokonalé vodivosti desky 3-4 není ve smyčce 3-2-4 žádný zdroj napětí a tedy na odporu R není žádný rušivý signál od zdroje Up.

Obrázek 9.217: Kapacitní přenos z bodu A do bodu B, není-li mezi těmito body stínění

Obrázek 9.218: Přenos napětí z bodu A do B, je-li mezi těmito body stínění nespojené s kostrou


327

V praxi ovšem stínění není realizováno nekonečně velkou vodivou deskou a z toho plynou různé problémy. Obr. 7.217 a 7.218 ilustrují vliv reálného stínění. Přenos rušivého napětí parazitním kapacitorem Cp na obr. 7.217 je dán funkcí kapacitního děliče. Pro snížení rušivého napětí Up je třeba zmenšovat kapacitu Cp a zvětšovat kapacitu CB.

Obrázek 9.219: Účinek stínění spojeného s kostrou

Jestliže umístíme mezi body A a B kovové stínění (obr. 7.218) nepropojené se zemnící svorkou, rozdělí se původní parazitní kapacita na dvě kapacity C1 a C2 zapojené v sérii, ke kterým je paralelně připojena nevelká zbytková kapacita Cp. Přenos rušivého napětí bez uvažování zbytkové kapacity Cp je dán vztahem: Up Ur

=

C1C2 (C1 + C3 )(CB + C2 )

(19)

Ze vztahu (19) vyplývá, že se parazitní přenos napětí může snížit, ale i zvýšit ! 1. Je-li stínění instalováno tak, aby jeho kapacita byla proti bodu A velká a proti kostře malá, tzn., je-li kapacita C1 podstatně větší než kapacita C3, potom napětí na stínění je přibližně rovno napětí v bodu A. Jelikož kapacita C2 bývá vždy větší než kapacita Cp, je napětí Up po instalaci stínění větší než před instalací a stínění je neužitečné, ba škodlivé. 2. Je-li stínění instalováno tak, že jeho kapacita C3 proti kostře přístroje je velká, je napětí po instalaci stínění menší než bez stínění. Stínění se stává účinné se zvětšováním kapacity C3. Zvětšování kapacity C3 nade všechny meze je ekvivalentní zkratu mezi stíněním a kostrou (obr. 34). Jestliže neuvažujeme zbytkovou parazitní kapacitu Cp mezi body A a B, je napětí Up rovno nule a stínění, znázorněné na obr. 7.219, dává ideální stínící účinek. Ve skutečnosti není napětí Up rovno nule, nýbrž je určeno výrazem U p = Ur

C ′p C ′p + C2 + CB

≈ Ur

C ′p C2 + C B

(20)

ze kterého plyne, že napětí Up je podstatně menší než před instalací stínění, neboť kapacita Cp je podstatně menší než kapacita Cp. Podstatného zlepšení stínění tedy dosáhneme uzemněním stínění. Fyzikální smysl stínícího účinku kovového stínění, spojeného s kostrou přístroje, je ve zkratování velké části parazitních kapacit mezi odstiňovanými body na kostru.

328


Zajímavé situace je uvedena na obr. 7.220. V blízkosti bodů A, B je umístěna deska z vodivého materiálu (obvykle víko). Z uvedeného obrázku vyplývá, že se podstatně zvětší parazitní přenos, je-li tato vodivá plocha neuzemněna a také hodnota C3 je malá. Naopak, když tuto desku uzemníme, projeví se příznivě její stínící účinek. Tehdy jsou kapacity C1 a C2 spojeny s kostrou a napětí v bodě B je určeno poměrem kapacity Cp k součtu kapacit Cp + C2 + CB. Protože Cp je menší než Cp a součet Cp + C2 + CB je větší než součet Cp + CB, je zřejmé, že víko, spojené s kostrou, dává určitý stínící účinek, bez zřetele na to, že není umístěno mezi body A a B. Stínící účinek může být dosti velký, je-li víko umístěno v blízkosti uvažovaných bodů. Různým účinkem kovového stínění, spojeného s kostrou nebo od ní izolovaného, lze vysvětlit jev známý z praxe, a to, že přiblížení ruky k odkrytým spojům zvětšuje nežádoucí přenosy a v zesilovačích vede často ke kmitání nebo k deformaci křivky propustnosti. Přibližujeme-li ruku ke spojům a současně i ke kostře, oscilace se zmenšují a často vůbec vysadí. Je zřejmé, že ruka nahrazuje kovové stínění, které, není-li spojeno s kostrou, zvětšuje vazbu mezi různými body spojů a při spojení s kostrou vazbu zmenšuje.

Obrázek 9.221: Vliv indukčnosti stínění s kostrou Z vyložených fyzikálních jevů, které jsou základem stínění elektrického pole, vyplývá, že aby bylo stínění účinné, je třeba dodržovat několi zásad: 1. Všechny vodiče přenášející signál mají být uvnitř stíněného prostoru. 2. Stínění musí být připojeno ke společné svorce zapojení. Je-li signál spojen jednou svorkou se zemí, musí být i stínění spojeno se zemí. Důvod byl již vysvětlen (obr. 7.218). Praktický příklad je na obr. 7.222. Rušivé napětí se na stínění projeví dělené v závislosti na poměru kapacit C13 a C23. Stínění S toto napětí přenáší přes kapacitu C34 do vstupu obvodu. Stínění je málo účinné. Zkratujeme-li C13 spojením bodů 1 a 3, odstraníme průnik rušení přes kapacity C13 a C34. Na jakosti spoje stínění s kostrou závisí stínící účinek. Spoje

Obrázek 9.222: Neuzemněné plovoucí stínění má omezený stínící účinek Obrázek 9.223: Každé stínění má být uzemněno v jednom referenčním bodě: a) připojení stínící krabičky na společný referenční potenciál v bodě 1, b) správné připojení stínění souosého kabelu


329

mezi stíněním a kostrou nesmějí být dlouhé. Impedance takového spoje (obr. 7.222) roste s kmitočtem a svý účinkem odpovídá zmenšování kapacity C3 na obr. 7.218 a obr. 7.220. V pásmu krátkých vln a zvláště vln metrových i kratších mohou spoje dlouhé několik centimetrů podstatně zhoršit stínění přístroje. 3. Úzké štěrbiny a otvory v kovové přepážce nezhoršují stínění elektrického pole, pokud jsou malé ve srovnání s délkou vlny. Štěrbiny a otvory změní totiž kapacity Cp, C2 a CB (viz obr. 7.219 a 7.220), jimiž je určeno napětí v bodě B, pouze nepodstatně. 4. Účinnost stínění elektrického pole nezávisí na tloušťce stínění, neboť stíněním prochází jen malý proud. Jak je vidět na obr. 7.219, proud procházející obvodem ASK je určen impedancí kapacity C1, která je při dobrém spojení stínění s kostrou mnohem větší než odpor stínění a odpor kostry. Stínění obvodů rozdělených na několik sekcí Obzvlášť pečlivě je třeba řešit konstrukci vík, která současně přikrývají několik stíněných sekcí. Nechť jsou (viz obr. 7.224) A, B, C, D, čtyři sekce, vzájemně stíněné přepážkami, se společným víkem, které má na svém obvodu dobrý kontakt v bodech 1 a 6. Při sejmutém víku (obr. 7.224a) jsou zdroje rušení, označené V a umístěné v sekcích A a B, vázány s přijímači rušení v sekcích C a D parazitními kapacitami C1, C2, C3 a C4. Při nasazeném víku (obr. 7.224b) mají body V a W proti víku kapacity C1, C2, C3 a C4. Při práci na poměrně nízkých kmitočtech, při nichž vlastně nemá vliv ani indukční víka, ani přechodový odpor v kontaktech 1 a 6, jsou kapacity C1 až C4 spojeny s kostrou - víko odstraňuje parazitní přenosy.

Obrázek 9.225 Náhradní schéma parazitního přenosu, zprostředkovaného víkem

Obrázek 9.224: Parazitní vazba způsobená společným víkem

Obrázek 9.226: Víko spojené s přepážkou kontaktními pružinami odstraní parazitní vazbu jen částečně

330


V pásmu vysokých kmitočtů a zvlášť při velmi vysokých kmitočtech jsou i při stínění víkem body V a W vázány kapacitami C1 až C4 a induktivním děličem, tvořeným víkem. Např. (obr. 7.224b) zdroj rušení v sekci A je spojen s přijímačem rušení v sekci C tak, jak ukazuje náhradní schéma na obr. 7.225. Protože kapacity C1 až C4 jsou mnohem větší než kapacity C1 až C4 může se snadno stát, že montáž víka parazitní vazbu nejen nepotlačí, nýbrž dokonce zvětší. Aby tento případ nemohl nastat, montují se na víko kontaktní pružiny zprostředkující dotyk víka s přepážkami. Takové řešení má však mnoho nevýhod, především: a) možnost deformace kontaktních pružin při montáži víka, b) nutnost přesné polohy přepážek a kontaktních pružin, aby bylo zaručeno jejich spojení, c) nutnost použít speciální, dobře pružící materiály, d) neúplné odstranění parazitní vazby, neboť část víka mezi body A a B má menší odpor než přechodové odpory čtyř kontaktů (obr. 7.226). Tyto nedostatky nemá řešení, znázorněné na obr. 7.224d, neboť každá sekce je zakryta vlastním víkem. Navíc toto provedení není tak náročné na dokonalost kontaktu kolem celé stíněné sekce; postačí, má-li víko kontakt alespoň v několika bodech. Je-li bezpečně známo, že zdroje rušení jsou v sekcích A a B a přijímače rušení v sekcích C a D, nebo že vazba mezi určitými úseky není tak nebezpečná jako mezi úseky jinými, lze konstrukci zjednodušit a použít víka společného pro dvě, event. i více sekcí, jak znázorňuje obr. 7.224e. 8.10.7 Stínění síťových transformátorů

Převážná část elektronických zařízení je napájena síťovým napětím. Po síti se však šíří nejen napájecí napětí, nezbytné pro provoz všech zařízení, ale i poruchy a rušivé signály. Elektronické zařízení obvykle obsahuje síťový transformátor, který má mezi primárním a sekundárním vinutím kapacitu řadu desítek až stovek pF. Tato kapacita je možným vstupem rušení do zařízení. Omezit její vliv můžeme síněním. Obvyklé stínění spočívá v tom, že mezi primár a sekundár vložíme měděnou fólii, spojenou s kostrou. Aby stínící fólie netvořila závit nakrátko, vkládá se pod ni v místě přesahu proužek izolačního papíru. Otevřený závit z měděné fólie můžeme nahradit jednou vrstvou drátu na jednom konci spojenou s kostrou. Toto stínění umožňuje zmenšit kapacitu mezi vinutím na méně než 10 pF. Dále lze kapacitu zmenšit o 1 až 2 řády dokonalejším provedením stínicích krytů okolo vinutí. Pozor, stínění nesmí tvořit závit nakrátko, aby neovlivňovalo magnetické vlastnosti transformátoru, ale pouze zmenšovalo kapacitní vazbu mezi vinutími. Na obr. 7.227 je přístroj v kovové skříni, se stíněním a jádrem síťového transformátoru spojenými se skříní. Sekundární napětí U12 vyvolá přes kapacitu C23 proud smyčkou 1-2-3-4-5-6-7-1. Rušivý proud protéká spolu se signálem vodičem 6-1, což nelze připustit. Zkusme proto stínění 3 zapojit do bodu 1, aby rušivý proud protékal pouze smyčkou 1-2-3-1 (obr. 7.227). V tomto případě se však projeví kapacita mezi primárním vinutím a stíněním a proud protéká smyčkou 9-8-3-7-6-9 (a společně se signálem vodičem 7-6). Ani tento případ není příznivý. Optimální výsledky dává užití dvou stínění, které se užívá u citlivých přístrojů (obr. 7.228). Rušivé proudy protékají smyčkami 1-2-3-4-5 a 6-7-8-9-6 mimo vodiče, kterými prochází signál.


331

Obr. 7.227. Transformátor může do přístroje přenášet rušení ze sítě. Použijeme-li jedno stínění, prochází napětí ze sekundárního obvodu 1-2 přes kapacitu C23 do stínění a smyčka se uzavře signálovým vodičem 6-7. Ani připojením stínění do bodu 1 neodstraníme průchod nežádoucího signálu signálovými vodiči

Obr. 7.228. Použití dvou stínění odstraní možnost pronikání parazitního rušení přes síťový transformátor 8.10.8 Současné stínění magnetického a elektrického pole

Srovnáme-li stínění magnetického a elektrického pole, jsou proudy procházející stíněním následkem magnetického pole mnohem větší než proudy vyvolané polem elektrickým. Proudy vyvolané ve stínění magnetickým polem tekou jenom v povrchových vrstvách stínění s velmi malým odporem, zatímco proudy vyvolané elektrickým polem pronikají vždy kapacitou mezi stíněním a stíněným obvodem, která je poměrně malá. Účinnost elektrického stínění je téměř výlučně dána stykem (odporem spoje) stínění s kostrou přístroje. Při stínění magnetického pole nemá spoj stínění s kostrou vliv na indukované proudy, a tím ani na účinek stínění. Změna kmitočtu nemá vliv na funkci elektrického stínění. Stejně tak má zanedbatelný vliv měrná vodivost materiálu, ze kterého je stínění vyrobeno. Magnetické stínění je zcela závislé na kmitočtu. Čím je kmitočet nižší, tím je magnetické stínění méně účinné, a tím musí mít tlustší stěny, aby bylo dosaženo stejného magnetického stínění.

332


Obrázek 9.229: Povrchový proud na ploše ideálního vodiče, protékaného střídavým proudem

Obrázek 9.230:

Obrázek 9.231:

Obrázek 9.232:

Obrázek 9.233:


333

Pro dobré stínění je třeba uvážit tato hlediska: 1. V ideálním vodiči (tj. ve vodiči s nekonečně velkou vodivostí nebo nulovým odporem) nemůže být ani elektrické, ani magnetické pole. Obr. 7.229 znázorňuje desku z ideálně vodivého materiálu, na kterou je přiloženo střídavé napětí. Proud teče jen po povrchu a nebude vnikat do průřezu vodiče, přesto, že cesta po povrchu je delší. Reálným vodičem s konečnou vodivostí prochází proud i jeho průřezem, přičemž dovnitř vodiče hustota proudu klesá. Čím je kmitočet vyšší, tím více se blíží reálný vodič vodiči ideálnímu. 2. Vedeme-li otvorem v desce z ideálně vodivého materiálu vodič (obr. 7.230), jímž prochází střídavý proud, vybudí se na desce povrchové proudy takové, že součet proudů protékajících po průřezu otvoru je roven nule. Na tento poznatek nesmíme zapomínat při návrhu přepážek, dělících stíněný prostor na dva úseky (obr. 7.231). V takovém stínění vznikají bludné proudy a způsobují rozdíl potenciálů mezi jednotlivými body stínění. 3. Je-li vložena do cesty časově proměnnému magnetickému toku deska z ideálního vodiče s otvorem (obr. 7.232), musí být celkový magnetický tok, procházející otvorem, roven nule. Malé otvory téměř nezhoršují jakost stínění, neboť magnetické pole může být zjištěno jen v blízkosti otvoru, jak to odpovídá obr. 7.232. Dlouhé úzké štěrbiny, přípustné v elektrickém stínění, jsou v magnetickém stínění nebezpečné svým zářením, pokud jsou kolmé na směr vířivých proudů. Při stínění složitějších elektrických obvodů, v nichž jsou magnetické toky orienovány nejrůznějším způsobem, se dlouhým štěrbinám vyhýbáme vůbec (obr. 7.233). Je proto žádoucí spojit díly stínění dobře navzájem a s kostrou tak, aby možné štěrbiny nebyly delší než 0,25 až 1 % vlnové délky. Dobré propojení dílů stínění je žádoucí i z hlediska stínění elektrického pole. Jakost stínění závisí na propojení jednotlivých dílů stínění. 8.10.9 Stínění vodičů

V praxi je velmi častá otázka stínění vodičů. V okolí vodiče, kteým protéká střídavý proud (obr. 7.234), vzniká časové proměnné pole elektrické a magnetické. Tato pole mohou v součástkách v blízkosti vodiče indukovat rušivé napětí. Stínění musí být spojeno se zemí v jednom bodě. Elektrické pole se koncentruje do prostoru mezi vodičem a stíněním, vně stínění pole nebude. Současně se však značně zvětšuje kapacita proud, procházející smyčkou generátor-vodič-stínění-kostra-generátor, mimo užitečnou zátěž Zz.

Obrázek 9.234: Aby byl prostor mimo stínění úplně chráněn proti účinkům uvažovaného elektrického pole, musíme stínění spojit s kostrou velmi pečlivě, neboť tímto spojem prochází značný kapacitní proud. Tento spoj nesmí mít libovolnou délku, stínění se musí přímo připájet nebo i přivařit ke kostře (obr. 7.235). Stínění spojené v jednom bodě s kostrou však nezbavuje okolí vodiče magnetického pole. (viz později).

334


Obecné zásady pro elektrické stínění je třeba doplnit následujícími poznatky vztahujícími se ke stínění vodičů (číslování navazuje na str.234 ): 3. Stínění má být připojeno k referenčnímu potenciálu na straně zdroje signálu, viz obr. 7.223. 4. Stínicí vodič nemá být používán současně jako vodič signálový. Správné propojení je na obr. 7.236. Společný vodič signálového obvodu je 4-5. Stínění S je spojeno souosým kabelem přes 2-6-1 s referenčním bodem 1 zapojení na vstupu. Proud ze zdroje rušení ur prochází obvodem 3-2-6-1-3 a nemůže na společném vodiči 4-5 signálového obvodu vyvolat žádný úbytek napětí. Kdyby však nebyly dodrženy zásady stínění (např. při spojení 2 a 5), pak by proud ze zdroje rušení procházel i signálovým vodičem 4-5 a vyvolal by na něm nežádoucí úbytek rušivého napětí. Obrázek 9.235: 5. Skládá-li se stínění z několika po sobě následujících částí, musí být jednotlivá stínění propojena za sebou a spojena se společnou svorkou pouze v jednom bodě (obr. 7.237). 6. Přicházejí-li na vstup zařízení signály z několika nezávislých zdrojů, je třeba pro každý z nich použít nezávislé stínění, připojené na referenční potenciál příslušného zdroje, obr. 7.238, i když mezi společnými svorkami jednotlivých zdrojů může být rozdíl potenciálů UCM. 7. Stínění má být spojeno s referenčním potenciálem jen v jednom bodě (obr. 7.236 a 7.239). 8. Stíněním nemá protékat proud. Mohl by indukovat napětí ve vodičích stíněného prostoru. 9. Na stínění nemá být napětí proti referenční úrovni. Vázalo by se kapacitně do stíněného prostoru (obr. 7.240). 10. Je třeba pečlivě pověřit, kudy se uzavírá dráha pro rušivý signál mezi stíněním a zemí. Obr. 139 ukazuje nevhodný způsob spojení stínění dvou systémů, analogového a číslicového, se zemí. Je-li např. na výstupu číslicového obvodu TTL skok napětí 5 V, výstupní odpor hradla 13 W, kapacita souosého vodiče mezi vnitřním vodičem a pláštěm 470 pF a spojení tohoto vodiče se zemí 1-2 má např. odpor 0,1 W a indukčnost 0,1 mH, pak v bodě 2 se překlopení hradla projeví tlumenými kmity o kmitočtu 7,3 MHz s počáteční amplitudou 5 V. Náhradní zapojení obvodu je na obr. 140.

Obrázek 9.236:

Obrázek 9.237:


335

Uvedené zásady pro stínění se nesmí aplikovat mechanicky. Každý případ je třeba analyzovat a najít optimální řešení na základě pochopení vlastností a činnosti obvodu.

Obr. 7.238. Má-li zařízení několik vstupních signálů, má být každé stínění připojeno na referenční potenciál příslušného zdroje

Obr. 7.239. Stínění nesmí být spojeno se zemí v několika bodech. Nestejností referenčních potenciálů by tekl stíněním proud, který by přenesl rušení do stíněného obvodu

Obr. 7.240. Vyskytne-li se na stínění napětí, působí přes kapacity do stíněného prostoru

Obr. 7.241. Nevhodným spojením různých stínění může do stíněného prostoru pronikat rušivý signál

Obr. 7.242. Náhradní zapojení pro příklad podle obr. 7.241

336


Obr. 7.243. Příklad k diskuzi hledání správné možnosti připojení stínění

Příklad řešení je na obr. 7.243. Je na něm neuzemněný zdroj u1, který má proti zemi rušivé napětí ur1 a měřicí systém s diferenčním vstupem (uA a uB), spojený se zemí (např. přes síťovou šňůru při přístroji v bezpečnostní třídě I). Parazitní kapacity jsou označeny C1, C2, C3 a C4. Stínění propojovacího kabelu můžeme připojit čtyřmi způsoby: A - se společnou svorkou 2 na straně měřidla, B - se zemní svorkou 6 na straně měřidla, C - se zemní svorkou 5 na straně zdroje, D - se společnou svorkou 1 na stran zdroje. Všechny čtyři případy jsou na obr. 7.244 V případě A prochází rušivý proud z ur1 přes 1-2-3-C4-5 v úseku 1-2 společně se signálem. Varianta A je nevhodná. Při variantě B - ur1 a ur2 v sérii se vytváří přes C3, C1 a C2 rušivé napětí u1,2; C - má obdobné účinky jako případ B; D - je optimální varianta.

Obr. 244. Náhradní zapojení k obr. 7.243


337

8.10.10 Stínění vodičů proti vlivu magnetických polí

Stínění vodičů proti vlivu magnetických polí je podstatně obtížnější než stínění proti vlivu elektrických polí. Pro stínění magnetického pole musíme vytvořit pole stejné intenzity a opačného smyslu. Proto vedeme do generátoru zpětný proud, který v uspořádání na obr. 7.234 a 7.235 prochází kostrou přístroje, stíněním vodiče. Tehdy magnetický tok Fv, vybuzený proudem Iv, procházejícím vodičem, je roven magnetickému toku Fs, vyvolanému proudem Iv, procházejícím stíněním, takže v libovolném bodu v okolí stíněného vodiče je splněna podmínka: Φv − Φ s = 0 (21) Aby tato podmínka byla splněna skutečně všude, musí být stínění jediným spojem mezi kostrou generátoru a kostrou zátěže (obr. 7.245).

Obrázek 9.245: Na nízkých kmitočtech může další spojení obou koster (obr. 7.246) stínící účinek částečně porušit, neboť část zpětného proudu prochází mimo stínění.

Obrázek 9.246:

338

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Na vysokých kmitočtech prochází zpětný proud především po vnitřní ploše stínění (povrchový jev, obr. 7.247) a exponenciálně klesá směrem k vnějšímu povrchu. Čím je kmitočet vyšší, tím menší je hloubka vniku proudu do stínícího pláště a tím méně se uplatňuje vliv zkratování stínění. Je-li hloubka vzniku d0,01 menší než tloušťka stěny stínění, prochází po vnějším stínění méně než 1 % celkového proudu. Tento proud vytvoří mezi kostrami přístrojů tak malý Obrázek 9.247:

potenciální rozdíl, že zkratování stínění lze pro kmitočty nad 10 MHz zanedbat. Před použitím stíněných vodičů musíme uvážit jejich některé zvláštnosti, které mohou vést k porušení normální funkce přístroje. Použití stíněných vodičů značně zvětšuje kapacitu vodiče proti kostře, což bývá mnohdy nežádoucí (např. v nf technice nesmí být vstupní odpor zesilovače příliš velký, aby nedošlo k omezení vyšších akustických kmitočtů). Stíněné vodiče mají větší průměr, špatně se s nimi zachází při montáži a musíme je chránit před nahodilými dotyky s jinými součástkami. Stíněný vodič musí být kratší než čtvrtina délky vlny přenášeného signálu s nejvyšším kmitočtem (při respektování činitele zkrácení vodiče). Není-li tato podmínka splněna, nelze na stínění pohlížet jako na zvětšení kapacity a stíněný vodič musíme považovat za souosé vedení. Stíněný vodič nebývá ovšem tak precisně vyroben, aby měl konstantní vlnovou impedanci. Značného zmenšení vnějších magnetických polí lze bez použití stíněných kabelů dosáhnout použitím dvouvodičového vedení. Dva vodiče se vzájemně definovanou polohou (tzv. dvoulinka) mají snížené vyzařování a tzv. kroucená dvoulinka se osvědčuje při vnějším rušivém poli.

Ekvipotenciální stínění Připojíme-li na stínění potenciál stejný, jako má chráněný vodič ve stíněném prostoru, napájený ze zdroje s malou impedancí, získáme cenné výhody. Zmenší se proud izolační vodivostí stínění, čehož lze využít při návrhu obvodů s velkou vstupní impedancí. Na obr. 7.248 je stíněný obvod s velkým vstupním odporem. Použijeme-li pro oddělovací zesilovač Z1 zesilovač s FET na vstupu a velkým vstupním odporem, např. MAC 155, závisí celkový vstupní odpor ve značné míře na izolaci, čistotě, teplotě a vlhkosti vstupního kabelu a desky s plošnými spoji, na níž je zesilovač umístěn. Vstupní odpor obvodu se vlivem nedokonalé izolace zmenšuje a není stabilní. Vstupní kapacita je zvětšena o kapacitu mezi jádrem a pláštěm použitého souosého vodiče. Podstatně jiná situace nastane, připojíme-li okolí neinvertujícího vstupu zesilovače a vstupní kabel na stejné napětí, jaké je na vstupu - obr. 7.249. Toto napětí je k dispozici na vývodu zpětné vazby na invertující vstup. Mezi středním vodičem a stíněním kabelu v tomto případě není napětí, to znamená, že neteče proud a podstatně se tedy zvětší vstupní odpor. Obdobně se zmenší vstupní kapacita. Parazitní vlastnosti jsou podstatně potlačeny. Protože připojením se zvětšila kapacita paralelně k R2 (obr. 7.249), je vhodné dělič R1 a R2 kompenzovat kondenzátorem paralelně k R1.


Obrázek 9.248:

Obrázek 9.250:

339

Obrázek 9.249:

Obrázek 9.251:

Na aktivním stínění se nesmí projevit rušivé napětí z vnějšího elektrického pole. Dobrého stínicího účinku vůči vnějšímu elektrickému poli je možno dosáhnout, má-li zdroj pomocného napětí, na něž je stínění připojeno, malý vnitřní odpor. Na obr. 7.250 je např. jako pomocný zdroj pro stínění použít "rychlý" oddělovací stupeň s malým výstupním odporem. Jinou možnost je použít další vnější stínění (obr. 7.251). Vnitřní stínění působí jako aktivní ekvipotencionální stínění, vnější stínění chrání vnitřní stínění vůči účinkům vnějšího rušivého pole.

340


9 SPOLEHLIVOST ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ V době před druhou světovou válkou si nikdo nedělal větší starosti s problémem spolehlivosti. Dosahovaná spolehlivost součástek byla řádově lambda = 10-2až 10-3. To dobře dostačovalo pro radiopříjímače, které měly cca 100 součástek a při požadované (nebo přijatelné) střední době mezi poruchami několik set hodin tato spolehlivost stačila. Nejnižší byla spolehlivost elektronek (proto byly pro zajištění jejich snadné výměny v paticích). Výměna elektronky byla nejběžnější opravou té doby. Pro ilustraci jsou na obr. 8.1 přehledně uvedeny poruchy zjištěné na 500 opravovaných elektronkových přijímačích v r. 1953 a na stejném počtu opravovaných tranzistorových přijímačích začátkem sedmdesátých let [ST 4/1975:145].

Obrázek 10.1 Spolehlivosti začala být věnována větší pozornost s nástupem radiolokátorů a televize. Řádové zvýšení počtu součástek vedlo k poklesu střední doby mezi poruchami na desítky, maximálně na stovky hodin. Spolehlivost jako obor se začala vytvářet od začátku padesátých let v USA. Velká pozornost se věnovala zejména zkouškám životnosti a problémům spolehlivosti elektronických zařízení a raket. Na rozvoji se podíleli jak matematikové, tak inženýři v průmyslu. Co všechno zahrnuje oblast spolehlivosti poměrně velmi dobře ukazuje původní zadání skupiny pro sledování spolehlivosti vojenských elektronických zařízení v USA v roce 1952: - získávání dat o spolehlivosti zařízení a součástek z provozu - vývoj nových spolehlivějších součástek - návrh metod umožňujících stanovit spolehlivost zařízení i součástek - provádění spolehlivostních testů před zahájením sériové výroby - zřízení stálé skupiny jako organizátora těchto prací Specializace a podrobnější výzkum charakterizovaly rozvoj oboru spolehlivost v šedesátých letech. Objevy poruchových mechanismů a procesů vedly ke vzniku tzv. fyziky poruch. Významného zlepšení spolehlivosti součástek se dosáhlo vyvinutím integrovaných obvodů. V sedmdesátých letech pokračuje zvyšování spolehlivosti elektronických součástek v důsledku zvyšujícího se stupně integrace. Objevuje se vliv jevů, které měly dříve malý


341

význam pro spolehlivost - elektrostatického výboje a vliv částic alfa. Sleduje se odolnost součástek vůči elektromagnetickým interferencím, které vznikají hlavně vlivem činnosti blízkých výkonových součástek. V období začátku kosmických letů byly vyvinuty řídicí systémy a počítače s velmi vysokou spolehlivostí dosahovanou především několikanásobným zálohováním. Vzniká třída počítačů odolných vůči poruchám. Klesající cena integrovaných obvodů vedla postupně k tomu, že konstrukční principy takových systémů se uplatňují i v jiných oblastech, především v systémech pro vojenské účely i v některých systémech civilních. Velmi perspektivní jsou systémy, ve kterých je zavedeno samočinné testování jednotlivých částí. Předmětem výzkumu je také spolehlivost programových prostředků. Jiný směr inženýrské spolehlivosti je zaměřen na analýzu stromú poruch, hlavně v souvislosti s vyšetřováním bezpečnosti jaderných elektráren. Návrh a výroba spolehlivých zařízení úzce souvisí s ekonomickou stránkou. Zvyšování spolehlivosti znamená zvětšování nákladů na zařízení, což se projeví jednak na ceně a mělo by se projevit úsporami při provozu (nebo jinak). Cena výrobku je tedy dána i požadovanou (zaručovanou) spolehlivostí. K ilustraci použijeme vztah mezi nárůstem ceny za součástku a nárůstem její spolehlivosti. Uvažujme integrovaný obvod LSI v pouzdru z umělé hmoty, který stojí 1 dolar. Tentýž obvod, ale se zlepšenou a zaručovanou spolehlivostí - po zahoření a v keramickém pouzdru - stojí nejméně o dva řády více, asi 100 dolarů. Při použití tohoto obvodu pro kosmický program stojí o další řád více, tedy asi 1000 dolarů. Nárůst ceny o cca tři řády znamená vzrůst spolehlivosti o asi dva řády. Podobně rostou i ceny celých zařízení. Základní metodou analýzy spolehlivosti výrobků je systémový přístup. Znamená to, že na začátku analýzy se uvažují všechny možné informace o systému, které mohou spolehlivost ovlivnit. Kromě parametrů určujících vlastnosti a chování prvků a podsystémů a jejich vzájemných vazeb se uvažují možné změny těchto parametrů, účinky prostředí na systémy, působení vstupních veličin systému a případně další činitele. Vždy by se také měly uvažovat vlivy člověka, konstruktérů při návrhu, dělníků při výrobě, operátorů a údržbářů při provozu, uživatelů systémů a dalších lidí, kteří mohou stav a provoz systému ovlivnit. V průběhu další analýzy se působení některých činitelů neuvažuje, ale jejich existence má být stále v patrnosti. Z podstatných vlivů a závislostí se potom vytváří model poruch systému, popřípadě strom poruch jako grafické vyjádření soustavy logických rovnic. Dosud je rozšířena mylná představa, že otázku zvyšování spolehlivosti je možné řešit jednorázovými opatřeními nebo vytýčením za tím účelem krátkodobých úkolů (např. znásobením kontrolních opatření či zpřísněním dohledu kontrolních pracovišť na výrobu). Není doceněna potřeba větších investic v této oblasti. Ani sledování spolehlivosti není na potřebné úrovni, proto se nedostává potřebných zpětnovazebních informací nutných pro řízení procesu zvyšování spolehlivosti. Zvyšování spolehlivosti je technický, ekonomický a organizační problém. Vždy to musí být trvalý proces v rámci programu zvyšování kvality výrobku. Přitom jde o kompromis mezi v dané chvíli možným optimálním stavem technických a organizačních prostředků a opatření a výší dostupných finančních prostředků na tento účel. Zvyšování spolehlivosti nelze kvalitně řešit jinak než důsledným uplatněním systémového přístupu při návrhu, výrobě a provozu objektu. Řešení je nutné optimalizovat současně z hlediska technického, ekonomického a organizačního. Především je nutné na všech stupních zlepšit pracovní kázeň, především technologickou kázeň. Heslo firmy SPEA zní: Spolehlivost není dílem štěstí a náhody, ale souhrnem příčin a následků.

342


9.1

Základní pojmy

Spolehlivost má jako každý obor zavedené pojmy, názvosloví a standardní metody, které jsou pro použití v technické praxi normalizovány. Jde především o tyto normy: ČSN 01 0102 Názvosloví spolehlivosti v technice IEC 271 List of basic terms, definitions and related mathematics for reliability ČSN 01 0101 Názvosloví z oboru řízení jakosti EOQC (Evropská organizace pro řízení jakosti): Glossary of terms used in Quality Control 1. Jakost je souhrn vlastností výrobku, které charakterizují jeho schopnost uspokojovat požadované funkce v souladu s jeho určením. Jakost zahrnuje dílčí vlastnosti: technické a funkční vlastnosti, spolehlivost, technologičnost, materiálová a energetická náročnost, vlastnosti ergonomické, estetické, ekologické, bezpečnost, normalizace a unifikace a případné další. 2. Spolehlivost je obecná vlastnost výrobku (souhrn vlastností) spočívající ve schopnosti plnit požadované funkce v definovaných podmínkách využití. Spolehlivost zahrnuje dílčí vlastnosti: bezporuchovost, životnost, opravitelnost, udržovatelnost, skladovatelnost, popř. přepravitelnost, a to jednotlivě nebo v souhrnu

Obrázek 10.2


343

těchto vlastností (pro konkrétní výrobky a konkrétní podmínky jejich využití mohou být tyto vlastnosti různě důležité). Kvantitativně (číselně) se spolehlivost vyjadřuje prvděpodobnostními charakteristikami a parametry, např. pravděpodobností bezporuchového provozu. Dříve se užívala užší definice spolehlivosti: Spolehlivost je pravděpodobnost, že činnost zařízení bude během určené doby a v daných provozních podmínkách přiměřená účelu zařízení. Z dnešního pohledu jde o jednu z charakteristik spolehlivosti: pravděpodobnost bezporuchového provozu. Shrnutí: Jakost = souhrnná vlastnost dílčí vlastnost (vzhledem k jakosti) Spolehlivost = souhrnná vlastnost - nebo dříve: pravděpodobnost ... tj. užší pojetí - a také název technického oboru, který bychom mohli dále dělit na Spolehlivost inženýrskou (technickou) a Spolehlivost matematickou

3. Porucha je úplná nebo částečná ztráta schopnosti provozu výrobku (kritéria poruchy se stanoví technickou dokumentací). Třídění poruch: - podle povahy vzniku: náhlé a postupné - podle vlivu na provozuschopnost: úplné a částečné - podle kombinovaného hlediska: - havarijní (katastrofální) = náhlá a úplná - degradační = postupná a částečná - podle příčin: náhodné a závislé - podle výskytu v čase: časné poruchy poruchy dožitím poruchy ve středním období života výrobku - podle doby trvání: trvalé a občasné

344


9.2

Rozbor křivky intenzity poruch

Charakteristický průběh intenzity poruch l(t) ukazuje tři charakteristické časové úseky poruchovosti výrobku (obr. 8.2).

Obrázek 10.3: V prvním časovém úseku je intenzita poruch značná a má klesající tendenci. Příčinou jsou skryté vady výroby. Nejde většinou o poruchy náhodné, je proto možné a také užitečné zjistit příčiny poruch, poněvadž mohou vést k úpravám ve výrobě. Tyto poruchy označujeme jako tzv. časné poruchy. K jejich výraznému snížení používáme ve výrobě tzv. zahořování. V druhém časovém intervalu (zpravidla od 200 do 2000 až 4000 hodin provozu) je intenzita poruch lambda zhruba konstantní a poruchy mají charakter náhodný, s těžko sledovatelnými příčinami. Pro tento časový úsek platí exponenciální zákon Rt (t ) = exp(− λ ⋅ t ) . Ve třetím časovém úseku stoupá intenzita poruch l(t) v důsledku opotřebení a zhoršování provozních vlastností. Jde o tzv. poruchy dožitím. Intenzita poruch závisí také na zatížení a na vnějších podmínkách. Příklad je na obr. 8.3. U vrstvových rezistorů je patrný vliv teploty a zatížení (jde o rezistor se jmenovitým zatížením 1 W). Podobně se mění intenzita poruch u kondenzátorů s přiloženým napětím a provozní teplotou.


10 TECHNICKÁ DIAGNOSTIKA ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ

345

A

OŽIVOVÁNÍ

Technická diagnostika je moderní metodou zjišťování technického stavu nejrůznějších objektů, s nimiž se setkáváme v technické praxi. Jak již naznačuje sám název diagnostika, převzatý z lékařství, je podstatou této metody nepřímé zkoumání objektu, založené na vyhodnocení jeho vnějších projevů, ať již během normální funkce, nebo v situaci, kterou experimentátor úmyslně vyvolal. To, že při využití diagnostických metod nemáme přímý přístup k jednotlivým součástkám (částem) zkoumaného objektu, se často zdůrazňuje též označením bezdemontážní (nedestruktivní) diagnostika, používaným zejména ve strojírenství. Hlavním cílem technické diagnostiky je náhrada intuitivního empirického přístupu k údržbě technických zařízení přístupem exaktním a systematickým, založeným na maximálním využití všech informací o zkoušeném objektu, které lze získat bez jeho rozebrání a detailního zkoumání jednotlivých částí nebo součástek. Tím se určení technického stavu objektu velmi usnadňuje a zlevňuje, takže můžeme technický stav stanovovat mnohem častěji (nebo na mnohem více objektech) než při použití demontážních a destruktivních metod, v mnoha případech i nepřetržitě. Navíc je možno na základě porovnávání hodnot sledovaných příznaků určit i tendenci dalšího vývoje technického stavu, konkrétně dobu, po kterou bude možno objekt ještě používat, případně okamžik, kdy bude nejvhodnější provést demontáž a opravu. Tím lze dosáhnou snížení nákladů na údržbu (diagnostické metody jsou všeobecně levnější než demontáže), a navíc vyššího stupně využití základních prostředků, zejména tam, kde by selhání za provozu mohlo vést k havárii, a tím i k velkým ztrátám.

10.1 Základní úlohy technické diagnostiky Obecný požadavek určení technického stavu objektu diagnostiky bývá v praxi přesněji formulován jako detekce nebo lokalizace poruchy. Úkolem detekce poruchy je pouze rozlišit poruchový a bezporuchový stav objektu, tedy rozhodnout, zda je objekt schopen dalšího provozu. Naproti tomu lokalizace poruchy má upřesnit místo poruchy, případně určit, o jaký poruchový stav jde. Lokalizaci provádíme tehdy, chceme-li objekt diagnostiky opravit. Proces detekce nebo lokalizace poruch nazýváme krátce diagnostikováním, jeho výsledkem je diagnóza. Diagnostikování je prováděno s použitím určitých technických a programových prostředků, případně s přispěním obsluhy. Diagnostikované zařízení a tyto prostředky tvoří diagnostický systém. V něm se realizuje diagnostický algoritmus, a to buď automaticky, poloautomaticky (v interakčním režimu) nebo ručně. Diagnostický algoritmus je sled elementárních úkolů charakterizovaných vstupní akcí (stimulací, zapnutím) a výstupní akcí (odezvou na vstupní akci v místech měření). Rozeznáváme testovací diagnostikování, kdy přivádíme na vstup objektu speciální podněty (stimulační signály), a funkční diagnostikování, kdy objekt pracuje normálně a pouze pracovní signály používané během normální činnosti objektu působí jako vstupní signály. Testovací diagnostikování zpravidla realizuje algoritmy jak pro detekci, tak pro lokalizaci poruch. Naproti tomu hlavním posláním funkčního diagnostikování bývá zpravidla detekce poruchy, protože tento způsob umožňuje detekovat poruchu velmi brzy po jejím vzniku. Funkční diagnostikování totiž nebrání normálnímu provozu objektu, takže může být prováděno nepřetržitě. Testovací diagnostikování lze v některých výjimečných případech též

346


provádět průběžně, avšak musíme vyhovět podmínce, že vstupní testovací signál nesmí rušit normální činnost objektu. Prostředky používané při realizaci diagnostických algoritmů můžeme rozdělit do dvou skupin, a to na vnější a vestavěné (vnitřní, vlastní). Při testovacím diagnostikování jsou převážně používány vnější prostředky, při funkčním diagnostikování naopak převážně vestavěné prostředky. Vnější diagnostické prostředky jsou obvykle víceúčelové nebo dokonce univerzální, protože se používají pro několik objektů (někdy dokonce pro několik typů objektů). Naproti tomu vestavěné prostředky jsou úzce specializované na jeden objekt, takže mohou být poměrně jednoduché, mohou mít malé rozměry a nízkou cenu. Projektování diagnostických systémů je podobné jako u měřicích, sledovacích a řídicích systémů. Je nutné, aby diagnostikovaný objekt byl studován jak z hlediska " fyzikálního " (např. zkoumání struktury materiálu, měření hodnot fyzikálních veličin), tak i z hlediska funkce, což zahrnuje zejména studium projevu možných poruch a jejich příznaků. Důležitou pomůckou je zde matematické modelování jak vlastního systému, tak i projevů poruch. Z detailní analýzy modelu potom vyplývají nezbytné úpravy vlastního objektu diagnostiky i diagnostických prostředků. Z hlediska teorie řízení můžeme stanovit vztahy mezi diagnostikou, měřením, monitorováním (sledováním) a řízením: a) Měření je proces experimentálního určení číselného vztahu mezi měřenou veličinou a její hodnotou vyjádřenou v dohodnutých jednotkách. b) Monitorování (sledování) je procesem získávání a vyhodnocování dat o stavu zařízení za tím účelem, aby byl určen okamžik počátku nějaké akce. c) Řízení je působení na řízený objekt s cílem vyvolat takové chování, které směřuje k dosažení předem stanovených cílů. Popsané tři činnosti lze hierarchicky uspořádat tak, že řízení v sobě zahrnuje monitorování a monitorování zahrnuje měření. Diagnostický systém je specifickým případem systému monitorování nebo řízení. Systém testovací diagnostiky je vždy řídicí systém s uzavřenou smyčkou. Objekt má na vstupu testovací signály a jeho odezvy jsou sledovány, na základě vyhodnocení těchto odezev volí člověk nebo počítač nové testovací signály, atd. Existuje tedy zpětná vazba spojující objekt s diagnostickými prostředky. Systém funkční diagnostiky je obvykle monitorovací: pouze sbírá z objektu informace a odhaduje technický stav objektu, např. porovnává jeho odezvy s očekávanými nebo správnými. Proto každý diagnostický systém vždy zahrnuje monitorování, zatímco měření je nutné tehdy, jestliže technický stav objektu, např. porovnává jeho odezvy s očekávanými nebo správnými. Proto každý diagnostický systém vždy zahrnuje monitorování, zatímco měření je nutné tehdy, jestliže technický stav objektu je určen minimálně jedním kvantitativním parametrem. Táž situace existuje v kterémkoli systému monitorování nebo řízení.

10.2 Diagnostika elektronických součástek a zařízení Jak již bylo uvedeno, problémy výrobního i servisního testování je nutno řešit současně s vývojem nového elektronického zařízení. Rozeznáváme čtyři (kontrolní) úrovně na kterých probíhá diagnostika (testování).


347

1. Diagnostika výchozích prvků: - měření a výběr součástek, - kontrola desek plošných spojů, - kontrola kabeláže (obecně propojovací sítě), jako jsou zadní propojovací panely (pletr, back panel), vany rošty, skříně. 2. Diagnostika desek plošných spojů osazených součástkami (tj. kontrola a oživení těchto desek; zde dochází již k průniku závad z jedné skupiny výchozích prvků do skupiny jiné), užívá se: - testování prvků v obvodu (in-circuit testing, inspekční testování), - funkční testování. 3. Diagnostika podsystémů a celého systému. (Zkušební zařízení pracuje na principu funkčního testování, bývá zcela jednoúčelové nebo mají nevelkou míru univerzálnosti, pouze zkušební zařízení řízená počítači mají širší použitelnost, když se pro každý typ zkoušeného zařízení vypracuje specifické programové vybavení, případně propojovací modul (adaptér).) 4. Diagnostika zařízení u odběratele (zákazníka). Jde o uvedení zařízení do provozu a následný servis zařízení. S postupující složitostí finálních zařízení rostou nároky na výrobní kapacity: přitom však nároky u diagnostických operací (oživování, zkoušení) rostou podstatně rychleji než u výrobních operací. Některé výrobní závody v ČR nyní stojí před problémem, jak zabezpečit růst kvality a užitné hodnoty své výroby. Při stávajících metodách oživování a zkoušení vyráběných zařízení by k tomu potřebovaly několikanásobky nynějších stavů svých pracovních sil, navíc s vyšší kvalifikací než dosud, což odporuje reálné situaci. Na určitou přechodnou dobu a při malých výrobních sériích mohou pomoci drobná racionalizační opatření, pečlivá volba technologie, důkladná technologická příprava výroby včetně měřicích přípravků, přístrojů a zařízení, nastavovacích a zkušebních předpisů atd. Zásadní řešení však přináší automatizace kontrolních operací. U elektronických zařízení byly totiž otázky zkoušení a kontroly jasné až do nástupu komplexních integrovaných obvodů, neboť bylo možno změřit jednoduše všechny parametry výrobku i ověřit všechny jeho funkce. Uplatnění mikroprocesorů, pamětí a obvodů velké integrace obecně vyvolalo však otázku co, kdy a jak zkoušet, pokud máme udržet náklady na kontrolní operace na ekonomicky přijatelné úrovni a přitom efektivně odstranit vady a nedostatky obvodů a zařízení před zahájením jejich provozu. K tomu přistupují otázky optimální metody vytřiďování vadných výrobků. Optimalizaci možno zde chápat buď vzhledem k nákladům při daném zvýšení kvality, nebo vzhledem k účinnosti třídění při daných nákladech. Přitom nutno počítat s tím, že o pravděpodobnosti odhalení vady či o existujícím mechanismu poruch máme k dispozici málo informací. 10.2.1 Testování a třídění integrovaných obvodů

Kontrolu integrovaných obvodů je nutno provádět podle jejich významu a vlivu na spolehlivost celého výrobku. U obvodů velké integrace (LSI) je podle zkušeností procento vadných výrobků 0,5 až 5 %. Zde se vyplatí stoprocentní přejímka, jak ukazuje obr. 9.1, kde

348


je uvedena závislost pravděpodobnosti vady P desky plošných spojů na počtu n integrovaných obvodů a procenta p vadných integrovaných obvodů. Zkušenosti ukazují, že žádná z používaných metod testování neposkytuje absolutní jistotu, a že zpravidla určitý počet vadných IO projde procesem testování, aniž by byl zjištěn a zjistí se teprve při testování osazených desek, případně ještě později (má to nepříjemný ekonomický dopad viz obr. 9.2). Obrázek 11.1: Vzhledem k rostoucímu počtu IO osazovaných na jedné desce má i malé procento vadných z celkového počtu použitých obvodů značný vliv na pravděpodobnou kvalitu desky. Např. u desek se 100 IO, u nichž se předpokládá 1 % vadných, je pravděpodobnost vyhovující kvality 0,99100 = 0,366, tedy pouze 37 %, tzn., že pravděpodobně pouze jedna ze tří desek bude vyhovující. Při stejné kvalitě IO, ale pouze s 50 ks na jedné desce je pravděpodobné, že jedna ze tří desek bude vadná. Možnost vadných IO, které projdou všemi kontrolami, závisí především na úrovni testovacích zařízení. Přitom úroveň testerů je přímo úměrná jejich ceně. Pro většinu uživatelů IO je ekonomicky efektivní používat testery s parametrickým a funkčním testováním, které zachycuje 95 % vadných IO. Obrázek 11.2: U některých uživatelů IO se uplatňuje i metoda namátkové kontroly, a to v případech, kdy se IO kupují podle tzv. přijatelné hladiny kvality (AQL). Např. při tomto způsobu vstupní kontroly má dodávka, ve které není více než 0,65 % vadných kusů, asi 95 % naději, že bude přijata. Při udávané kvalitě "2 % vadných" se šance na převzetí snižuje na 50 % a při "4,8 % vadných" pouze na 10 %. V případě, že jsou tyto hodnoty překročeny, se celá dodávka IO vrací výrobci a je nahrazena novou dodávkou, které podléhá stejné kontrole.


349

Současný trend směřuje ke stoprocentnímu testování. Rozhodnutí o použití namátkové nebo stoprocentní kontroly závisí na výsledku ekonomického rozboru. Především výrobce s vyšší potřebou IO má podstatně příznivější podmínky pro dosažení vysoké ekonomické efektivnosti testování než výrobce s nižší spotřebou. Přitom je nutno vzít také v úvahu, že větší výrobce má současně předpoklady pro dosažení kratší doby návratnosti prostředků vynaložených na nákup drahého testovacího zařízení, než je tomu u menšího výrobce, vybaveného méně nákladným testovacím zařízením. 10.2.1.1 Testování integrovaných obvodů U integrovaných obvodů sledujeme - stejnosměrné parametry, - dynamické parametry, - funkci obvodu (u logického obvodu je to logická funkce) a - ukazatele spolehlivosti. V rámci statistických parametrů provádíme test připojení přívodů (continuity test), měříme svodové proudy (leakage current), měříme výstupní napětí U0L, U0H, provádíme test šumové imunity, měříme odběr z napájecích zdrojů. Statické parametry se mají měřit při normální teplotě okolí a při obou mezních teplotách, aby byla zaručena činnost obvodu v celém rozsahu zaručovaných teplot. U složitých integrovaných obvodů se obvykle jednotlivé dynamické parametry měří pouze u laboratorních vzorků, protože měření může být velmi zdlouhavé a jeho automatizace nesnadná. U číslicových obvodů můžeme dynamické parametry rozdělit na tři skupiny: parametry vstupního signálu, parametry výstupního signálu a parametry zátěže. Parametry vstupního signálu spolu s parametry zátěže a statickými podmínkami (napájecí napětí, úrovně signálů) tvoří podmínky pro měření parametrů výstupního signálu. Vzhledem k velkému počtu přívodů integrovaného obvodu, a tím i velkému počtu časových závislostí mezi nimi, se měření dynamických parametrů slučuje s testem logické funkce. Výsledkem je pak dynamický test logické funkce. Při tomto testu nastavíme nejkritičtější dynamické podmínky a provádí se komparační hodnocení odezvy integrovaného obvodu pro všechny kroky jeho testu. Zjišťujeme-li skutečné maximální nebo minimální hodnoty dynamických parametrů určujících podmínky testu, měníme po zvolených hodnotách (kroku) vybraný parametr a provádíme test logické funkce. Ostatní parametry musí být v průběhu testu konstantní. Zjišťujeme-li maximální zpoždění výstupního signálu, resp. vybavovací dobu, posouváme postupně impuls, kterým vzorkujeme výstupy integrovaného obvodu a provádíme test logické funkce. Zpoždění integrovaného obvodu je dáno zpožděním vzorkovacího impulsu, při jehož hodnotě test logické funkce ještě prošel (postupujeme-li od delších časů ke kratším). Je nutno si uvědomit, že veškerá dynamická měření jsou širokopásmová, sice s relativně nízkým opakovacím kmitočtem (max. 10 MHz), ale se strmostí hran impulsů v jednotkách nanosekund. Proto přístrojové vybavení i obvodová technika musí tomu odpovídat. Logickou funkci testujeme tak, že na vstupy testovaného obvodu přivádíme definovaný sled logických signálů a kontrolujeme odpovídající sled logických signálů z výstupů; přitom některé vstupy se mohou změnit na výstupy a naopak v průběhu jednoho kroku testu. Jedním krokem testu rozumíme jednu vstupní logickou kombinaci signálů a jim odpovídající kombinaci výstupních signálů. Podle způsobu kontroly sledu logických signálů z výstupů testovaného obvodu můžeme testování logické funkce rozdělit do tří skupin:

350 Tabulka 11.1:

Tabulka 11.2:

Tabulka 11.3:



351

1. Srovnání s referenčním vzorkem. Definovaný sled vstupních logických signálů se přivádí současně na testovaný i referenční obvod. Mezi výstupy obou obvodů jsou zapojeny komparátory. Z jejich výstupů dostáváme informaci o shodě mezi výstupními signály. Informaci na výstupech můžeme brát jako platnou až v ustáleném stavu. Metodu nemůžeme použít při dynamickém testu logické funkce, protože referenční i testovaný vzorek mají dynamické parametry obdobné. Dále je nebezpečí, že v referenčním vzorku nastane porucha a než se zjistí, dostáváme nepravdivou informaci. 2. Srovnání s očekávanou odezvou uloženou ve vhodném paměťovém médiu testeru. Jako paměťové médium se používá paměť řídicího počítače, velmi rychlá polovodičová paměť, magnetický disk apod. Metoda je dnes propracována do značné hloubky. Nastává částečné prolínání s průběžným generováním testů. 3. Vstupní a jemu odpovídající výstupní sled logických signálů je generován v průběhu testování (on line). Tento způsob testování se používá tam, kde je počet kroků testu příliš velký, např. u pamětí typu RAM. Generování testovacích posloupností patří k základním problémům diagnostiky. Každá testovací posloupnost musí nejprve přivést obvod do definovaného vnitřního stavu. Integrované obvody LSI bývají navrženy tak, že to obvykle nečiní potíže (i když u obecného sekvenčního obvodu, nacházejícího se v neznámém vnitřním stavu, je to komplikovanou záležitostí). Již u relativně jednoduchého kombinačního obvodu nelze použít tzv. triviální test, tj. test, u kterého se vystřídají všechny možné kombinace vstupních signálů, a to z toho důvodu, že těchto kombinací je velmi mnoho. Testujeme-li n-vstupový kombinační obvod, pak triviální test obsahuje 2n kroků. Takovýto test je zbytečně redundentní - každá z možných poruch se testuje několikrát. Existují metody, jak k dané poruše najít kombinaci vstupních signálů, aby se tato porucha projevila na výstupu. Jednou z nejprůhledějších metod je tzv. intuitivní zcitlivění cesty, při kterém se hledají takové hodnoty vstupních proměnných, aby se porucha projevila na výstupu. Pracuje se, jak název metody napovídá, intuitivně a postup nemusí vést k požadovanému výsledku (při určování hodnot dojdeme ke sporu). Existují i dokonalejší metody jako D-algoritmus, kde se pracuje s tzv. D-krychlemi nebo metoda booleovské diference, která vychází z formálního popisu obvodu. U sekvenčních obvodů je situace ještě komplikovanější. Jednou z metod je jejich nahrazení kaskádou kombinačních obvodů. Testy sestavené na základě znalosti struktury obvodu se nazývají strukturní. Na rozdíl od nich lze pro některé typy obvodů vygenerovat test nebo jeho část jako pseudonáhodnou posloupnost, zkontrolovat, jaké poruchy pokryje a teprve test zbývajících poruch doplnit pomocí jiných metod. Z nich jsou u obvodů LSI nejrozšířenější metody, vycházející ze znalosti požadované funkce obvodu, přičemž nerespektují, jakým způsobem je požadovaná funkce v obvodu realizována. Testy tímto způsobem sestavené se nazývají funkční. Přikláníme se k nim většinou tehdy, pokud ostatní metody selhávají. Jejich výhodou je relativně snadné získání testovacích posloupností a možnost testování obvodu v aplikačním zapojení. Nevýhodou je, že takovéto testy nedávají záruku úplnosti. Například obvod mikroprocesoru plně vyhovující v jednom aplikačním zapojení, může selhat v jiném aplikačním zapojení. Na diagnostiku s testování je třeba pamatovat od samého začátku návrhu integrovaného obvodu (lze, většinou za cenu většího počtu logických členů, získat snáze testovatelný obvod). Zvláště u sekvenčních obvodů se návrh testu i dagnostika značně usnadní, jestliže je

352


možné rozpojit všechny zpětnovazební smyčky, nebo v lepším případě dokonce vyvést informaci o vnitřním stavu obvodu a vnutit požadovaný vnitřní stav. Zde jsou nejznámější čtyři metody - LSSD, Scan Path, Scan/Set a RAS. Metoda LSSD (Level-Sensitive Scan Design) pochází od fy IBM a dovoluje přidáním asi 15 % obvodů zapojit v diagnostickém režimu všechny klopné obvody do sériového řetězce a pomocí hodinových impulsů sériově přečíst původní stav vnitřních pamětí a sériovým diagnostickým vstupem zapsat novou informaci do vnitřních pamětí. Po provedené výměně informace je přepnuta struktura do normálního režimu a proveden jeden krok systémových hodin a znovu je opakováno sériové čtení a zápis vnitřních pamětí. Tím je oddělen test kombinační části logické struktury od paměťových členů a podstatně zjednodušeno zajištění citlivé cesty poruchy na výstup logické sítě. Metoda RAS (Random Access Scan) pochází od fy Fujitsu a dovoluje také přidáním dodatečného materiálu v diagnostickém režimu číst obsah a zapisovat nový stav do jednotlivých vnitřních paměťových členů testované logické struktury. Pomocí přídavného materiálu jsou zde všechny vnitřní paměťové členy zapojeny na pomocnou diagnostickou sběrnici. Přístup paměťových členů na diagnostickou sběrnici je v diagnostickém režimu zajišťován přídavnými adresovými dekodéry aktivovanými v diagnostickém režimu. Metoda RAS sice zapisuje a čte informaci z vnitřních paměťových členů v diagnostickém režimu jiným způsobem než metoda LSSD, avšak vliv na zjednodušení testovatelnosti logické struktury je u obou metod obdobný. Velké množství metod usnadňujících diagnostiku naznačuje, že žádná z nich není univerzálně použitelná, a také že žádnou z nich nelze jednoznačně prohlásit za nejlepší. Majíli být metody orientace na snadnou diagnostiku zahrnuty do návrhového systému, je třeba realizovat též mechanismus výběru nejlepší z nich podle určitých kritérií. Tato kritéria jsou v současné době natolik neurčitá, že jako nejpřijatelnější varianta se jeví svěřit rozhodování člověku. Pro spolupráci tohoto typu se v některých případech osvědčily expertní systémy. 10.2.1.2 Třídění integrovaných obvodů Třídění je u integrovaných obvodů všech technologií důležitým předpokladem dosažení jejich spolehlivosti potřebné při provozu v zařízeních. Třídicí zkoušky se provádějí jak u výrobce, tak u uživatele součástek. Cílem je vytřídit součástky s možností výskytu časných poruch. Výrobce dodává součástky prošlé těmito zkouškami ve třídě s vyšší spolehlivostí. Tříděním (screening, Vorbehandlung) se přitom rozumí předem definované namáhání součástek, případně sled takových namáhání, které by vyvolaly časné poruchy. Třídicí zkouška se musí volit tak, aby se při ní nevyvolaly jiné degradační mechanismy než ty, ke kterým dochází ve skutečném provozu. Třídění je efektivní a vyplatí se jen tehdy, dosáhne-li se jím při malých nákladech dostatečného zvýšení spolehlivosti. V oboru třídění existuje dosud řada nejasností a nejednotnost pojmů. Nerozlišuje se např. mezi mechanismem poruch, jejich druhem (projevem) a příčinou. Údaje o velikosti aktivačních energií jednotlivých mechanismů se značně liší, neboť jsou ovlivňovány výchozím materiálem, technologií zpracování a konstrukce součástky. Příklady typických mechanismů poruch, příznaky a metody třídění ukazuje tab. 16. Některé mechanismy nevyvolávají časné poruchy a jejich vytřídění je proto obtížné (např. elektromigrace). Časné poruchy integrovaných obvodů se vyskytují do 100 až 2000 hodin provozu. Třídění při normální teplotě nemá tudíž velký význam. Je třeba zvolit takový postup a takové podmínky třídění, abychom je urychlili např. působením teploty, elektrického pole, proudového nebo napěťového zatížení, někdy i vlhkosti. Jde o tzv. zrychlené zkoušky. Vychází se přitom z faktu, že poruchové mechanismy lze zpravidla aktivovat zvýšeným


353

namáháním. Cílevědomě zaměřenými zkouškami se nejdříve zjišťuje kvantitativní vzájemná souvislost mezi stupněm aktivity a velikostí namáhání, tj. činitel aktivace. Jak již bylo řečeno, je přitom třeba zajistit "pravou" aktivaci, tj. důsledkem zvýšeného namáhání nesmí být žádný stav, jež se nemůže nikdy objevit při normálních pracovních podmínkách. Druhým krokem je zjištění reakční rychlosti. Pro zjednodušení se často předpokládá, že časový průběh reakce je lineární. Po zjištění činitele aktivace a reakční rychlosti lze pak vypočítat zrychlující činitel a extrapolací intenzitu poruch při normálních provozních podmínkách. Poruchové mechanismy se aktivují v mnoha elektronických součástkách, zvláště polovodičových, zvýšením teploty. Přitom lze často použít Arrheniova modelu. Pro tento model je aktivační činitel A daný vztahem ⎛ − Ea ⎞ A = Ao ⋅ exp⎜ ⎟ ⎝ kT ⎠ kde A0 je konstanta, Ea je aktivační energie, k je Boltzmannova konstanta (8,6.10-5 eV/K) a T je absolutní teplota v K.

Obrázek 11.3: Je-li pro daný poruchový mechanismus reakce lineární v závislosti na čase a MTBF1 (= l1) a MTBF2 (= l2) jsou dané střední hodnoty bezporuchových provozních dob při teplotách (přechodů) T1 a T2, potom je A1λ1 = A2λ2

resp.

A1 ⋅ MTBF1 = A2 ⋅ MTBF2

Zrychlovací činitel je pak daný vztahem ⎡ E ⎛ 1 1 ⎞⎤ MTBF1 λ2 A2 = = = exp ⎢ a ⎜⎜ − ⎟⎟⎥ MTBF2 λ1 A1 ⎢⎣ k ⎝ T1 T2 ⎠⎦⎥ Přitom je zvykem určovat teplotu přechodu T podle vztahu T = To + Pd O jo F=

kde To je teplota okolí, Pd je ztrátový výkon a O je tepelný odpor pouzdra (např. 100 K/W bez proudění, 60 až 70 K/W při proudění vzduchu 2,5 m/s). Při známých hodnotách MTBF1, MTBF2, T1a T2 lze obráceně určit aktivační energii

354

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Ea =

k 1 1 − T1 T2

⋅ ln

MTBF1 MTBF2

Na obr. 9.3 je závislost mezi zrychlovacím činitelem a teplotou v2 pro různé aktivační energie pri v1 = konst. = 35o C (plně vytažené průběhy) a v1 = konst. = 55 oC (čárkované průběhy). Jedním z největších problémů při plánování a vyhodnocování zrychlených zkoušek je právě určení aktivační energie. Může se totiž měnit i u stejného typu součástky od dávky k dávce vlivem změn výrobního procesu. Často stačí však jen prověřit, je-li dosažená hodnota MTBF nad předem danou mezní hodnotou. Potom stačí analyzovat nejhorší případ a použít hodnoty aktivačních energií z literatury. Zajímavá a důležitá je zkušenost, že mnohdy je koroze povrchu čipu rychlejší při nízkých teplotách. Čím vyšší je aktivační energie mechanismu, tím je třídicí postup při vyšší teplotě účinnější.

10.2.2 Testování propojovací sítě Testování propojovací sítě se v poslední době stává nedílnou fází technologie výroby elektronických zařízení. Typické poruchy v propojovacích sítích závisejí na provedení sítě. V drátových kabelážích (ovíjené spoje van a roštů, kabelové svazky, kabely) Bpřicházejí v úvahu téměř pouze poruchy typu "spoj chybí" a "spoj navíc". Počet spojů zde dosahuje tisíc až stovek tisíc. Při ručním ovíjení je v kabeláži 1 až 5 % závad, při poloautomatickém 0,1 až 0,5 %, při automatickém 0,01 %. Na deskách plošných spojů mohou existovat poruchy následujících šesti typů: 1) spoj chybí, 2) spoj navíc, 3) nekvalitní spoj (velký odpor), 4) nekvalitní izolace mezi spoji, 5) vodivost spoje závisí na proudu, 6) svod mezi spoji závisí na napětí. Poměrně zastoupení jednotlivých typů poruch závisí na použité výrobní technologii, zvládnutí technologického procesu, technologické kázni, kvalitě výchozích surovin a na kvalitě procesu návrhu spojových motivů. Nejčastější jsou poruchy typu 1 a 2, poruchy typu 5 a 6 se vyskytují zřídka. Zpravidla se běžné PS (např. pro spotřební elektroniku) testující jen na poruchy 1 a 2, prokovené vícevrstvé desky pro automatizaci a výpočetní techniku je vhodné testovat i na poruchy typu 3 a 4, zatímco testy na poruchy typu 5 a 6 jsou obvyklé pouze u velmi náročných aplikací, kde cena zaplacená za případné selhání opravňuje podstatně zvýšené náklady na testování. Zmetkovitost osmivrstvých desek dosahuje ve světě přibližně 25 %. Cena složitých desek je tak vysoká, že zmetky je nutno opravovat a dále používat. Při řešení automatického testovacího systému (ATS) musíme brát v úvahu následující okruhy problémů: 1) připojení měřené jednotky (objektu), 2) přepínání měřených míst, 3) měřicí metody,


355

4) algoritmy testů, 5) strategie testování. Řešení zmíněných problémů je potřeba optimalizovat vzhledem ke spolehlivosti testu a ceně testování vztažené na testovanou jednotku. Připojení měřeného objektu Řešení problému jak připojit testovanou propojovací síť k testeru vychází samozřejmě z mechanických vlastností sítě. Ovíjená kabeláž se obvykle testuje při svém vytváření. Pro spolehlivé připojení desek plošných spojů se používá převážně tzv. "fakirského lože" - pole nezávisle odpružených hrotů ("jehel"). Potřebná síla je 1 až 2 N na měřicí hrot (obr. ). Největším problémem je potřebné množství hrotů. Běžné měřicí hroty lze umisťovat ve vzájemné vzdálenosti 2,5 mm a větší, pouze několik výrobců zvládlo výrobu hrotů pro umístění v rozteči 1,25 mm. Je možno se rozhodnout mezi univerzálním jehlovým polem a účelovými adaptory. Přepínání měřených míst Volba prvků a obvodového řešení pro přepínání měřených míst úzce souvisí se zvolenou metodou měření. K přepínání lze využít relé, jejichž výhodou je malý odpor v sepnutém stavu, velký izolační odpor v rozepnutém stavu, nevýhodou pak velké rozměry, velký ovládací příkon, malá přepínací rychlost a menší spolehlivost. Dále lze využít polovodičových prvků - buď bipolárních nebo se strukturou MOS, kterým dáváme přednost všude tam, kde to dovolí technické podmínky navrhovaného zařízení. Měřicí metody Volba měřicí metody závisí na zvolené testovací strategii. Spolehlivost testu a diagnostické pokrytí poruch totiž závisí na tom, jakým proudem testujeme spoje, jakým napětím testujeme izolaci, zda používáme jeden vyhodnocovací práh odporu nebo dva (pro test souvislosti a test izolace zvlášť) a jaké minimální (maximální) hodnoty odporů dokážeme použitou metodou změřit. Při testech na poruchy 1 a 2 se pro stimulaci sítě i detekci poruch používá přímo logických obvodů TTL nebo MOS. Jde sice v podstatě (jako u všech ostatních metod) o měření odporů a komparaci naměřených hodnot se zvoleným odporovým prahem, ale parametry testu (proud, napětí, velikost prahového odporu) tady nelze volit - vycházejí obvykle z použitých logických prvků a rozsahu testovacné sítě. Další obtíž představuje nízké napětí při testu izolace (typicky 3,5 až 5 V), které nezaručuje proražení mikroskopických izolačních filmů nečistot ve styku mezi povrchem měřené desky a měřicím hrotem. Testy na poruchy typu 1 až 4 lze dělat pomocí polovodičové spínací matice. Při kvalitním obvodovém řešení z kvalitní součástkové základny lze měřit při dvouvodičovém uspořádání odpory propojovací sítě v rozsahu 100 až 10 M , při čtyřvodičovém uspořádání v rozsahu 1 až 10 M . Základní uspořádání pro testy na poruchy 1 až 6 je stejné jako pro poruchy 1 až 4, je však nutno použít odpovídajících spínacích prvků, aby bylo možno testy uskutečnit při napětí řádu stovek voltů a proudech v oblasti jednotek ampérů. Kromě relé vyhovují ještě tyristory, ale u nich je přikážkou malý odpor v rozepnutém stavu a složité ovládací obvody. Kromě toho jsou i uvedené součástky rozměrné a drahé.

356


Obrázek 11.4:

Obrázek 11.5:

Obrázek 11.6: Poznámka: Mikroohmetry s akustickým výstupem se také používají při ručním hledání přerušených spojů a zkratů [SO 1984/9:452]. Lze také potřebné kontrolní pomůcky vyrobit. Na obr. 9.4 [AR-A 5/76:187] je zapojení, které umožní indikovat odpor menší než asi 1 W. Operační zesilovač porovnává malý rozdíl napětí na rezistoru 10 W. Zruší-li se tento napěťový rozdíl zkratováním měřicích hrotů, rozsvítí se svítivá dioda. Není-li zkrat dokonalý


357

(odpor větší než cca 1 W), dioda svítí nepatrně nebo vůbec ne. Měřicí napětí je asi 2 mV, takže nemůže otevřít přechody polovodičových součástek. Tak nízké napětí (a proud) ukáže i ty špatné doteky kontaktů, které se při zkoušení vyšším napětím a proudem "prorazí" a vykazují dobrou vodivost. Trimr slouží k nastavení maximální citlivosti zapojení. Nastavuje se tak, aby při zkratovaném vstupu LED začala právě svítit. Rozsvícená dioda tedy signalizuje zkrat. Viz též [ST 6/1976:237, AR-A 9/1983:327]. Na obr. 9.5 je zapojení testeru galvanického propojení s akustickým výstupem [ST 12/1987]. Výška tónu je závislá na odporu mezi testovacími body (rozsah asi 10 W až 100 k W). Zapojení pro menší rozsah odporu je v [ST 6/1986:238]. Na obr. 9.6 je třístavová (zkrat-odpor-přerušení) zkoušečka odporů a polovodičových součástek. Obě svítivé diody se navzájem blokují ve funkci. Podle zkoušeného odporu svítí buď jedna, nebo druhá, nebo žádná dioda. Diody se rozsvěcují a zhasínají pozvolna. Jednodušší zkoušečky s optickou indikací jsou popsány v [AR-A 8/1988:286 a AR-A 9/1990:327]. Algoritmy testu Nejjednodušší je algoritmus "každý bod s každým", který vyžaduje (n2) elementárních testů, když n je počet vývodů testované sítě (počet měřených bodů). Je možno jej implementovat velmi jednoduchými technickými prostředky; postačí sekvenční přístup k měřicím hrotům, jednoduchý řadič jako řídicí jednotka atd. Nevýhodou je velký počet elementárních testovacích kroků. Doba testu exponenciálně narůstá s počtem měřených bodů a může být řadu desítek minut. Proto byly navrženy algoritmy, které umožňují redukovat počet elementárních kroků velmi podstatně - obvykle za cenu ztráty lokalizační schopnosti testu, případně vyžadující dlouhou přípravnou dobu před měřením. Pro ATS se zdá být nejvhodnějším algoritmem rozdělení testu na dvě části: test souvislosti spojů a test izolace mezi spoji. Počet elementárních kroků pro první část je nejvýše n-1, počet elementárních kroků testu izolace je pak k/2, kde k je počet souvislých spojů propojovací desky (k je u běžných desek průměrně rovno n, takže proti algoritmu "každý s každým" je redukce počtu kroků značná). Strategie testování Testovací strategie je souhrn technických a organizačních opatření v oblasti kontrolních operací vedoucích k požadované kvalitě výsledné produkce. Testování propojovacích sítí je samozřejmě pouze částí všech operací, které je potřeba v průběhu výroby elektronických zařízení uskutečnit. Vedle požadované kvality produkce je druhým hlavním hlediskem ekonomie. Testování musí přijít levněji než netestování, jinak by nemělo smysl. Testování zvolenou strategií musí být levnější než použitím alternativních strategií. V případě testu propojovacích sítí je součástí návrhu testovací strategie volba testeru a jeho parametrů (např. v rámci rozhodnutí, zda je lepší jeden produktivnější nebo několik pomalých). Důležité je rozhodnutí mezi univerzálním řešením nebo účelovými adaptory a rozhodnutí o případném omezujícím zásahu do návrhu provedení sítí.

10.2.3 Testování osazených desek Testování na úrovni osazené desky je vůbec nejdůležitější součástí kontrolních operací ve výrobě - nelze si představit ani jednu výrobní strategii, která by testování osazených desek vynechávala. Osazené desky testují i amatéři. Problém tedy není v otázce zda testovat, ale jak

358


testovat, jak draho, jak produktivně. Testování obvykle musí být spojeno s oživováním desek, protože nově osazené desky mají závady. Pro testování osazených desek se používají tyto metody: a) testování pomocí měřicích přístrojů vývojáře; b) testování pomocí jednoúčelových přípravků; c) testování pomocí částečně nebo plně automatizovaného měřicího pracoviště; d) testování automatickým testovacím systémem (ATS); e) ATS začleněný do systému CAD/CAM, tj. do systému automatizovaného projektování a výroby. Metody jsou seřazeny podle rostoucí účinnosti a zároveň i nákladů. Volba metody by neměla být ovlivňována jen snahou po "modernosti" za každou cenu - na prvním místě musí vhodnost účinnějších metod prokázat solidní ekonomická analýza stávající (nebo plánované) výroby. Na druhé straně nadměrné váhání v zavádění nových metod zbavilo naše výrobní závody schopnosti konkurence na světových trzích. Metody a) i b) jsou tradiční. V našich závodech jsou běžně používány a není potřeba se jimi podrobně zabývat. Metoda a) je částečně oprávněná při zahajování nové výroby tam, kde se pozapomnělo na to, že výrobek nestačí jen vyrábět; odčerpává drahé univerzální přístroje a pracovní síly z vývoje, má mizivou produktivitu. Metoda b) může být vhodná při takové skladbě výroby, kde není nutno příliš často měnit výrobní sortiment. Takových výrob však v elektronice, kde morální životnost zařízení nedosahuje ani tří let, v poslední době ubývá. Částečné řešení by mohla přinést metoda c) v kombinaci s důsledně modulárním návrhem přípravků tak, aby byly vícenásobně použitelné nebo jednoduše přestavitelné. Použití počítače přináší značné zvýšené produktivity. Nesmí se však zapomínat na nutnost pořizovat nové programové vybavení ke každému měřicímu přípravku. Cena pořízení programů může několikanásobně převýšit cenu pořízení přípravků. V některých případech (např. testování a nastavování analogových obvodů) se nabízí možnost využití přístrojové sběrnice IMS-2. Metody d) a e) jsou zatím nejúčinnější, i když jejich zavedení je nákladné. 10.2.3.1 ATS pro osazené desky Automatický testovací systém (automatický tester) je zařízení vybavené technickými a programovými prostředky, které mu umožňují samostatně přivádět do testované jednotky naprogramované sekvence stimulačních signálů a vyhodnocovat odezvy na ně. Testování probíhá zcela bez zásahů nebo s minimálním počtem zásahů obsluhy (operátora) a je tedy velmi produktivní. Typické doby testu se pohybují podle typu i vybavenosti systému a podle typu i složitosti testované jednotky, od jedné do šedesáti minut. (Testem je zde míněn celý proces od připojení testované jednotky, přes zachycení a lokalizaci závady až po dokumentaci závady - vlastní test typu DOBRÁ/ŠPATNÁ trvá typicky řádově sekundy). K testování osazených desek pomocí ATS existují v současné době dva základní přístupy: funkční test a test prvků v obvodu (inspekční test, in-circuit test). Podle nich rozlišujeme testery funkční a testery prvků v obvodu (inspekční testery). Funkční tester (FT) sleduje činnost (funkci) celé zkoušené desky. Deska se vzhledem k testeru chová jako uzavřený systém charakterizovaný specifickou odezvou na výstupech na specifickou stimulaci vstupů. Metoda se dá aplikovat především na čistě číslicové desky, jejichž logickou síť je možno protestovat vysíláním logických stavů (vstupních vektorů) na vstupy, čtením logických stavů na výstupech a porovnáním se správnými (očekávanými) stavy výstupů vyhodnotit výsledek. Metodika funkčního testování logických sítí je teoreticky


359

dobře propracované (viz dříve). Existují i metody strojního návrhu testovacích vektorů, optimalizace testů a metody pro počítačovou simulaci chování logické sítě. Také připojení testované desky k testeru je velmi jednoduché - přes konektor desky. Funkční tester, kromě detekce "tvrdých" závad, jako zkraty vnitřních uzlů do napájecí soustavy, dokáže snadno detekovat i závady způsobené posunem dynamických parametrů součástek mimo toleranční pole a ve spolupráci se simulací logických sítí i chyby návrhu (porušení pravidel návrhové "kuchařky"). Proti tomu má funkční testování některé nedostatky. Jsou spojeny zejména se dvěma problémy: - návrh optimálního testu, - lokalizace závad. Lokalizace závad je velmi důležitá v praxi, kdy chceme vadné desky zpravidla nejen vytřídit, ale i opravovat. U funkčního testeru je lokalizace obtížná právě proto, že test probíhá přes konektor desky a vnitřní uzly nejsou přístupné stimulaci ani měření. Při testování desek se obvykle požaduje lokalizace s přesností na vadnou součástku (např. pouzdro IO). K řešení problému se používá převážně dvou metod (případně jejich kombinaci): - slovníku poruch, - naváděné sondy. Slovník poruch se sestavuje na simulačním modelu zkoušené desky, případně se doplňuje praktickými zkušenostmi získanými v průběhu oživování série desek. V podstatě jde o tabulku, která přiřazuje projevům poruchy typ poruchy a tabulka může být uložena v paměti počítače, který řídí tester. Naváděná sonda je určitá náhrada přístupu do vnitřních uzlů desky. Pracuje se s ní v dialogovém režimu, kdy počítač testeru v průběhu lokalizace poruchy navádí operátora s ruční sondou do jednotlivých vnitřních uzlů zapojení a na základě sejmutých logických stavů rozhoduje o dalším postupu až do přesného určení místa poruchy. Postup není obtížný, ale může být zdlouhavý, např. při odhalování zkratu dvou signálových cest. Existují i systémy se strojním naváděním sondy, které vylučují možnost potenciálních omylů operátora. Tester prvků v obvodu (TPO) využívá odlišného přístupu k testu než FT. Pomocí metody aktivního stínění u pasivních prvků a metody vnucování logických stavů (backdriving) u číslicových prvků se snaží minimalizovat vzájemnou interakci součástek na desce a testovat jejich funkci součástku po součástce. Jako samostatnou součástku je možno testovat i propojovací síť desky. Dvě základní výhody zmíněného přístupu jsou okamžitě viditelné: - jednoduchá lokalizace poruchy s přesností na součástku, - snadné odhalení typických "výrobních" poruch, jako jsou zkraty nebo špatně osazené součástky. Mezi základní nevýhody naproti tomu patří: - obtížnější připojení testované jednotky - desky (nestačí přes konektor), - nepokrytí některých poruch (např. dynamické poruchy). Poznámka: Statistika výskytu jednotlivých druhů závad v produkci desek ukazuje, že daleko nejčastějšími poruchami jsou zkraty mezi spojovými cestami na obrazci plošného spoje, následují chyby montáže (nezaložené nebo nesprávně orietované součástky), dále nepropojené části obvodu i studené spoje a teprve na posledních místech statistiky figurují u běžné produkce poruchy aktivních součástek nebo dynamické poruchy. Součástky je potřeba testovat a zahořovat před osazením Samotné poruchy propojovací sítě - převážně zkraty tvoří podle zkušenosti 50 až 80 % všech závad. Proto tester, který dokáže rychle odhalit a

360


lokalizovat běžné nebo "banální" závady, může značně zvýšit průchodnost celého výrobního procesu. Ze statistiky výskytu závad plyne i ten závěr, že testování obvykle není možné zahájit funkčním testem, tj. připojení napájecího napětí, při zkratech apod. by mohlo dojít k trvalému poškození některých součástek, především aktivních. Metody FT a TPO se v případě číslicových desek výhodně doplňují: TPO se hodí pro rychlou inspekci pro odstranění typických výrobních poruch, FT pro finální test funkce včetně dynamických parametrů. V případě analogových nebo kombinovaných desek je TPO nejvhodnějším prostředkem.

Obrázek 11.7: Na obr. 11.7a je znázorněno použití samotného funkčního testeru (FT). Při větším objemu výroby by se však mohl stát úzkým místem výrobní linky, především z hlediska lokalizace závady. Na obr. 9.7b je znázorněno použití samotného testeru prvků v obvodu (TPO). Jeho nasazení do výrobní linky je typicky mírně výhodnější než použití samotného funkčního testeru z důvodů levnějšího programování a vyšší produktivity testování. Při použití testovací strategie podle obr. 9.7c je testeru prvků v obvodu použito jako inspekčního testeru před závěrečným funkčním testem. TPO odstraňuje "triviální" závady a urychluje průchod funkčním testerem. Kombinace nasazení zmíněné testovací strategie je výhodná především v prostředí výroby, kde je dosahováno nízké výtěžnosti desek. Na obr. 9.7d je znázorněn způsob testování, kde funkční tester je využíván v režimu GO/NOGO (bez lokalizace závady) a kde je provedení funkčního testu velmi rychlé. Tester prvků v obvodu se v takovém případě používá pro rychlou lokalizaci poruch na vadných deskách. Kombinace je výhodná v prostředí výroby s vysokou výtěžností desek. Na podkladě kombinací podle obr. 9.7c a 9.7d lze navrhnout další kombinace s více testovacími pracovišti a různým umístěním střediska opravy. Poznámka: U TPO je bezpodmínečně nutné mít možnost kontaktovat vnitřní uzly testované desky. Nestačí tedy jednoduché připojení přes konektor desky, jako v případě FT. Používá se metody "fakirského lože" a u jednodušších testerů orientovaných na číslicové desky existuje alternativní metoda připojení - vícepólovou sondou (klipem), která se ručně postupně připojuje na jednotlivá testovaná pouzdra IO. Existují desky, které se testují snáze a desky testovatelné nesnadno. Zásady snadné testovatelnosti přitom platí do jisté míry nezávisle na použité metodě testování. Mezi faktory, které komplikují testování, patří zejména: - logická redundance, - kombinování číslicových a analových obvodů nebo číslicových obvodů s různými principy činnosti na jedné desce, - složité nerozpojitelné zpětné vazby (znesnadňují lokalizaci poruchy),


361

- používání nestandardních obvodových řešení, - používání více nesynchronizovaných generátorů na jedné desce, - nadměrné používání monostabilních a asynchronních obvodů. Každý návrhář obvodů však ví, že 100 % respektováním všech zásad dobré testovatelnosti by mohla vzniknout deska, která by byla sice dobře testovatelná, ale neplnila by dobře svou původní funkci nebo by byla nadměrně drahá. (Např. požadavek na rozpojitelnost zpětných vazeb může vést k požadavku uzavírat zásadně všechny vazby vně desky, přes konektor - co to znamená jen pro návrh plošného spoje a kabeláže, si lze lehce představit). Přesto by nebylo dobré návrh dobře testovatelných desek podceňovat. V mnoha případech nejsou požadavky testovatelnosti v rozporu s funkcí nebo hospodárností. Rozumným respektováním uvedených požadavků se získávají přehlednější a srozumitelnější zapojení a používají se spolehlivá, standardní zapojení. V případě TPO by mohlo vypracování konstrukčních zásad pro umisťování kontrolních bodů uvnitř desky uspořit značné náklady při návrhu a realizaci připojovacích adaptérů. Počet kontaktovaných bodů by mohl být asi o řád menší než u desek navrhovaných bez ohledu na testování.

10.2.4 Diagnostika při uvádění do provozu, servis Obsahem poslední, čtvrté kontrolní úrovně je uvedení zařízení do provozu u odběratele (zákazníka). Jak už z názvu vyplývá, jedná se o ověřování funkce zařízení mimo prostory výrobního závodu. Ověřování záleží na charakteru zařízení: a) Zařízení je takového charakteru, že je dodáno jako celek k odběrateli s příslušnou dokumentací, podle které si uživatel dovede ověřit správnou funkci buď samostatného zařízení, nebo ve spojení s jiným zařízením vyráběným uživatelem (nebo někým jiným). b) Zařízení je charakteru, kdy je dodáno v rozebraném stavu na samostatné funkční bloky (jednotky), má příslušnou dokumentaci a uživatel po sestavení ověří správnou funkci zařízení stejně jako v bodě a). c) Zařízení je charakteru, kdy je dodáno v rozebraném stavu a na jeho uvedení do provozu je zapotřebí pracovníků tohoto výrobního závodu, které zařízení vyrobilo (nebo jiného pověřeného). Vlastní ověření provedou pracovníci výrobního závodu, mohou k tomu použít i zkušebního zařízení, které pro tento účel přivezli s sebou. d) Zařízení je opět charakteru, kdy je nutná montáž a uvedení do provozu u zákazníka, ale uvedení do provozu dělá jiná než výrobní organizace (obvykle specializovaná na poskytování servisu a zákaznických služeb). Taková organizace však obvykle úzce spolupracuje s výrobcem zařízení při výběru zkušebních metod a zařízení. Zvláštní částí zmiňované kontrolní úrovně je servis zařízení, a to jak v záruční době, tak i mimo záruční dobu. Servis zařízení mohou dělat: - obchodně-technické služby vlastního výrobního podniku, který má speciálně školené pracovníky pro opravu svých vyráběných zařízení; - jiná organizace mimo výrobní podnik, která přejímá veškerý servis počínaje doručením dodávky zařízení k odběrateli; přitom výrobní podnik školí pracovníky té organizace, která servis převzala. Přitom servis, ať je zabezpečován jakýmkoliv z uvedených způsobů, musí disponovat zkušebním a diagnostickým zařízením pro opravu zařízení. Servis lze dělat dvojím způsobem:

362


- při opravě takového charakteru, kdy je možné zařízení převést k organizaci zajišťující servis, nezáleží na to, jaká zkušební zařízení jsou k dispozici, není podmínka jejich snadného transportování; - při opravě, kdy je servis poskytován u uživatele, je nutné poskytnout servisní organizaci zkušební a diagnostické prostředky, které lze snadno transportovat a přitom zabezpečují možnost kvalitního testování jako zařízení stacionární. V zásadě je možno opírat servis buď o vysoce kvalifikovaný personál a poměrně jednoduché univerzální prostředky (přenosné logické analyzátory, servisní osciloskopy, multimetry, čítače) a smířit se s nutností udržovat poměrně rozsáhlý inventář náhradních dílů (desek), které je nutno skladovat a případně vozit k servisním zásahům, nebo zavést servisní ATS. Druhá metoda je racionálnější, umožňuje snížit invetář náhradních dílů na minimum a zkrátit dobu opravy. ATS vhodné pro servis obvykle vycházejí z velkých testerů používaných ve výrobě. Jsou zjednodušeny a miniaturizovány za cenu mnohem menší produktivity (v případě servisu to však nevadí). Zpravidla využívají testovacích programů sestavených pro testery ve výrobě, což snižuje provozní náklady. U některých vyspělých výrobců zejména v oblasti výpočetní techniky se prosazuje metoda tzv. dálkové diagnostiky, kde součástí dodaného zařízení je diagnostický modul, který může být po telefonní lince napojen na servisní středisko. Personál střediska provede dálkový test, který alespoň zhruba lokalizuje poruchu, takže pracovník vyslaný na opravu jenom vyměňuje vadný díl. Zvláštní pozornost zasluhuje metoda příznakové analýzy. Jde totiž o velmi jednoduchou testovací metodu použitelnou ve výrobě, ale zejména v servisu. Podstatou metody je vlastně porovnávání funkce zkoušeného zařízení s funkcí zařízení zaručeně bezchybného. K vyhodnocování funkce slouží jednoduchý přístroj - příznakový analyzátor. Analyzátorem snímáme logickou aktivitu ve všech důležitých uzlech zapojení zkoušeného zařízení. Aktivitu analyzátor zaznamenává, komprimuje data a výsledky udává ve formě šestnáctibitového "příznaku" zapsaného ve formě čtyř pseudohexadecimálních číslic (aby je bylo možno zobrazit na levných sedmisegmentových zobrazovacích prvcích). Z praxe jsou také známy mnohé heuristické metody, které je často užitečné kombinovat s metodami systematickými. Někdy jde o kuriózní postupy. Např. čichem lze někdy odkrýt závady v přístrojích, často i předejít větším škodám (např. požáru). Nejznámnějším případem využití čichu je zjištění pálícího se síťového transformátoru. Jiný, již méně nápadný zápach, lze cítit při přetížení rezistorů. Cítíme-li při závadě v přístroji pach pálícího se bakelitu, smaltu nebo jiné izolace, můžeme čichem vystopovat místo závady. Především v TV přijímačích se při koronových výbojích můžeme setkat se známým ozonem, připomínajícím svěží vzduch. Přítomnost ozonu nám může pomoci při hledání závady, není-li výboj tak silný, aby byl provázen světelnými efekty. Jeho průvodním zjevem je také syčení, to však může být slabé a překryto jinými zvuky. Příčinou koronového výboje bývá zvýšení napětí nad přípustnou mez, vlhkost nebo ostrý výstupek v blízkosti vodiče s vysokým potenciálem, např. nedostatečně uhlazené spájené místo. Je-li cítit ozon, je dobře neopomíjet tento varovný signál a přesvědčit se jak vzniká, protože může být předzvěstí závažné poruchy přístroje.[ST 2/1958:72]


363

11 BEZPEČNOSTNÍ POŽADAVKY NA ELEKTRONICKÁ ZAŘÍZENÍ Bezpečnost provozu elektronických zařízení lze posuzovat v jednak v rovině ohrožení osob úrazem, jednak z hlediska vzniku škod na samotném zařízení i jeho okolí. Ochrana před úrazy elektrickým proudem jako součást ochrany lidského zdraví je obsažena v zákonných normách států a její dodržování je striktně vyžadováno. Dokumenty specifikujících požadavky technického charakteru a vztahujících se na konkrétní okruh výrobků jsou převážně technické normy a podobné předpisy.

11.1 Legislativa a užití výrobků Výrobci a prodejci výrobků mohou být vedeni k výrobě a prodeji výrobků splňujících bezpečnostní požadavky přímo - např. formou jejich povinného testování a schvalování - ale, i nepřímo např. důsledky zákonné odpovědnosti za škody vzniklé užitím výrobku. V našich podmínkách je přitom vhodné připomenout zákon č. 30/1968 Sb. o státním zkušenictví ve znění zákonů č.54/1978 Sb., č.194/1988 Sb. a č.479/92 Sb., který ukládá výrobci resp. dovozci povinnost přihlásit ke schválení - před uvedením na trh - stanovené elektrotechnické výrobky, materiály a zařízení, které jsou v České republice vyráběny nebo do ní dováženy. Smyslem tohoto zákona je ochrana uživatelů před nebezpečím úrazu elektrickým proudem a ochrana majetku a osob před škodami, které by užíváním těchto výrobků mohly vzniknout (formou jejich nepřipuštění do užívání, nesplňují-li požadavky na ně kladené). Zákon zahrnuje i ochranu před rušením telekomunikací, škodlivým zářením, zdravotní nezávadností konstrukčních materiálů výrobků a hlediska ekologická. Seznam výrobků, materiálů a zařízení podléhající zkoušení stanovuje Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Bezpečnostní hledisko se prakticky uplatňuje u každého výrobku, je-li napájen napětím vyšším než bezpečným. Vlastní zkoušení je náplní zkušebních laboratoří, přičemž jen státem akreditované zkušebny mohou vydávat úředně uznávané dokumenty - osvědčení, certifikáty..., vystavené na základě provedených zkoušek k nimž je zmíněná zkušebna akreditována. Příkladem takové instituce s dlouholetou tradicí je EZÚ - Elektrotechnický zkušební ústav, Praha. Právo označovat výrobek mezinárodně registrovanou značkou bezpečnosti výrobku "ESČ" může získat ten výrobce, jehož výrobek byl schválen nebo certifikován v EZÚ a výrobce se podrobil inspekci výrobního závodu inspektory EZÚ ("základní", dle pravidel CENELEC, dokument MC-6) a dále se podrobuje kontrolám následným (dle dokumentu MC-7). Zkušebnictví v podstatě prověřuje shodu výrobků s požadavky konkrétních norem a předpisů platných na daném trhu, v dané zemi. Aby se zde budoucí výrobek mohl uplatnit, je třeba, aby parametry bezpečnosti, jimi vyžadované byly obsaženy již v zadání a přihlíželo se k nim již v etapě vývoje/konstrukce. 10.2 Bezpečnostní požadavky výrobkově-normativního charakteru Na výrobky nejširšího použití popř. třídy těchto výrobků (např. elektroinstalační výrobky, osvětlovací techniku, zařízení spotřební elektroniky) existují většinou technické normy; u výrobků, pro které normativní materiály neexistují, je vhodné hledat analogii s jinými výrobky a přihlédnout k jejich specifice. Např. na elektronové mikroskopy je možno pohlížet jako na výrobky třídy elektronických měřicích přístrojů, ovšem při jejich provozu může při dostatečné energii paprsku vznikat Röntgenovo záření, jehož velikost musí splňovat i hygienické předpisy na přípustnou expozici obsluhy.

364


Bezpečnostní požadavky na elektronické přístroje. Užitečným příkladem normy, která stanoví bezpečnostní požadavky a metody zkoušení výrobků přístrojového charakteru je ČSN 356501, odpovídající IEC 348 - 1979. Norma platí pro elektronické měřicí přístroje a jejich příslušenství. Rozlišuje čtyři bezpečnostní třídy přístrojů třída 0 - přístroj má pouze základní izolaci a nemá ochrannou svorku třída I - přístroj má alespoň základní izolaci a ochrannou svorku (je-li připojen k síti ohebným kabelem, musí být ochranná svorka součástí síťové vidlice resp. přívodky) třída II - přístroj bez ochranného uzemnění, ale s jedním z následujících druhů izolace a) s dvojitou a (nebo) zesílenou izolací všech částí b) s dvojitou a (nebo) zesílenou izolací všech částí na těch částech, kde je to možné, a u těch, kde to možné není s ochrannou impedancí Pozn. má-li kromě izolace dle a), či b) ještě svorku pro ochranné uzemnění, pokládá se za přístroj třídy I Přístroje třídy II jsou označovány symbolem třída III - přístroj určený k připojování k bezpečnému napětí, který nemá vnitřní nebo vnější obvody na napětí větší než bezpečné Izolace proti nebezpečnému napětí se rozlišují na základní, přídavné (ochranné), dvojité a zesílené. Přídavná izolace doplňuje základní izolaci a chrání před úrazem při průrazu základní izolace. Dvojitá zahrnuje základní a přídavnou izolaci. Zesílená je taková izolace, která zabezpečuje stejnou ochranu jako dvojitá izolace. Dále se rozlišuje část přístroje přímo spojená s napájecí sítí, v níž při spojení této části s jiný pólem napájecí sítě vznikne proud nejméně 9A při neuzemněném přístroji, a část vodivě spojenou s napájecí sítí, v níž při spojení s jiným pólem napájecí sítě přes odpor 2kW proteče špičkový proud větší než 0,7 mA (při neuzemněném přístroji). Přístroj musí být konstruován a vyroben tak, aby nepředstavoval nebezpečí nejen při běžném používání, ale ani v případě poruch. Mimo ochrany osob před úrazem elektrickým proudem, musí být zajištěna ochrana i před nadměrnými teplotami, zářením, uvolněnými plyny, ultrazvukovým tlakem, důsledky exploze nebo imploze a nebezpečím ohně. Bezpečnostním požadavkům musí přístroj vyhovět v celém rozsahu vnějších podmínek, které jsou u něj výrobcem udávány. Tj. v celém rozpětí provozních teplot, vlhkosti, rozmezí napájecího napětí... K zajištění bezpečnosti patří tato konkrétní opatření eliminující škody vadnou osluhou a manipulací; požární nebezpečí, úrazy : - označení ovládacích prvků, přípojných míst - jednotnost (= jednoznačnost), úplnost, doplňkové informace obsluze Př. Označení měřicí zemnicí svorky , ochranné svorky, společné svorky měřicích a řídicích obvodů; svorky, na nichž se může vyskytnout nebezpečné napětí větší než 1kV jsou označeny červeným symbolem , u "plovoucích" vstupů a výstupů musí být uvedeno max. povolené připojené napětí. Napájcí napětí stejnosměrné se značí, střídavé, možnost napájení střídavým i stejnosměrným napětím; u držáku pojistek musí být uveden typ a jmenovitá hodnota proudu výměnných tavných vložek; vyžaduje se vyznačení poloh


365

zapnuto/vypnuto síťoveho vypinače - nestačí indikace zapnutí signálkou. Údaj ! značí nutnost seznámit se s důležitými údaji, uvedenými v dokumentaci. Přihlíží se ke skutečnosti, že má být maximálně chráněna i osoba, která z přístroje za pomoci nástroje sejme vnější kryt. I ve vnitřní zástavbě se části pod nebezpečným napětím označují ( ). - dimenzování zatížení součástek z hlediska vyvíjeného tepla a chlazení, volba materiálů Př. Povolené oteplení činí až 35°C na povrchu vystavenému běžnému dotyku (ovládací panel, kryt...), u chladičů výkonových tranzistorů, stabilizátorů, kde není vyloučen možný dotyk obsluhy max.65°C. Použití jistících prvků - tepelných pojistek. vypinačů..- pro ochranu před přehřátím v provozním i poruchovém stavu. Použití nehořlavých resp. samozhášivých izolačních a konstrukčních materiálů, látek tepelně nedegradujících; krytí součástek s vysokou provozní teplotou. - izolace obvodů Výskyt nebezpečného napětí na přístupných částech přístroje je nepřípustný. Za dostatečnou izolaci se nepokládají povlaky z laku, oxidu, anodické vrstvy, neimpregnovaného papíru, zálivky z kompaudu apod. zejména z důvodu jejich snadného poškození, nízké životnosti. Od všech ostatních obvodů musí být dostatečně izolovány zejména síťové obvody; u přístrojů s napájecím napětím do 500V se požaduje izolace min. 2MW pro základní izolaci přístrojů bezpečnostní třídy I a II, 5MW pro přídavnou izolaci a 7MW pro dvojitou a zesílenou izolaci. Izolace síťové části vůči ostatním obvodům musí být podrobena zkoušce vysokým napětím. Zkušební napětí pro přístroje třídy I s napájecím napětím do 250V je 1500V, 50Hz; doba zkoušky 1 minuta. - jistící a ochranné obvody K nadproudové ochraně se užívají pojistky, jističe, elektromechanické a elektronické prvky a obvody. Jejich funkce se testuje pomocí zkušebních poruch a to tak, že se sleduje působení vždy jen jedné poruchy Příkladem je zkratování diody usměrňovače na sekundárním vinutí síťového transformátoru. Při systémovém návrhu je nutno dbát na zabránění situaci, kdy by došlo k nežádoucímu provoznímu stavu, či poruše, běžnou činností obsluhy. Řešení takových ochran přihlíží k logickým souvislostem činnosti přístroje a musí vyloučit např. nevhodný sled zapínání dílčích obvodů, hazardní stavy řízení (i SW)...

366


12 PŘÍLOHA: KONTROLA KONSTRUKČNÍHO NÁVRHU Všeobecné zásady 1) Vyhovuje řešení platným normám ČSN (tč. je přechodné období, kdy platnost některých norem je sporná, ovšem normy týkající se bezpečnosti je třeba dodržovat), doporučením IEC a jiným aplikovaným předpisům? 2) Byly zjištěny a vzaty v úvahu tyto faktory: - příkon - hmotnost a rozměry - materiálové a výrobní náklady - spolehlivost ("MTBF", "MTTR")? 3) Jsou předvídatelné požadavky realizovatelné malými změnami již nyní? (např. přizpůsobené plošné spoje, rezervní svorky apod.) 4) Jsou části a celý systém lehce testovatelný? Byly navrhnuté zkušební přípravky? Měla zkušebna připomínky k návrhu? 5) Byly použité prvky vybrány z doporučeného sortimentu nebo ze standardních zásob podniku? Nebylo možné použít některé již vyvinuté nebo vyrobené celky z jiných výrobků? 6) Byla zvážená "vyrobitelnost"? Měla výroba připomínky? 7) Do jaké míry je řešení odolné vůči protichůdným příkazům obsluhy a vůči mechanickému poškození? (Použijte svoji představivost! Obsluha to určitě udělá.) 8) Dají se jednotky nebo jiné celky lehce vyměňovat nebo demontovat? 9) Nezpůsobí některá porucha řetězovou reakci dalších poruch? Polovodičové součástky 1) Pracují tranzistory při napětí menším než 80% UCEmax, UBEmax a v mezích povolené výkonové ztráty? Mají dostatečně dimenzovaný chladič? 2) Jsou v obvodech s tyristory požadovány adekvátní mezní hodnoty jednotlivých tyristorů? 3) Jsou patřičně ošetřené indukční zátěže? (diody, členy RC, nelineární prvky.) 4) Tam, kde je to potřebné, jsou tranzistory párované a vhodně chlazené? 5) Dá se místo diskrétních prvků použít integrovaný obvod kvůli úspoře místa nebo nákladů? 6) Překontrolovali jste skutečné zapojení vývodů prvků s návrhem plošného spoje? (umístění vývodů tranzistorů je v katalogu kresleno při pohledu zespodu, ale u pouzder DIL zhora!) 7) Pro jištění a ochranu výkonových prvků byly použity rychlé tavné pojistky nebo napájecí zdroje s nadproudovou ochranou? Kondenzátory 1) Jsou kondenzátory zatěžované na max 80% jmenovitého napětí? 2) Jsou připojené součástky schopné zvládnout nabíjecí a vybíjecí proudy bez následků? 3) Jsou paralelně k elektrolytickým kondenzátorům připojeny malé blokovací kondenzátory s pevným dielektrikem? Mají velkokapacitní kondenzátory připojeny vybíjecí reziztory? 4) Byly dodrženy povolené teplotní tolerance?


367

Rezistory 1) Je výkonové zatížení rezistorů menší jako 80% jejich jmenovitého zatížení? Je uvážena jejich povolená napěťová zatížitelnost? 2) Jsou v rychlých a vysokofrekvenčních obvodech použity rezistory s potlačenou indukčností? 3) Byla přešetřena potřeba stability, přesnosti a šumu rezistorů? Je jejich výběr adekvátní použití? Proměnné prvky 1) Je nastavitelnost něčeho skutečně nevyhnutelná? 2) Jsou proměnné prvky vhodně označené? Zvětšuje se regulovaná veličina otáčením ve směru hodinových ručiček? 3) Je podle možnosti jedno nastavení nezávislé na druhém? Změnou velikosti prvku se mění pouze jedna veličina? 4) Je rozsah a citlivost proměnných prvků dostatečná? Jsou koncové dorazy dostatečně pevné? 5) Jsou proměnné prvky přístupné i v sestaveném stavu zařízení? Je nastavovaný parametr sledovatelný? 6) Jsou vhodně zajištěné prvky nastavené ve výrobě? Jsou umístěné tak, aby je obsluha nemohla svévolně měnit? 7) Mají proměnné rezistory v sérii ochranný rezistor, aby nemohlo v koncové poloze dojít ke zkratu? Je u reostatů běžec spojený s jedním koncem rezistoru, aby nemohlo dojít k přerušení rezistoru? 8) Nedá se plynule nastavitelný prvek nahradit fixními hodnotami a volit je pájenými propojkami? Analogové prvky 1) Jsou vstupy a výstupy zesilovačů fyzicky i elektricky co nejvíce odděleny? 2) Byla širokopásmovým a vysokoziskovým prvkům věnována zvláštní pozornost? Má každý zesilovač svoje vlastní vf blokovací kondenzátory v napájecích přívodech? 3) Dají se lineární prvky vybudit do nelineárního stavu? Obnoví se jejich lineární provoz automaticky? 4) Jaký má vliv nelineární provoz zesilovačů na přenos a zpracování signálu? 5) Byl přešetřený efekt napěťové nesymetrie operačních zesilovačů na správnou činnost obvodu? Je rychlost přeběhu ("slew rate") a rozkmit výstupního napětí dostatečný pro danou aplikaci? Plošné spoje 1) Bylo bezpodmínečně nutné použít vícevrstvou desku? 2) Jsou jednotlivé desky klíčované proti zasunutí do nesprávné pozice? 3) Jsou na klišé nebo potiskem označené napájecí přívody, směr diod, polarita kondenzátorů, čísla vývodů konektorů, orientace integrovaných obvodů a tranzistorů? 4) Kde to bylo možné, byly konektorové špičky vynechány kvůli minimalizaci možných zkratů při opravách a oživování? 5) Jsou označené nastavitelné prvky?

368


6) Pro pojistky a žárovky byly použity patice a objímky? 7) Jsou citlivé přívody co nejkratší? Spoje vedoucí velký proud jsou dostatečně široké? 8) Teplé součástky jsou vzdálené od desky kvůli snížení přenosu tepla přes desku na okolní prvky? 9) Dostaly hotové spoje určené do těžkých provozních podmínek patřičnou úpravu? (lakování, zalévání apod.) 10) Nemůže nastat zkrat kovových pouzder tranzistorů s jinými součástkami ne desce, případně se sousední deskou? 11) Je na desce vynechaný prostor pro případné rozšiřování v budoucnosti? 12) Je označení typu jednotky a výrobní číslo na klišé dobře viditelné a nezaměnitelné s jinými nápisy? Šum, vazby, poruchy 1) Je poloha citlivých vodičů a součástek bezpečně fixovaná? 2) Je vf blokování napájení v každé jednotce? 3) Silové vodiče, obzvláště k cívkám a k motorům, jsou izolované a odstíněné od signálových (slaboproudých) obvodů a vodičů? 4) Je přenos signálů na větší vzdálenosti řešený způsobem zaručujícím maximální šumovou imunitu? (diferenciální přenos, vyšší napětí, stínění vodičů apod.) 5) Náběžné hrany spouštěcích impulsů jsou monotónní? 6) Je síťový přívod filtrovaný a průřez vodičů dostatečný? 7) Zemnění je vedené do jednoho bodu? 8) Neovlivňují se různá napájecí napětí přes odbočky na transformátoru? Rozhraní a propojení 1) Bylo použito standardizované rozmístění a označení vývodů? 2) Dají se propojovací kabely budit bez ztráty kvality přenosu? Jsou všechny zatěžovací impedance přiměřené svým budičům? 3) Jsou obvody odolné vůči zkratu na výstupu, příp. vůči výstupu naprázdno (odpojení zátěže)? 4) Byla prošetřená časová zpoždění a mají nějaký vliv na správnou činnost? Napájení 1) Nastavení počátečního stavu obvodů po zapnutí je automatické nebo manuální? Je potřeba určitá doba na ustálení teploty? 2) Způsobí odpojení jednoho nebo více zdrojů nevratnou poruchu, např. zničení některých součástek? 3) Je zapotřebí dodržovat určitou posloupnost připojování nebo odpojování napájecích napětí? Jestliže ano, je zabudované blokování? 4) Je možné připojit nebo odpojit síť v libovolném okamžiku? 5) Jaký má vliv opačné připojení stejnosměrného napětí? Teplota, chlazení 1) Je zabezpečeno dostatečné chlazení ve všech pracovních režimech? Může být snížené nedbalostí obsluhy? (např. stohováním papírů na skříňce apod.)


369

2) Vystačí přirozená konvekce vzduchu nebo je potřebný nucený oběh? Jestliže ano, vyzkoušejte účinnost ventilátorů v navrhnutém zařízení. 3) Jsou osoby chráněné před dotykem na horké části? 4) Jsou součástky citlivé na teplo (umělé hmoty, tranzistory, elektrolytické kondenzátory apod.) chráněné a dostatečně vzdálené od zdrojů tepla? 5) Byla zjišťována max. teplota okolí a prašnost v místě konečného nasazení? 6) Byly vyšetřované tepelné ztráty při nejhorších podmínkách (worst case conditions)? Relé, stykače, elektromagnety 1) Byla prošetřena doba přítahu, odpadu a zakmitávání kontaktů? 2) Je nutné potlačení jiskření kontaktů? Jestliže ano, je navržený způsob účinný? 3) Jsou kontakty správně dimenzované? 4) Použití bezkontaktních spínačů je výhodné/nevýhodné? 5) Byl zjištěn záběrový a trvalý příkon cívky? Je cívka dimenzovaná na trvalé sepnutí? 6) Je předepsaná montážní poloha prvku a má tato vliv na jeho životnost? U

U

Tlumivky, transformátory 1) Není síťový transformátor předimenzovaný/poddimenzovaný? 2) Neovlivňuje rozptylové magnetické pole jiné obvody? (např. vstupy nf zesilovačů) 3) Nezpůsobuje stejnosměrná složka proudu saturaci jádra? Je magnetický obvod z tohoto hlediska dostatečně dimenzovaný? 4) Provozní teplota jádra a vinutí je vyhovující? 5) Je počítáno s odbočkami na sekundáru kvůli dodatečným malým úpravám výstupních napětí? U

U

Ovládací panely a rozvaděče 1) Ovládací a signalizační panel je řešený z hlediska ergonomických, funkčních a estetických kritérií nebo byly prvky umístěné "tak, jak to vyšlo"? 2) Budou signálky dostatečně viditelné při okolním osvětlení a akustická návěstí výrazně odlišná od okolního hluku? Bylo pro výstražnou signalizaci použito přerušované světlo? 3) Tlačítka a vypínače je v případě potřeby možné ovládat i v rukavicích? 4) Je dobrý přístup při opravách? Bylo pamatováno na montážní síťovou zásuvku, případně osvětlení? 5) Při rozmisťování prvků do skříně byl zachovávaný určitý systém? Byl zkoumám vliv otřesů a vibrací na upevnění a funkci všech elementů? 6) Svorkovnice jsou lehko přístupné a zřetelně označené? Je oddělena ovládací a signalizační část od silové? 7) Je možná náhrada tavných pojistek jističi? 8) Průřezy spojovacích vodičů jsou adekvátně dimenzované a vhodně fixované? 9) Jsou sběrnice jednotlivých napětí označené zřetelně a ve smyslu platné ČSN? U

U

Materiálové a výrobní náklady 1) Je návrh podle možností bez speciálních elementů? (např. transformátory na zakázku, speciální mechanické díly, úzkotolerantní rezistory, exotické polovodiče) U

U

370


2) Je sortiment použitých součástek minimální? 3) Je jednotka nebo celek lehko sestavitelný a rychle testovatelný? 4) Byly použity perspektivní součástky? Tam, kde to bylo možné, byly použity laciné součástky, případně s klesající tendencí ceny? 5) Ruční drátování je omezeno na minimum? Zkoušení 1) Je výkresová dokumentace úplná a odpovídající skutečnosti? 2) Jsou měrné body umístěné tak, že jsou přístupné i v konečné sestavě? 3) Mohou se měrné body zkratovat na zem bez nebezpečí? 4) Jsou měrné body patřičně označené a shodně s výkresy? Je ze schémat zřejmá funkce obvodů? 5) Byly vypracované měřicí předpisy a popis funkce a činnosti všech obvodů? U


371

13 LITERATURA [1] MUSIL, V.: Ekonomika a řízení II. Skriptum VUT FE, Brno, Ed. stř. VUT 1987. [2] VRBA, K. - VRBA, K.: Ekonomika a řízení II. Skriptum VUT FE, Praha, SNTL 1984. [3] FILKA, M. - VRBA, K.: Telekomunikační projekty. Specializované přednášky. Skriptum VUT FE, Brno, Ed. stř. VUT 1989. [4] FILKA, M. a kol.: Diplomní semináře - telekomunikace. Skriptum VUT FE. Ed. stř. VUT, Brno 1989. [5] BAKER, D. aj.: Physical Design of Electronic Systems. Vol. I. Design Technology. Vol. II. Materials Technology. Vol. III. Integrated Device and Connection Technology. Vol. IV. Design Process. Prentice - Hall, 1970. [6] PETŘINA, J.: Konstrukce a spolehlivost elektronických zařízení. Praha, SNTL 1964. [7] BEDNAŘÍK, J. a kol.: Elektronická zařízení. Zásady pro navrhování. Praha, SNTL 1967. [8] ČÁSENSKÝ, M. - MAÒAS, S.: Metodika konstruování. Skriptum ČVUT FS. Praha, Ed. stř. ČVUT 1990. [9] BRACHTL, I.: Konstrukce počítačù I. Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1988. [10] BRACHTL, I.: Konstrukce počítačù II. Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1986. [11] DVOŘÁK, V.: Konstrukce počítačù. Skriptum VUT FE. Praha, SNTL 1986. [12] URBÁNEK, J. - VACKÁŘ, J.: Technologie elektronických zařízení I. Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT, 1982. [13] VACKÁŘ, J.: Technologie elektronických zařízení II. Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1983. [14] TRNKA, J. - MOOS, P.: Návrh telekomunikačních zařízení. Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1983. [15] NOVÁK, J.: Konstrukce a technologie spojovacích zařízení. Přednášky. Skriptum ČVUT FEL. Ed. stř. ČVUT, Praha 1986. [16] JÁNEŠOVÁ, E. - NOVÁK, J.: Konstrukce a technologie spojovacích zařízení. Cvičení. Skriptum ČVUT FEL. Ed. stř. ČVUT, Praha 1984. [17] URBÁNEK, J.: Výroba sdělovacích zařízení drátových. Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1981. [18] ŠAVEL, J.: Výrobní procesy II. Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1987. [19] KALÁB, P. - KEBRLE, O. - ZATLOUKAL, M.: Výrobní procesy II. Skriptum VUT FE. Brno, Ed. stř. VUT 1986. [20] KRÁL, J.: Technologie výroby elektrických přístrojù. Skriptum VUT FE. Praha, SNTL 1982. [21] NEČÁSEK, S. - JANEČEK, J. - RAMBOUSEK, J.: Elektronické a elektroakustické součástky. Jejich volba a použití. Praha, SNTL/ Alfa 1985. [22] CHARINSKIJ, A.L.: Konstrukce radiotechnických prvkù. Praha, SNTL 1962. [23] HOFT, H.: Pasívní součástky pro elektroniku. Praha, SNTL 1983. [24] RYŠÁNEK, V.: Součástková základna slaboproudá I. a II. Skripta ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1983. [25] URBÁNEK, J. a kol.: Technologie elektronických součástek. Laboratorní cvičení I. Skriptum ČVUT, Praha, Ed. stř. ČVUT 1987. [26] ŠEBOR, M.: Odstavce z technologie elektronických měřících přístrojù. ST, 1974, č. 5, s. 183 - 184. [27] HANLÍČEK, D.: Metaloxidové vrstvové odpory. ST, 1978, č. 3, s. 107 - 109. [28] GOGELA, J.: Zlepšená řada přesných stabilních odporù s kovovou vrstvou TR161 až TR164. ST, 1981, č. 4, s. 137- -138. [29] HANZLÍČEK, D.: Nová řada uhlíkových vrstvových odporù TR211 až TR217. ST, 1980, č. 1, s. 19 - 22. [30] HANZLÍČEK, D.: Metaloxidové vrstvové rezistory TR223 až TR226. ST, 1989, č. 2, s. 55 - 57. [31] BURIÁNEK, R.: Jak se chovají vrstvové odpory při frekvencích 10 - 200 Mc/s. ST, 1953, č. 6, s. 172 - 173. [32] BURIÁNEK, R.: Kmitočtová závislost vrstvových rezistorù. ST, 1963, č. 8, s. 314. [33] HANZLÍČEK, D.: Vysokoohmové a vysokonapě ové rezistory. ST, 1991, č. 5, s. 175. [34] STÁREK, J.: O vlivu vlastního zahřívání rezistorù. SO, 40, 1979, č. 2, s. 88 - 90. [35] SMETANA, P.: Jednoduchá úprava prùběhu potenciometrù. AR-A, 1980, č. 9, s. 384 - 389. [36] DANČÍK, B. - BURSA, J.: Nové druhy odporových vrstev pro měnitelné odpory a potenciometry. ST, 1966, č. 12, s. 451. [37] STUPKA, J.: Přechodové odpory v radiotechnice. ST, 1960, č. 2, s. 56 - 57. [38] SZENDIUCH, I.: Proudový šum odporù a potenciometrù a zjištění jeho velikosti. ST, 1968, č. 6, s. 216. [39] SZENDIUCH, I.: Pùsobení kontaktního přechodu v elektronickém obvodu. ST, 1969, č. 5, s. 146 - 147. [40] KINSKÝ, V.: Některá neobvyklá použití žárovek. ST, 1957, č. 8, s. 242 - 244. [41] ANTOŠ, J.: Napě ově závislé odpory. ST, 1965, č. 11, s. 414 - 415. [42] TUČEK, Z.: Provozní, špičkové, zkušební a prùrazné napětí kondenzátorù. ST, 1953, č. 12, s. 359 - 360. [43] ANTOŠ, J.: Volba kondenzátorù. ST, 1966, č. 1, s. 18 - - 19. [44] SELLNER, V.: Kondenzátor je když ... ST, 1984, č. 1 , s. 23 - 27. [45] SELLNER, R.: Ztrátový činitel kondenzátorù a spolehlivost elektronických přistrojù. ST, č. 4, s. 129 - 132. [46] RETÍK, J.: Monolitické keramické kondenzátory. AR-A, 1985, č. 6, s. 214 - 216. [47] RETÍK, J. - HUŠEK, B.: Keramické kondenzátory. AR, 1973, č. 8, s. 303 - 304. [48] SELLNER, V.: Ztrátový činitel kondenzátorù a spolehlivost elektronických přístrojù. ST, 1986, č. 4, s. 129 - 132. [49] KABEŠ, K.: Měření dielektrické absorpce kondenzátoru. ST, 1968, č. 9, s. 342. [50] STUPKA, J.: Dielektrická absorpce kondenzátorù. ST, 1975, č. 1, s. 12 - 13. [51] SEDLÁČEK, M.: Rozbor chyb integrace napětí elektronickým analogovým integrátorem v časové oblasti. SO, 40, 1979, č. 2, s. 57 - 63. [52] NĚMEC, A.: Elektrolytické kondenzátory a jejich vlastnosti. Konstrukční příloha časopisu AR 1984, s. 69 - 74. [53] BĚLOHUBÝ, R. - KRUML, J.: Hliníkový elektrolytický kondenzátor s pevným elektrolytem. ST, 1968, č. 9, s. 337 - 338. [54] DRAŠAR, M.: Tantalový kondenzátor s tekutým elektrolytem. ST, 1971, č. 9, s. 291 - 294. [55] RUŽINSKÝ, M.: Dielektrické tenké vrstvy v elektrolytických kondenzátoroch. SO, 38, 1977, č. 5, s. 233 - 234. [56] OLACH, O.: Jednosmerná kapacita elektrolytických kondenzátorov. SO, 46, 1985, č. 12, s. 580 - 584. [57] POSLT, Z.: Co jsou to thermistory. ST, 1954, č. 3, s. 67 - 70. [58] ROTH, L.: Typy československých termistorù. ST, 1962, č. 3, s. 91 - 94 [59] VEPŘEK, J.: Termistory a jejich použití pro měření neelektrických veličin. SO, 23, 1962, č. 4, s. P17 - - P24. [60] ROTH, L.: Termistory s kladným teplotním koeficientem. ST, 1964, č. 8, s. 284 - 287. [61] DOČKÁLEK, A.: Aplikace termistorù s kladným teplotním koeficientem. ST, 1964, č. 9, s. 343 - 345. [62] KOLOMAZNÍK, K. - NOVOTNÝ, M.: Nové typy perličkových termistorù čs. výroby pro měření teploty. ST, 1970, č. 10, s. 298 - 299. [63] JANSA, J.: Termistory. ST, 1983, č. 7, s. 259 - 262. [ ] REINBOTH, H.: Vlastnosti a použití magnetických materiálù. SNTL, Praha 1975. [64] ŠAVEL, J.: Přehled ferromagnetických materiálù. ST, 1957, č. 10, s. 302 - 306. [65] HROUDNÝ, L.: Kysličníkové magnetické materiály - ferrity. ST, 1961, č. 5, s. 176 - 178. [66] TISCHER, Z.: Druhy a vlastnosti magneticky měkkých materiálù naší výroby. ST, 1963, č. 5, s. 162 - 166.

372


[67] PETREK, J.: Čs. feritové materiály. AR, 1968, č. 7, s. 263 - 266. [68] KRISTOFOVIČ, G.: Vlastnosti magneticky měkkých feritù. AR, 1976, č. 1, s. 29 - 30, č. 2, s. 68 - 71, č. 3, s. 108 - 110. [69] MERHAUT, J.: Konstrukce a výpočet permanentních magnetù. ST, 1968, č. 6, s. 211 - 213. [70] TAMELE, J.: Miniaturní cívky na feritových tyčinkách. ST, 1963, č. 3, s. 338 - 342. [71] KOČÍ, L.: Dělení feritových tyček. AR, 1971, č. 8, s. 285. [72] KAŠŠA, V.: Miniatúrne feritové cievky pre rozhlasové prijímače. ST, 1964, č. 6, s. 218 - 219. [73] BENEDIKT, V.: Induktivní anténa s feritovým jádrem. ST, 1956, č. 6, s. 163 - 165. [74] HROUDNÝ, L.: Ferritové přijímací antény. ST, 1963, č. 4, s. 130 - 133. [75] BLABLA, J.: Prùchodkové prvky s ferritovým jádrem. ST, 1958, č. 8, s. 313. [76] DUŠÁNEK, V.: Feritové toroidní cívky. AR, 1975, č. 9, s. 355 - 356. [77] Toroidy z prodejny svazarmu. AR, 1974, č. 12, s. 469 - - 470. [78] PETREK, J.: Feritová hrníčková jádra. AR, 1975, č. 9 a č. 10. [79] PETREK, J.: Návrh cívek s feritovými hrníčkovými jádry. AR-A, 1976, č. 11, s. 419 - 422, č. 12, s. 457 - - 463. [80] PETŘÍK, P.: Návrh cívek s feritovými hrníčkovými jádry II. Konstrukční příloha AR, 1988, s. 56 - 65. [81] FAKTOR, Z. - REJMÁNEK, M. - ŠIMEK, B.: Transformátory a laděné cívky pro sdělovací techniku. Praha, SNTL 1968. [82] NEČÁSEK, S.: Radiotechnika do kapsy. Praha, SNTL 1981. [83] PROVAZ, J.: Význam teplotní kompenzace kmitočtu vf. obvodù. ST, 1956, č. 1, s. 11 - 14. [84] Teplotní koeficienty. ST, 1956, č. 3, s. 77 - 80. [85] Výpočet TK indukčnosti. ST, 1956, č. 8, s. 226 - 230. [86] PROVAZ, J.: Teplotní kompenzace kmitočtu vysokofrekvenčních obvodù. Praha, SNTL 1958. [87] REJMÁNEK, M.: Subminiaturní mezifrekvenční transformátor čs. výroby. ST, 1956, č. 7, s. 196 - 198. [88] REJMÁNEK, M.: Mezifrekvenční transformátor pro náročnější přijímače. ST, 1955, č. 9, s. 266 - 268. [89] ŠIMÙNEK, Z.: K laboratorní a výrobní praxi s mf. transformátory v rohlasových přijímačích. ST, 1961, č. 1, s. 19 - 22. [90] REJMÁNEK, M.: Mezifrekvenční trasformátor pro úzkopásmové mf zesilovače 10 až 40 MHz. ST, 1960, č. 5, s. 174 - 175. [91] REJMÁNEK, M.: Hermetisovaný mezifrekvenční transformátor. ST, 1960, č. 6, s. 213 - 214. [92] DOČEKAL, J.: Hermetisovaný mf. transformátor s uzavřeným magnetickým obvodem. ST, 1961, č. 6, s. 204 - - 205. [93] FAKTOR, Z.: Současný stav měřící techniky cívek. SO, 46, 1985, č. 2, s. 81 -83. [94] VÍ AZ, I.: Širokopásmové transformátory. SO, 47, 1986, č. 1, s. 14 - 22. [95] LAÒKA, Z.: Význačné kmitočty rezonančních obvodù. SO, 46, 1985, č. 9, s. 424 - 427. [96] SHRBENÝ, S. - TRENDA, J.: Výroba vinutých transformátorových jader. ST, 1960, č. 9, s. 334. [97] POHANKA, J.: Stavba sí ových transformátorù. Praha, SNTL, 1960. [98] VAŠÍČEK, A.: Typizované napájecí transformátory a vyhlazovací tlumivky. Praha, SNTL 1963. [99] Návrh sí ových transformátorù. AR, 1975, č. 3, s. 90 - - 92. [100] Jak na to. AR, 1966, č. 2, s. 5 - 7, č. 3, s. 26 - - 27. [101] KABEŠ, K.: Výpočet normalizovaných transformátorù. ST, 1956, č. 2, s. 42 - 45. [102] TUČEK, Z.: Normalizované napájecí transformátory Adast. ST, 1960, č. 12, s. 462 - 464. [103] PACÁK, M.: Grafický postup návrhu napájecího transformátoru. ST, 1969, č. 1, s. 20 - 22. [104] SVOZIL, M.: Výpočet transformátorù na jádrech C. ST, 1959, č. 8, s. 284 - 288. [105] SVOZIL, M.: Ještě transformátory na jádrech C. ST, 1960, č. 2, s. 54 - 55. [106] SVOZIL, M.: Vlastnosti jader C v podmínkách stejnosměrné předmagnetizace. ST, 1961, č. 10, s. 368 - - 370. [107] FAKTOR, Z. a j.: Výkonové transformátorky s jádry C. ST, 1980, č. 3, s. 87 - 91. [108] SVOZIL, M.: Návrh předmagnetovaných indukčností na jádrech C. ST, 1962, č. 4, s. 133 - 137. [109] KOPŘIVA, J.: Napájecí transformátory vyšších technických kmitočtù s jádry C. ST, 1960, č. 7, s. 242 - 243. [110] ŽEŽULKA, R.: Držáky jader C a jejich vlastnosti. ST, 1961, č. 8, s. 283 - 284. [111] HROMÁDKA, L.: Jednoduchá konstrukce držáku jader C. ST, 1963, č. 1, s. 25. [112] KABEŠ, K.: Transformátorové plechy s řezem MD. ST, 1963, č. 3, s. 100 - 101. [113] ŠEBOR, M.: Malé napájecí transformátory. ST, 1979, č. 2, s. 67 - 71. [114] PRÙCHA, S.: Výpočet sdělovacích transformátorù. ST, 1956, č. 5, s. 150 - 153. [115] REJMÁNEK, M.: Řada miniaturních nízkofrekvenčních transformátorù. ST, 1959, č. 12, s. 442 - 447. [116] FIALA, V.: Výstupní transformátory pro kvalitní reprodukci. ST, 1958, č. 2, s. 64. [117] K výpočtu nízkofrekvenčních sdělovacích transformátorù. ST, 1960, č. 7, s. 252 - 254. [118] FAKTOR, Z. - ŠÁLEK, V.: Feritová jádra E. ST, 1962, č. 11, s. 402 - 408. [119] FAKTOR, Z.: K návrhu miniaturních sdělovacích transformátorù. ST, 1958, č. 12, s. 446 - 449. [120] Výpočet převodního transformátoru. ST, 1953, č. 9, s. 272. [121] SVITOK, P.: Ako dimenzova malý regulačný autotransformátor? ST, 1954, č. 11, s. 332 - 334. [122] ŠTOČEK, F.: Výpočet elektrických vinutí. ST, 1954, č. 11, s. 327 - 332. [123] Určení teploty transformátorù měřením odporu vinutí. ST, 1971, č. 1, s. 31. [124] Kam s ním? ST, 1977, č. 7, s. 268. [125] MIHÁLKA, P.: Ako opravi partiové transformátory. AR, 1969, č. 5 s. 187 - 188. [126] LUKOVSKÝ, M.: Přibližné určení parametrù neznámého transformátoru. AR-A, 1976, č. 5, s. 170. [127] KURKA, P.: Určení jmenovitého napětí a jmenovitého výkonu neznámého sí ového transformátoru. AR, 1970, č. 6, s. 205. [128] KABEŠ, K.: Výpočet tlumivek s normalizovanými plechy řezu EI a M. ST, 1956, č. 12, s. 370 - 374. [129] KOLOUCH, J.: Jednoduchý návrh tlumivky se stejnosměrnou předmagnetizací. ST, 1975, č. 1, s. 14 - - 15. [130] KUNA, M. - DVOŘÁK, S.: Návrh vzduchové tlumivky s optimální geometrií. ST, 1977, č. 7, s. 242 - 244. [131] KABEŠ, K.: Nomogram pro návrh tlumivek se stejnosměrnou předmagnetizací s normalizovaným jádrem. ST, 1963, č. 1, s. 38 - 40. [132] TLAMSA, J.: Jazýčkové kontakty a relé. AR, 1966, č. 11, s. 20 - 21. [133] ZÁCHEJ, K.: Výpočet vinutia relé. AR-A, 1979, č. 1, s. 25. [134] KUCHTA, K.: Grafický návrh vinutí relé. AR-A, 1979, č. 2, s. 55 - 56. [135] MAYER, A.: Solid state relay. ST, 1976, č. 5, s. 187 - 188. [136] Relé a jejich použití. AR, 1968, č. 10, s. 375 - 382. [137] ZELENKA, J.: Piezoelektrické rezonátory. SO, 23, 1962, č. 12, s. P73 - P80. [138] HAVELKA, V.: Nízkofrekvenční piezoelektrické rezonátory. ST, 1961, č. 11, s. 409 - 414. [139] ŠOLC, I.: Co všechno nás zajímá na piezoelektrickém krystalu. ST, 1953, č. 7 - 8, s. 221 - 222. [140] OBRAZ, J.: Zpùsob měření veličin náhradního obvodu piezoelektrických a elektrostrikčních látek. ST, 1956, č. 5, s. 145 - 146. [141] HOFMANN, A.: Stanovení prvkù náhradního zapojení piezokeramických rezonátorù měřičem impedance. ST, 1982, č. 1, s. 13 - 15. [142] NOSEK, J.: Nelineární elektrický náhradní obvod piezoelektrického rezonátoru. SO, 45, 1984, č. 3, s. 133 - 137.


373

[143] PROCHÁZKA, J.: Chemická úprava krystalových výbrusù. AR, 1963, č. 12, s. 352 - 354. [144] ERBEN, J.: Úprava krystalù nizkých kmitočtù. AR, 1970, č. 7, s. 76. [145] MIKULASCHEK, A.: Problémy kalibrace a dlouhodobé frekvenční stability křemenných oscilátorù. ST, 1957, č. 10, s. 290 - 295. [146] SOBOTKA, Z.: Přeladitelný krystalový oscilátor. ST, 1961, č. 1, s. 15 - 17. [147] PAVLOVEC, J.: Frekvenční rozlaïování krystalových oscilátorù. SO, 42, 1981, č. 8, s. 378 - 384. [148] PÁTÝ, J.: Rozbor některých typù krystalových oscilátorù. SO, 19, 1958, č. 3, s. 157 - 166. [149] PAVLOVEC, J. - ŠRAMAR, J.: Krystalové jednotky a oscilátory. AR-B, 1987, č. 2, s. 42 - 61. [150] DOČEKAL, J. - MACÙREK, I.: Piezokeramické filtry - moderní prvky soustředěné selektivity. ST, 1966, č. 7, s. 242 - 245. [151] Krystalové oscilátory s invertory TTL. ST, 1984, č. 5, s. 167 - 168. [152] HÁJEK, J.: Krystalové oscilátory s obvody TTL. ST, 1975, č. 11, s. 426 - 427. [153] VACHALA, V.: Krystalové oscilátory s unipolárními integrovanými obvody. ST, 1986, č. 2, s. 44 - 46. [154] Krystalové oscilátory. AR, 1974, č. 11, s. 435 - 437. [155] ČERNOHLÁVEK, D. - STEFAN, O.: Keramická feroelektrika a jejich užití v systémech piezoelektrických filtrù. ST, 1966, č. 5, s. 168 - 170. [156] KOLLMANN, M.: Širokopásmový krystalový filtr. ST, 1977, č. 3, s. 99 - 103. [157] POMICHÁLEK, J.: Piezoelektrické rezonátory v syntéze aktivních filtrù RC. SO, 45, 1984, č. 12, s. 570 - 573. [158] STEFAN, O.: Keramické monolitické piezoelektrické filtry. ST, 1970, č. 12, s. 366 - 368. [159] BÉM, J. a kol.: Československé polovodičové součástky. Praha, SNTL 1971. [160] BÉM, J a kol.: Československé polovodičové součástky II. Praha, SNTL 1979. [161] STACH, J. a kol.: Československé integrované obvody. Praha, SNTL 1975. [162] KARLOVSKÝ, J.: Zenerovy diody - historický omyl. ST, 1968, č. 10 - 11, s. 394 - 395. [163] MATULÍK, F.: Nové stabilizačné diody KZ140 a KZ141. ST, 1974, č. 5, s. 173 - 174. [164] TOMEŠ, M.: Šum zenerových diod. ST, 1965, č. 3, s. 82 - 84. [165] Integrované Zenerovy diody. ST, 1982, č. 3, s. 89 - - 90. [166] MATULÍK, F.: Schottkyho diódy a rýchle usmeròovacie diódy pre impulzové napájacie zdroje. ST, 1984, č. 8, s. 284 - 286. [167] Schottkyho hradlové diody. ST, 1984, č.2, s. 54 - 56. [168] DUDÍK, M. - MATULÍK, F.: Velmi rýchle výkonové diódy pre impulzné napájacie zdroje. ST, 1982, č. 1, s. 17 - - 20. [169] KRUTÍLEK, F. - TRHLÍK, J.: Difusní výkonové diody TESLA. ST, 1966, č. 12, s. 452 - 459. [170] KRUTÍLEK, F.: Kapacitní diody - varikapy. ST, 1966, č. 9, s. 332 - 334. [171] BÍLÝ, K. - KRUPA, K.: Ladicí varaktory. ST, 1982, č. 2, s. 55 - 58. [172] SVOBODA, V.: Varaktorové násobiče kmitočtu. AR, 1967, č. 10, s. 312. [173] VRBA, J.: Celková a náhradní kapacita varaktoru. SO, 38, 1977, č. 10, s. 464 - 470. [174] BÍLÝ, K.: Dioda PIN - princip a použití. ST, 1973, č. 10, s. 362 - 365. [175] ŽALUD, V.: Útlumové články s diodami PIN. ST, 1976, č. 6, s. 226 - 227. [176] ŽALUD, V.: Diodové fázové demodulátory. SO, 44, 1983, č. 10, s. 503 - 508. [177] ŽALUD, V.: Diodové směšovače. ST, 1979, č. 8, s. 307 - 310. [178] ČERVENÁK, J.: Fotoelektrické ovládacie a ochranné obvody so selénovými fotónkami. ST, 1961, č. 1, s. 2 - - 5. [179] ČERVENÁK, J.: Selénové fotónky československej výroby. ST, 1960, č. 4, s. 139 - 144. [180] VČELAŘ, J.: Vlastnosti křemíkových fotonek TESLA 1PP75. ST, 1964, č. 9, s. 323 - 325. [181] BÉM, J.: Křemíková fotonka KP101. ST, 1970, č. 3 - 4, s. 93 - 94. [182] Nové značení světelných diod SIEMENS. ST, 1986, č. 4, s. 138 - 140. [183] ŠEVČÍK, B.: Nový germaniový tranzistor GS507. ST, 1968, č. 6, s. 202 - 204. [184] KOUTNÍK, Z.: Nízkošumové tranzistory TESLA KC507 - KC509. ST, 1969, č. 8, s. 226 - 230. [185] HÙLKA, Z.: Vlastnosti tranzistorù KC507 v oblasti malých kolektorových proudù. ST, 1971, č. 9, s. 281 - - 283. [186] Tranzistor KC147 jako spínač. ST, 1973, č.12, s. 466. [187] BÉM, J.: Křemíkové spínací tranzistory KSY62 a KSY63. ST, 1969, č. 1, s. 4 - 7. [188] FOLVARČNÝ, R.: Vysokofrekvenční tranzistory TESLA KF167, KF173. ST, 1970, č. 12, s. 358 - 361. [189] JUREČKA, J.: Vysokofrekvenční tranzistory TESLA KF257, KF258. ST, 1974, č. 4, s. 127 - 130. [190] HÁJEK, J.: Vícenásobné tranzistory. ST, 1974, č. 1, s. 21 - 23. [191] MACHALÍK, L. - KRYŠKE, M.: Integrované dvojice bipolárních tranzistorù NPN pro rozdílové zesilovače. ST, 1978, č. 5, s. 162 166. [192] SLÍŽEK, R.: Nový typ tranzistorù TESLA - KD601. ST, 1969, č. 12, s. 359 - 360. [193] MIKULENKA, F.: KD270, KD271 - Komplementární dvojice výkonových tranzistorù. ST, 1989, č. 8, s. 305 - 306. [194] NEUMANN, P. - SPRINGER, V.: Sériové řazení tranzistorù. ST, 1963, č. 8, s. 295 - 299. [195] KADLEC, V.: Paralelní řazení tranzistorù. ST, 1987, č. 5, s. 177 - 178. [196] BUDÍNSKÝ, J.: Statické vlastnosti plošných tranzistorù v impulsovém provozu. SO, 20, 1959, č. 9, s. 570 - 577. [197] HAVLÍK, L.: Spínací vlastnosti polovodičových součástek. ST, 1967, č. 5, s. 162 - 167. [198] HÁJEK, J.: Tranzistor v obvodu střídavého proudu. ST, 1973, č. 2, s. 67. [199] TRHLÍK, J.: Přetěžovací charakteristiky tranzistorù TESLA. ST, 1967, č. 9, s. 329 - 332. [200] STACH, J.: Nepřímé hodnocení saturační časové konstanty tranzistorù. ST, 1968, č. 12, s. 433 - 435. [201] STACH, J.: Mezní hodnoty tranzistorù. AR, 1967, č. 1, s. 8 - 11. [202] STACH, J.: Jak používat údajù o zatížitelnosti výkonových tranzistorù. ST, 1973, č. 3, s. 205 - 208. [203] HOTMAR, Z.: Možnosti a užití tranzistorù pracujících v lavinové oblasti charakteristiky. AR-R, 1981, č. 5, s. 24 - 26. [204] HAVLÍK, L.: Lavinové generátory. Konstrukční příloha časopisu AR, 1982, s. 42 - 51. [205] ŽALUD, V.: Tranzistory řízené elektrickým polem typu MOS. AR, 1968, č. 3, s. 104 - 105, č. 4, s. 136 - 137. [206] BALÁŠ, J.: Výstupní charakteristiky MOS tranzistoru KF520 TESLA. ST, 1968, č. 10 - 11, s. 372 - 373. [207] HRUBÝ, F.: Vlastnosti tranzistorù MOS TESLA - KF521. ST, 1970, č. 11, s. 325 - 329. [208] PUČELÍK, J.: Nelineární převodník obdélníkového napětí na sinusové s tranzistorem MOS KF521. ST, 1974, č. 1, s. 3 - 4. [209] HRUBÝ, F.: Dvojice tranzistorù MOS - KF552. ST, 1971, č. 10, s. 319 - 325. [210] PELIKÁN, L.: Teplotní stabilizace obvodù s tranzistory MOS. ST, 1971, č. 9, s. 284 - 286. [211] FADRHONS, J.: Kaskodový zesilovač pro KV s tranzistory MOSFET TESLA KF521. ST, 1971, č. 2, s. 44 - - 46. [212] ŽALUD, V.: Tranzistory řízené elektrickým polem ve vstupních obvodech přijímačù. ST, 1969, č. 8, s. 241 - - 243. [213] KIPNICH, H.D.: Tranzistory řízené polem MOS a PLL v přijímačích VKV. AR-A, 1983, č. 10, s. 373 - 375, č. 11, s. 429 - 431. [214] PACÁK, M.: Polovodičový elektrometr. ST, 1971, č. 8, s. 249 - 252. [215] ŽALUD, V.: FET v nízkofrekvenční technice. ST, 1970, č. 2, s. 41 - 44. [216] MELÍŠEK, T.: Náhrada výkonového MOS FET. AR-A, 1984, č. 9, s. 336.

374


[217] ŽALUD, V.: Tranzistory V-MOS a jejich použití v lineárních obvodech. ST, 1980, č. 8, s. 301. [218] Řízení výkonových tranzistorù MOS. ST, 1983, č. 5, s. 171 - 172. [219] PARKAN, P. - PATÁK, Z.: Použití výkonových tranzistorù MOS u zdrojù a měničù elektrického napájení s impulsní regulací. ST, 1985, č. 6, s. 207 - 211. [220] Další aplikace výkonových tranzistorù MOS. ST, 1985, č. 7, s. 261 - 264. [221] Zacházení s elektrostaticky citlivými součástkami. AR-A, 1988, č. 7, s. 268 - 269. [222] KOZA, V.: Ochrana tranzistoru MOSFET. AR-A, 1979, č. 10, s. 369. [223] ŽALUD, V.: Tranzistor MESFET. ST, 1975, č. 10, s. 379 - 380. [224] ŽALUD, V.: Mikrovlnné tranzistory. ST, 1977, č. 12, s. 471 - 473. [225] ŽALUD, V.: Mikrovlnné tranzistory HEMT. ST, 1990, č. 1, s. 7 - 9. [226] BUDĚJICKÝ, J. - KLÍMA, F.: Šum elektronických obvodù. Praha, SNTL 1962. [227] ŽALUD, V. - KULEŠOV, V.N.: Polovodičové obvody s malým šumem. Praha, SNTL 1980. [228] HORNA, O.A.: Šumové vlastnosti tranzistorù. ST, 1964, č. 9, s. 326 - 329. [229] OCÁSEK, L. - ŠENFLUK, J.: Nízkofrekvenční šum tranzistorù. ST, 1978, č. 4, s. 131 - 136. [230] ŽALUD, V.: Šum bipolárních tranzistorù při vyšších kmitočtech. ST, 1971, č. 8, s. 245 - 247. [231] ŽALUD, V.: Co je to 'praskavý' šum a jak se měří. ST, 1975, č. 3, s. 107 - 108. [232] ŽALUD, V.: Termický šum tranzistoru MOS. ST, 1968, č. 12, s. 436 - 438. [233] ŽALUD, V.: Souhrnný pohled na vf šumové vlastnosti tranzistoru FET. ST, 1971, č. 3 - 4, s. 86 - 89. [234] PLZÁK, J.: Program výpočtu vlastností zesilovače pomocí parametrù s. ST, 1978, č. 8, s. 307 - 309. [235] ŽALUD, V.: Parametry s a jejich použití. ST, 1977, č. 11, s. 409 - 412. [236] REGNARD, F.: Šumové parametry vybraných modifikovaných dvojbranù. SO, 45, 1984, č. 10, s. 490 - - 493. [237] ŽALUD, V.: Nový princip optimalizace vstupních zesilovačù. SO, 40, 1979, č. 6, s. 291 - 293. [238] HAVLÍK, L.: Stav měřící techniky tranzistorù ve světě. SO, 21, 1960, s. 89 - 96. [239] HAVLÍK, L.: Některé metody měření vysokofrekvenčních tranzistorù. ST, 1958, č. 11, s. 424 - 426. [240] HEJSEK, F. a j.: Statické spínací parametry tranzistorù a jejich měření. ST, 1968, č.2, s. 42 - 45. [241] HAVLÍK, L.: Měření spínacích vlastností polovodičových diod. ST, 1969, č. 11, s. 325. [242] HAVLÍK, L.: Měření spínacích dob tranzistorù bez osciloskopu. ST, 1970, č. 5, s. 130 - 133. [243] BÉDA, A.Š.: Určenie parametrov u tranzistorov neznámeho typu. AR, 1972, č. 3, s. 98 - 99. [244] Nejjednodušší měřiče tranzistorù a diod zapojených v obvodech. ST, 1968, č. 6, s. 226. [245] MACH, J.: Vlastnosti triaku, zpùsoby řízení a ochrany. ST, 1973, č. 6, s. 209 - 212. [246] PELIKÁN, L.: Polovodičové prvky dinistor, tyristor, diak, triak a kvadrak. ST, 1971, č. 11, s. 357 - 360. [247] KRUTÍLEK, F.: Křemíkové tyristory. ST, 1967, č. 8, s. 282 - 286. [248] RUČKA, M. - ARENDÁŠ, M.: Diac a triac. AR, 1972, č. 3, s. 108 - 109. [249] HRUBÝ, F.: Zpùsoby řízení tyristorù a triakù. ST, 1974, č. 11, s. 407 - 410. [250] HRUBÝ, F.: Integrovaný obvod pro fázové řízení triakù a tyristorù MAA436. ST, 1974, č. 12, s. 449 - 454. [251] Měřič prùrazného napětí tyristorù. AR, 1973, č. 5, s. 178. [252] Měřič prùrazného napětí diod. AR, 1968, č. 6, s. 228. [253] KELLNER, L.: Měřič prùrazného napětí tranzistorù. AR, 1971, č. 12, s. 450 - 451. [254] ARENDÁŠ, M.: Jednoduchý zkoušeč tyristorù. AR-A, 1976, č. 3, s. 94. [255] ČECH, K. - MACH, J.: Obvod RC jako ochranný článek polovodičových spínačù v obvodech s odporovou nebo mírně induktivní zátěží. SO, 38, 1977, č. 5, s. 215 - - 225. [256] ŽALUD, V.: Obvody s tranzistory UJT. AR, 1969, č. 12, s. 465 - 467. [257] MACH, J.: Komplementární tranzistory jako řízený spínač. AR, 1975, č. 1, s. 20 - 22. [258] HRUBÝ, F.: Polovodičové snímače tlaku. ST, 1979, č. 2, s. 49 - 53. [259] PUNČOCHÁŘ, J.: Jeden symbol - tři rozdílné struktury. ST, 1990, č. 4, s. 131 - 134, č. 5, s. 169 - 171. [260] PŘÍHODA, K.: Monolitické operační zesilovače I. ST, 1971, č. 9, s. 287 - 290. [261] ZÍMA, J.: Monolitický operační zesilovač µA740. AR, 1971, č. 10, s. 384 - 387. [262] HRUBÝ, F.: Vlastnosti operačních zesilovačù MAA741 a MAA741C. ST, 1978, č. 3, s. 82 - 86. [263] Operační zesilovače MAA748 a MAA748C. ST, 1978, č. 6, s. 215 - 219. [264] ZÍMA, J.: Monolitický operační zesilovač µA725. AR, 1971, č. 4 a 5, s. 330 - 332. [265] STEHNO, I.: Operační zesilovače řady MAA725 Tesly Rožnov. ST, 1975, č. 6, s. 202 - 210. [266] KABEŠ, K.: Použití operačních zesilovačù při vyšších kmitočtech. ST, 1978, č. 7, s. 247. [267] MACHALÍK, L. - SLÍŽEK, R.: Vlastnosti a parametry integrovaných obvodù MDA2020 a MDA2010. ST, 1978, č. 4, s. 125 - 129. [268] Integrovaný výkonový nízkofrekvenční zesilovač MDA2005. ST, 1991, č. 4, 5, 6. [269] STRIČEK, F.: Vysokofrekvenčné lineárne obvody MA3005, MA3006. ST, 1971, č. 10, s. 314 - 318. [270] KALVODA, R.: Offset a drift u operačních zesilovačù. ST, 1971, č. 10, s. 328 - 330. [271] DOSTÁL, J.: Operační zesilovač. ST, 1969, č. 3 - 4, s. 84 - 88. [272] DOSTÁL, J.: Operační zesilovač ve zpětnovazební síti. ST, 1969, č. 9 - 10, s. 265 - 272. [273] DOSTÁL, J.: Operační zesilovač: zdroje, omezovače, boostery. ST, 1969, č. 12, s. 366 - 370. [274] DOSTÁL, J.: Operační zesilovače. ST, 1970, č. 3 - 4, s. 76 - 82. [275] ZÁBRANSKÝ, J.: Parametry nízkofrekvenčního zesilovače MDA2020 ve funkci výkonového operačního zesilovače. ST, 1985, č. 12, s. 446 - 449. [276] LOJEK, B.: Korekční obvody a jejich vliv na rychlost operačního zesilovače. ST, 1985, č. 8, s. 303 - 304. [277] MOHAMED, Y.T.: Korekční obvody operačních zesilovačù. ST, 1973, č. 10, s. 366 - 368. [278] PLZÁK, J.: Vyšetřování stability Bodovou metodou. ST, 1974, č. 5, s. 163 - 166. [279] PUNČOCHÁŘ, J.: Souvislost mezi rychlostí přeběhu a činitelem nelineárního zkreslení u operačních zesilovačù. ST, 1980, č. 11, s. 417 - 420. [280] PUNČOCHÁŘ, J.: Rozšíření pracovní oblasti operačního zesilovače. ST, 1988, č. 11, s. 423 - 424. [281] PUNČOCHÁŘ, J.: Dynamické vlastnosti operačních zesilovačù a jejich orientační určení z katalogových údajù. ST, 1982, č. 4, s. 123 127. [282] ŠVEC, A.: Jeden zpôsob frekvenčnej kompenzácie operačného zosilòovača MAA725 pre velké signály. ST, 1985, č. 7, s. 267 - 268. [283] STŘÍŽ, V.: Značení integrovaných obvodù RFT z NDR. ST, 1989, č. 11, s. 422. [284] Značení sovětských polovodičových součástek a integrovaných obvodù. ST, 1988, č. 2, s. 65 - 67. [285] TUČEK, Z.: Normalizace schematických značek. ST, 1955, č. 3, s. 80 - 82. [286] TUČEK, Z.: O dalším vývoji schematických značek pro elektroniku. ST, 1955, č. 4, s. 106 - 108. [287] TUČEK, Z.: Nové normalizované schematické značky pro elektroniku. ST, 1962, č. 2, s. 42 - 46. S

S

S

S


375

[288] TUČEK, Z.: Normalizace - typisace - unifikace - specializace. ST, 1962, č. 7, s. 242. [289] TUČEK, Z.: Označování odporù a kondenzátorù. st, 1970, č. 6, s. 172 - 175. [290] TUČEK, Z.: Kódové značení a označování odporù a kondenzátorù. ST, 1980, č. 6, s. 219 - 221. [291] TUČEK, Z.: Kódové označování jmenovitých hodnot odporù a kapacit a jejich dovolených úchylek. SO, 40, 1979, č. 2, s. 94 - 96. [292] TUČEK, Z.: K popisu schémat. AR-A, 1985, č. 10, s. 391 - 392, č. 11, s. 428. [293] TUČEK, Z.: Normalizovaná čísla. SO, 46, 1985, č. 8, s. 400 - 402. [294] TUČEK, Z.: Normalizované schématické značky odporù a kondenzátorù. SO, 42, 1981, č. 8, s. 409 - 410. [295] TUČEK, Z.: Normalizované schématické značky pro lasery a masery. SO, 44, 1983, č. 5, s. 256 - 257. [296] TUČEK, Z.: Normalizované schématické značky pro vlnovody. SO, 41, 1983, č. 6, s. 304 - 306. [297] TUČEK, Z.: Normalizované schématické značky rádiových stanic. SO, 40, 1979, č. 6, s. 302 - 303. [298] TUČEK, Z.: Sdělovací zásuvky a vidlice. ST, 1984, č. 1, s. 7 - 10. [299] TUČEK, Z.: Schématické značky pro teorii elektrických obvodù. SO, 46, 1985, č. 5, s. 237 - 246. [300] ČAJKA, J. - POSPÍŠIL, J.: K návrhu schématických značek pro teorii elektrických obvodù. SO, 48, 1987, č. 3, s. 146 - 147. [301] TUREK, K. - ANDRLE, C.: K otázkám názvosloví a normalizace v oblasti přenosu světlovody. SO, 43, 1982, č. 7, s. 355 - 360. [302] TUČEK, Z.: Značky nahrazující nápisy na přístrojích. ST, 1974, č. 7, s. 249 - 252. [303] POHNER, B.: Normalizace odborného názvosloví. SO, 19, 1958, č. 6, s. 411. [304] FOREJT, Z.: Základy tvoření odborných názvù. ST, 1961, č. 9, s. 344 - 345. Literatura k elektromagnetické kompatibilitě [305] SVOBODA, J. - VACULÍKOVÁ, P. - VONDRÁK, M. - ZEMAN, T.: Základy elektromagnetické kompatibility. Skriptum ČVUT FEL. Praha, vydavatelství ČVUT 1993. [306] SVOBODA, J.: Elektromagnetická kompatibilita-nutná podmínka k elektronizaci. ST, 1985, č. 10, s. 361 - 364. [307] KARLOVSKÝ, J.: Elektromagnetická slučitelnost. ST, 1991, č. 6, s. 203 - 205. [308] HAVLÍK, L.: Elektromagnetická kompatibilita. AR-A, 1992, č. 11, s. 527 - 529. [309] Největší a nejmodernější evropská zkušebna EMK. ST, 1990, č. 8, s. 301. [310] VOLIN, M. L.: Parazitní vazby a přenosy. Praha, SNTL 1970. [311] TORNAU, F.: Elektrické rušivé vlivy v zařízení pro automatizaci a zpracování dat. Praha, SNTL 1978. [312] SKÁLA, J.: Rušení a odrušování. AR-B, 1980, č. 2, s. 42 - 78. [313] SKÁLA, J. - SKÁLOVÁ, A.: Rádiové (kmitočtové) spektrum a jeho ochrana. AR-B, 1992, č. 4, s. 123 - 151. [...] VÁÒA, V. - HALAČKA, F.: Elektromagnetická kompatibilita v praxi. ST, 1993, č. 10, s. 390-392. [314] Elektrické rušení a jeho vliv na citlivé obvody. ST, 1976, č. 8, s. 311. [315] TUPTA, L.: Význam a podmienky tienenia a uzemnenia v meracej technike. ST, 1974, č. 10, s. 381 -382. [316] TUPTA, L.: Závislost tienenia od uzemnenia. ST, 1969, č. 8, s. 238 - 240. [317] TUPTA, L.: Tienenie z hladiska možnosti praktického využívania. SO, 35, 1974, č. 1, s. 28 - 31. [318] KABEŠ, K.: Příčiny brumu nízkofrekvenčních zesilovačù. ST, 1957, č. 8, s. 244 - 247. [319] KABEŠ, K.: Stínění magnetických polí. ST, 1957, č. 10, s. 295 - 299. [320] STÁREK, J.: Střídávé relé jako zdroj řízení. SO, 38, 1977, č. 11, s. 531 - 533. [321] SELLNER, V.: Stresy - příčina poškozování polovodičù a špatné činnosti elektronických přístrojù. ST, 1985, č. 10, s. 365 - 367. [322] KUBEŠ, J.: Nebezpečí ze statické elektřiny. ST, 1965, č. 8, s. 294 - 296. [323] ROUS, Z.: Kysličníkové varistory pro přípě ovou ochranu zdělovacích zařízení. ST, 1985, č. 5, s. 185 - 186. [324] ROUS, Z.: Užití miniaturních bleskojistek TESLA. ST, 1984, č. 11, s. 413 - 416. [325] ROUS, Z.: Optoelektrické vazební členy jako ochrana sdělovacích zařízení proti vnějším elektrickým vlivùm. ST, 42, 1981, č. 5, s. 251 - 252. [326] KLIKOŠ, M. - MOROZOVIČ, K. - ROUS, Z.: Pracoviště pro zkoušky odolnosti sdělovacích zařízení proti přepětí a nadproudu podle ČSN 33 4000. ST, 1984, č. 7, s. 261 - 262. [327] Přepě ová ochrana přenosových zařízení. ST, 1978, č. 4, s. 143 - 144. [328] KARLOVSKÝ, J.: Odrušovací kondenzátory TESKA. ST, 1992, č. 4, s. 137 - 139. [329] JANSA, J.: Dvojité proudově kompenzované odrušovací tlumivky. AR-A, 1992, č. 7, s. 315 -316. [330] ANDRAS, J.: Vysokofrekvenční filtry pro odrušovací účely. ST, 1968, č. 9, s. 332 - 336. [331] PEŠTA, J.: Filtry proti rušení televize. AR, 1969, č. 4, s. 151 - 152. [332] PRCHAL, J.: Triekové zdroje rušivých napětí. AR-A, 1977, č. 6, s. 223. [333] VONDRÁK, J.: Filtry pro triakové regulátory. AR-A, 1977, č. 7 a 8. [334] MRÁZ, A.: Rušenie rozhlasu, televízie a nf zosilòovačov amatérskymi vysielačmi a zposoby odstranenia. AR-A, 1977, č. 8, 9, 10. [335] Marshman, C.: The Guide to the EMC Directive 89/336/EEC. E.P.A Press, Wendens Ambo, Essex, 1992, ISBN 0 9517362 3X [336] Paul, C.R.: Introduction to Electromagnetic Compatibility. J. Wiley, 1992, ISBN 0 471 54927 4, hbk L64 [337] Ott, H.W.: Noise Reduction Techniques in Electronic Systems. J. Wiley, 2nd ed., 1988. [338] Goedbloed, J.: Electromagnetic Compatibility. Prentice Hall, 1992, ISBN 0 13 249293 8, hbk, 381 pp. [339] Williams, T.: EMC for Product Designers. Meeting the European EMC Directive. Newnes, 1992, ISBN 0 7506 1264 9, 255 pp. pbk L25.45 [340] Williams, T.: The Circuit Designer's Companion. Butterworth Heinemann, 1991, ISBN 0 7506 1142 1, hbk L25 [341] Benda, S.: Interference-free Electronics. Design and Applications. Studentlitteratur and Chartwell-Bratt, 1991, ISBN 0 86238 255 6, pbk, 403 pp. [342] Chatterton, P.A. - Houlden, M.A.: EMC: Electromagnetic Theory to Practical Design. J. Wiley, Chichester, 1992, ISBN 0 471 92878X [343] Keiser, B.: Principles of Electromagnetic Compatibility. Artech House, 1987, ISBN 0 89006 206 4, 383pp. hbk L56-61 [344] Weston, D.A.: Electromagnetic Compatibility. Principles and Applications. Marcel Dekker, New York, 1991, ISBN 0 8247 8507 X, 686 pp., USD 132 [345] Clayton, R.R.: Introduction to Electromagnetic Compatibility. J. Wiley, New York, 1992, ISBN 0 471 54927 4 [346] Mills, J.P.: Electro-magnetic Interference. Reduction in Electronic Systems. Prentice Hall, Englewood Cliffs (NJ), 1993, ISBN 0 13 463902 2, hbk L37.50 [347] Morrison, R.: Noise and Other Interfering Signals. J.Wiley, New York, 1992, ISBN 0 471 54288 1, hbk, 143 pp, L35 [348] Morrison, R. - Lewis, W.H.: Grounding and Shielding in Facilities.J. Wiley, New York, 1990, ISBN 0 471 83807 1, hbk 40.50 [349] Morrison, R.: Grounding and Shielding in Instrumentation.J. Wiley, 3rd ed., 1986 [350] White, D.R.J.:EMI Control in the Design of Printed Circuit Boards and Backplanes. Don White Consultants, 1984, hbk [351] Mardiguian, M.: Interference Control in Computers and Microprocessor-Based Equipment.DonWhite Consultants, 1984, hbk [352] McAteer, O.J.: Electrostatic Discharge Control. McGraw-Hill, 1990, ISBN 0 07 044838 8, hbk L49.95 [353] Violette, N. - White, D.R.J. - Violette, M.: Electromagnetic Compatibility Handbook. Van Nostrand Reinhold, 1987 U

376


[354] Barnes, J.R.: Electronic System Design: Interference and Noise Control Techniques. Prentice-Hall, 1987. [355] Fluke, J.C.: Controlling Conducted Emissions by Design. Van Nostrand Reinhold, 1991 [356] Nave, M.J.: Power Line Filter Design for Switched-Mode Power Supplies. Van Nostrand Reinhold, 1991 [357] Kolyer, J.M. - Watson, D.E.: ESD from A to Z. Electrostatic Discharge Control for Electronics.Van Nostrand Reinhold, New York, 1990, ISBN 0 442 00347 1, hbk L30.50 [358] Greason, W.D.:Electrostatic Damage in Electronics. Devices and Systems. Research Studies Press and J. Wiley, 1989, hbk L40ISBN 0 471 91539 4 (J. Wiley), 0 86380 053x (RSP) [359] Boxleiter, W.: Electrostatic Discharge and Electronic Equipment: A Practical Guide for Designing to prevent ESD Problems.IEEE Press, 1989 [360] Mardiguian, M.: Electrostatic Discharge: Understand, Stimulate, and Fix ESD Problems. Interface Control Technologies, 1986 [361] Bakoglu, H.B.: Circuits, Interconnections, and Packaging for VLSI. Addison-Wesley, 1990, ISBN 0 201 06008 6 [362] Goel, A.K.: High-Speed VLSI Interconnection Modelling, Analysis, and Simulation. J. Wiley, 1994, ISBN 0471 57122-9, USD 80 [363] PROCHÁZKA, M.: Měření konstant vysokofrekvenčních kabelù. ST, 1955, č. 9, s. 271 - 272. [364] JELÍNEK, M.: Volba charakteristické impedance souosého vedení. ST, 1968, č. 1, s. 20 - 21. [365] ČALFA, P.: Základní vlastnosti páskových vedení a ich aplikácia. ST, 1981, č. 3, s. 101. [366] KUBÍČEK, Z.: Pásková vedení. ST, 1958, č. 4, s. 147 - 148. [367] KLÍMA, F.: Několik poznámek ke koaxiálním kabelùm. ST, 1955, č. 9, s. 273. [368] VEBRICH, O.: Príspevok k problematike tlmenia koaxiálnych káblov. SO, 47, 1986, č. 3, s. 274 - 278. [369] SLANINKA, P.: Dielektrický model vysokofrekvenčního páskového káblu. SO, 46, 1985, č. 5, s. 223 - 228. [370] Určení místa přerušení souosého kabelu. AR, 1966, č. 7, s. 24. [371] AKSENOV, A. I. - GLUŠKOVA, D. N. - IVANOV, V. I.: Chlazení polovodičových součástek. Praha, SNTL 1975. [372] ELBERG, S. - MATHONNET, P.: Odvod tepla s elektronických zařízení. Praha, SNTL 1983. [373] KABEŠ, K.: Oteplování a chlazení elektronických přístrojù. ST, 1957, č. 4, s. 104 - 107. [374] KUDLÁČEK, J.: Chlazení výkonových tranzistorù. ST, 1964, č. 3, s. 86 - 88. [375] STACH, J.: Chlazení výkonových tranzistorù. AR, 1965, č. 10, s. 16 - 18. [376] SLAVÍČEK, I.: Chlazení výkonových transistorù. ST, 1966, č. 10, s. 385 - 386. [377] TESKA, V.: Chladiče pro polovodiče. AR, 1974, č. 9, s. 338 - 342. [378] FOIT, J.: Určení tepelných odporù chladicích žeber. ST, 1976, č. 4, s. 135 - 136. [379] BUDÍNSKÝ, J.: Odvádění tepla v elektronických zařízeních konvekcí. SO, 48, 1987, č. 5, s. 240 - 244. [380] ŽILKA, Z.: Odhad teploty součástek při návrhu elektronického zařízení. SO, 51, 1990, č. 6, s. 244 - 248. [381] HONOMICHL, V.: Jakost montáže vysokofrekvenčních tranzistorù na chladiče a její vliv na odvod tepla. SO, 46, 1985, č. 10, s. 486 487. [382] HONOMICHL, V.: Vliv rovinnosti, drsnosti a plošného obsahu stykové plochy na tepelný styk tranzistoru s chladičem. SO, 47, 1986, č. 8, s. 399 - 401. [383] HONOMICHL, V.: Chlazení moderních elektronických počítačù. Automatizace, 29, 1986, č. 1, s. 20 - 22. [384] HONOMICHL, V.: Rozbor odvodu tepla z integrovaných obvodù velké integrace. SO, 46, 1985, č. 8, s. 388 - 389. [385] HONOMICHL, V.: Integrální chlazení integrovaných obvodù s velkým ztrátovým výkonem. SO, 46, 1985, č. 12, s. 596 - 598. [386] FEJFAR, K.: Vliv utěsnění skříòových van na zvýšení účinnosti nuceného vzduchového chlazení elektronických součástek. SO, 46, 1985, č. 3, s. 150 - 152. [387] FEJFAR, K.: Chlazení výkonového tranzistoru KD 503 ve stísněných prostorových podmínkách. ST, 1986, č. 10 - 11, s. 386 - 387. [388] PŘIBYL, P.: Využití tepelných trubic v elektroakustice. ST, 1989, č. 5, s. 169 - 172. [389] KABEŠ, K.: Účinné chlazení bez ventilátoru. ST, 1992, č. 8, s. 311. [390] SCARLETT, J. A.: Plošné spoje pro mikroelektroniku. Praha, SNTL 1977. [391] KLABAL, J.: Desky s plošnými spoji a jejich výroba. ELECTUS 91. Příloha časopisu amatérské rádio, s. 58 - 65. [392] JELÍNEK, V. - HAVRÁNEK, M.: Pokovování otvorù v plošných spojích. Jemná mechanika a optika, 1974, č. 3, s. 79 - 84. [393] PLENERT, O.: Seminář o vrtání plošných spojù číslicově řízenými vrtačkami. SO, 35, 1974, č. 4, s. 197 - 199. [394] Plošné spoje u nás. ST, 1982, č. 3, s. 81 - 84. [395] KOVÁČIKOVÁ, M.: Samozhášové vrstvené izolanty pre plošné spoje. ST, 1983, č. 11, s. 419 - 422. [396] HOVORKOVÁ, K.: Spájkovanie a úprava zostavených dosiek s plošnými spojmi. ST, 1989, č. 6, s. 209 - 210. [397] MUNZ, V.: Perspektivní pouzdra integrovaných obvodù pro telekomunikační zařízení. SO, 44, 1983, č. 12, s. 595 - 596. [398] NOVOTNÝ, J.: Technologie povrchové montáže součástek bez vývodù. SO, 47, 1986, č. 8, s. 391 - 399. [399] MACH, Z.: Technologie čipové montáže na desky plošných spojù. ST, 1990, č. 5, s. 167 - 168. [400] CIPROVÁ, R.: Některé zkušenosti s pájením v povrchové montáži. SO, 49, 1988, č. 3, s. 146 - 148. [401] ČSN 34 5770 Zkouška pájitelnosti a odolnosti při pájení. SO, 38, 1977, č. 8, s. 393. [402] TESAŘÍK, B.: Účinnost leptání amoniakálních lázní. SO, 40, 1979, č. 3, s. 155 - 156. [403] TESAŘÍK, B.: Amoniakální lázeò na leptání mědi. SO, 39, 1978, č. 7, s. 334 - 336. [404] TESAŘÍK, B.: Metody zkoušení lázní na leptání mědi. SO, 45, 1984, č. 9, s. 441 - 442. [405] VLK, M.: Ovíjené spoje. ST, 1965, č. 4, s. 127 - 129. [406] NOVOTNÝ, J.: Technologie ovíjení spojù. ST, 1967, č. 5, s. 172 - 177. [407] VACHEK, V.: Frézované plošné spoje. ST, 1968, č. 6, s. 225. [408] Bosshart, W.C. Printed Circuit Boards Design and Technology Tato McGraw-Hill, New Delhi 1992, ISBN 0 07 451549 7, pbk L8.95 [409] Matisoff, B.S. Handbook of Electronics Packaging Design and Engineering Van Nostrad Reinhold, New York 1990, ISBN 0 442 26502 6, hbk L49 [401] Lund, P. Printed Circuit Board Precision Artwork Generation and Manufacturing Methods. Bishop Graphics (Cal.), 1986, ISBN 0 13 709601 1, hbk L45.65 [411] Lindsey, D. Digital Printed Circuit Design & Drafting. Bishop Graphics (Cal.), 1986, ISBN 0 13 214009 8, hbk L57.05 [412] Ginsberg, G.L. Printed Circuit Design McGraw-Hill, New York, 1991, ISBN 0 07 023309 8, hbk L 37.95 [413] Haskard, M.R. Electronic Circuit Card and Surface Mount Technology Prentice-Hall, 1992, ISBN 0 13 249988 6, pbk L16.95 [414] Scarlett, J.A. An Introduction to Printed Circuit Board Technology Electrochemical Publications, Ayr, 1984, ISBN 0 901150 16 9 [415] Scarlett, J.A. Printed Circuit Boards for Microelectronics Electrochemical Publications, Ayr, 1984, ISBN 0 901150 08 8 [416] Scarlett, J.A. The Multilayer Printed Circuit Board Handbook Electrochemical Publications, Ayr, 1984 [417] Leonida, G. Handbook of Printed Circuit Design, Manufacture, Components and AssemblyElectrotechnical Publications, Ayr, 1981, ISBN 0 901150 09 6 [418] Noble, P.J.W.: Printed Circuit Board Assembly. Halsted Press (J. Wiley), New York, 1989, ISBN 0 335 15418 2 [419] Hamilton, G. A Guide to Printed Circuit Board Design Butterworths, London, 1984, ISBN 0 408 01398 2 [420] Sikonowitz, W. Designing and Creating Printed Circuits Hayden Book Comp., Rochelle Park (NJ), 1981, ISBN 0 8104 0964 X


377

[421] Combs, C.F. (ed.) Printed Circuits Handbook McGraw-Hill, New York, 3rd ed., 1988, ISBN 0 07 012609 7 [422] Kear, F.W. Printed Circuit Assembly Manufacturing Marcel Dekker, New York, 1987, ISBN 0 8247 7675 5 [423] Pawling, J.F. Surface Mounted Assemblies Electochemical Publications, Ayr, 1987, ISBN 0 901150 21 5 [424] Kirkpatrick, J.M Electronic Drafting and Printed Circuit Board Design Delmar Publishers, 1985, ISBN 0 8273 2315 8 [425] Hughes, F.W. Electronic Assembly Regents/Prentice Hall, 1992, ISBN 0 13 249731 X [426] Seraphim, D.P. - Lasky, R. - Che, Yu Li Principles of Electronic PackagingMcGraw-Hill, New York, 1989, ISBN 0 07 056306 3, hbk 962p. [427] Harper, C.A. Electronic Packaging and Interconnection Handbook McGraw-Hill, New York, 1991, ISBN 0 07 026684 0, hbk cca 1000p. [428] Ginsberg, G.L. Electronic Equipment Packaging Technology Van Nostrand Reinhold, New York, 1992, ISBN 0 442 23818 5, hbk, 279p. [429] Brindley, K. Electronics Assembly Newnes [430] Clark, R.H. Printed Circuit Engineering. Optimizing for Manufacturability VanNostrand Reinhold, New York, 1989, ISBN 0 422 21115 5, hbk L41.50 [431] Hymes, L. (ed.) Clearing Printed Wiring Assemblies in Today's Environment VanNostrand Reinhold, 1991, ISBN 0 442 00275 0, hbk L32.50 [432] Lea, C. A Scientific Guide to Surface Mount Technology. Electrochemical Publications, Ayr, 1988, ISBN 0 981150 22 3 [433] Starý, I. Teorie spolehlivosti Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1990. [434] Hlavička, J. Diagnostika a spolehlivost číslicových systémù (doplòkové skriptum) Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1983. [435] Hlavička, J. Diagnostika a spolehlivost číslicových systémù. Skriptum ČVUT FEL. Praha, Ed. stř. ČVUT 1989. [436] Drábek, V. Spolehlivost a diagnostika. Skriptum VUT FE. Praha, SNTL 1986. [437] Bednařík, J. a kol. Technika spolehlivosti v elektronické praxi. Praha, SNTL 1990. [438] Ušakov, I.A. Příručka spolehlivosti v radioelektronice a automatizační technice. Praha, SNTL 1989. [439] Leitl, R. Spolehlivost elektrotechnických systémù. Praha, SNTL 1990. [440] Calabro, S.R. Základy spolehlivosti a jejich využití v praxi. Praha, SNTL 1965. [441] UHLÍŘ, K. - KOLLINER, R.: Testování v elektronice - současné možnosti a směry vývoje. ST, 1984, č. 2, s. 41 - 45. [442] UHLÍŘ, K. - KOLLINER, R.: Testování v elektronice - propojovací sí . ST, 1984, č. 3, s. 81 - 85. [443] KRATOCHVÍL, J.: Testování v elektronice - kabeláž a propojovací desky. ST, 1988, č. 2, s. 43 - 45. [444] KRATOCHVÍL, J. - BACHURA, V.: Testování kabeláží a propojovacích desek při výrobě RLK. SO, 50, 1989, č. 8, s. 401 - 402. [445] UHLÍŘ, K. - KOLLINER, R.: Testování v elektronice - sazená deska. ST, 1984, č. 9, s. 339 - 343. [446] UHLÍŘ, K.: Testery desek historie a perspektiva. In: Diagnostika mikroprocesorù IX, 1988, s. 37 - 47. [447] SLAČÁLEK, Z. - LAUDA, J.: Automatický systém ke zkoušení vsazených desek s plošnými spoji. ST, 1985, č. 6, s. 227 - 229. [448] TÙMA, J.: Automatický systém ZDK 201/211 - ADT pro testování desek osazených logickými integrovanými obvody. ST, 1985, č. 3, s. 91 - 94. [449] UHLÍŘ, K.: Zkoušení prvkù v obvodu. In: Diagnostika mikroprocesorù 1981, s. 159 - 162. [450] COL, K. - ŽILKA, Z.: Testování pasivních prvkù v obvodu. ST, 1988, č. 3, s. 83 - 86. [451] COL, K.: Testování diod a tranzistorù v analogových obvodech. ST, 1989, č. 8, s. 293 - 294. [452] KREJČÍ, O.: Testování v elektronice - zkušenosti a poznatky z měření a testování elektronických součástek. ST , 1984, č. 5, s. 165 167. [453] DOLEŽAL, V.: Testování osazených plošných spojù v praxi. SO, 50, 1989, č. 2, s. 75 - 77. [454] SVOBODA, J. - DOLEŽAL, V.: Testování jednotek plošných spojù metodou in - circuit. SO, 48, č. 7, s. 301 - 310. [455] DOLEŽAL, V.: Přesnost tříbodové měřící metody in - circuit. SO, 49, 1988, č. 2, s. 86 - 87. [456] RUTRLE, T.: Zkušenosti z používáním vnitroobvodového zkoušeče DIGITEST 100 AD. In: Diagnostika v elektronice 1990, s. 31 34. [457] KVAPIL, B.: Úvod do servisního testování. ST, 1992, č. 4, s. 146. [458] SELLNER, V.: Nové pohledy na spolehlivost výrobkù. ST, 1987, č. 2, s. 41 - 43. [459] SELLNER, V.: Problémy spolehlivosti elektronických přístrojù. Technické příručky, sv. 28, Praha, TESLA VÚST 1988. [460] DRAŠNAR, M.: K problému zrychlených zkoušek spolehlivosti. ST, 1968, č. 10 - 11, s. 362 - 364. [461] HOFF, F.: Matematické metody v teorii zrychlených zkoušek života. ST, 42, 1981, č. 8, s. 397 - 398. [462] HODER, K.: Příspěvek k analýze časných poruch. ST, 1986, č. 3, s. 104. [463] KOLOMAZNÍK, Z.: Racionální využití intenzity poruch pro výpočty spolehlivosti. ST, 1990, č. 2, s. 55 - 57. [464] BERÁNEK, M.: Plánování a kontrola spolehlivosti zařízení. SO, 40, 1979, č. 4, s. 185 - 187. [465] BUDÍNSKÝ, J.: Zvyšování spolehlivosti ve vývojové a výrobní fázi. SO, 45, 1984, č. 12, s. 581 - 588. [466] HOFF, F.: Význam zkoušení a třídění elektronických součástek a zařízení. SO, 43, 1982, č. 1, s. 42 - 44. [467] HONOMICHL, V.: Předcházení poruch vyvolaných údržbou elektronických zařízení. SO, 48, 1987, č. 7, s. 344 - 346. [468] ROUS, B.: Příčiny poruch elektronických zařízení v klimaticky ztížených prostředích. SO, 42, 1981, č. 6, s. 272 - 275. [469] STUPKA, J.: Poruchy přijímačù dříve a nyní. ST, 1975, č. 4, s. 145 - 146. [470] HOFF, F.: Doba života optoelektronických prvkù. SO, 43, 1982, č. 11, s. 538 - 544. [471] HOFF, F.: Kombinované lineární modely chování optoelektronických součástek za provozu a jejich užití. SO, 42, 1981, č. 10, s. 480 484. [472] HLAVÁČEK, I.: Některé ověřené modely rùstu spolehlivosti programového vybavení. ST, 1985, č. 3, s. 87 - 88. [473] KOTTEK, E. - TOMANOVÁ, B.: Testy integrovaných obvodù řady MH74 a MH74S vycházejí ze struktury. ST, 1976, č. 5, s. 163 164. [474] KOTTEK, E. - JAKL, M. - TOMANOVÁ, B.: Testy integrovaných obvodù řady MH74 vycházející z logické struktury. ST, 1977, č. 5, s. 163 - 166. [475] KOTTEK, E.: Testy dovážených integrovaných obvodù řady 74 vycházejí z logické struktury. ST, 1981, č. 8, s. 282 - 284. [476] RITSCHEL, M. - OVSÍK, V.: Logická sonda a co s ní. ST, 1981, č. 1, s. 23 [477] Čtyři generace logických analyzátorù. ST, 1991, č. 7, s. 264- 265. [478] CHYBA, P.: Příznaková analýza. ST, 1982, č. 1, s. 3 - 4. [479] GOLAN, P.: Trendy v diagnostice a zabezpečení obvodù VLSI. In: Diagnostika mikroprocesorù XIII, 1987, s. 8 - 17. [480] Návrh digitálních integrovaných obvodù s ohledem na možnost jejich testování. ST, 1992, č. 8, s. 296 - 298 a č. 9, s. 329 - 332. [481] HRUŠKA, J.: Testovací prvky na čipech integrovaných obvodù. ST, 1989, č. 8, s. 281 - 285. [482] HONOMICHL, V.: Modelování intenzit poruch integrovaných obvodù. SO, 50, 1989, č. 4, s. 184 - 187. [483] HONOMICHL, V.: Vliv velmi velké integrace na znaky spolehlivosti budoucích číslicových zařízení. SO, 50, 1989, č. 12, s. 584 - 586. [484] ŠTELLA, J.: Návrh mikroprocesorových systémù z hlediska spolehlivosti. SO, 41, 1980, č. 11, s. 517 - 523. [485] SELLNER, V.: Destrukční účinky statické elektřiny na polovodiče. ST, 1982, č. 7, s. 255 - 258.

378


[486] CETKOVSKÝ, J.: Spolehlivost inegrovaných obvodù typu MOS. ST, 1987, č. 11, s. 415 -416. [487] HONOMICHL, V.: Zabezpečení odolnosti družicové elektroniky proti účinkùm kosmického záření. SO, 49, 1988, č. 12, s. 598 - 600. [488] HONOMICHL, V.: Výběr integrovaných obvodù pro radiační vnější prostředí. SO, 50, 1989, č. 12, s. 590 - 592. [489] HLAVIČKA, J. - KOTTEK, E. - ZELENÝ, J.: Diagnostika elektronických číslicových obvodù. SNTL, Praha 1982. [490] HORSKÝ, J. - ZEMAN, p. - ŠKAPA, L.: Měřící přístroje a měření. AR B, 1984, č. 6, s. 202 - 240; 1985, č. 1, s. 2 - 40. [491] MAJOR, L. - POLÁČEK, D.: Stavebnicové konstrukce pro elektroniku. ST, 1990, č. 11, s. 418 - 421. [492] NOVOTNÝ, O.: Přístrojové pojistky. ST, 1968, č. 6, s. 220 - 222. [493] HAMMEL, J.: Skor, něž odovzdáte konštrukčný návrh... ST, 1980, č. 1, s. 7 - 8. [494] MACKÙ, J. - DUŠEK, J.: Návod na návod. ST, 1987, č. 11, s. 428. [495] TOMAN, J.: Jak sbírat vědomosti. Praha, Orbis 1961. [496] TOMAN, J.: Metody a technika informační činnosti. Praha, SNTL 1970. [497] TOMAN, J.: Organizace a technika duševní práce. Praha, Svoboda 1970. [498] TOMAN, J.: Jak dobře mluvit. Praha, Svoboda 1981. [499] TOMAN, J.: Jak zlepšit organizaci a techniku duševní práce. Praha, Svoboda 1984. [500] REINEKE, W.: Jak vést úspěšně jednání. Praha, Svoboda 1991. [501] ZIELKE, W.: Jak racionálně studovat. Praha, Svoboda 1977.

13.1 Výsledky testů 13.1.1 Vstupní test 1. Nakreslete základní strukturu bipolárního tranzistoru a vysvětlete podstatu tranzistorového jevu. T

Je možné i uspořádání s vodivostí p-n-p, které je z hlediska principu ekvivalentní uvedené struktuře n-p-n .

Bipolární tranzistor sestává ze tří částí navazujících na sebe prostřednictvím dvou přechodů PN. V základní zapojení tranzistoru, které je znázorněno na obrázku je jeden přechod PN pólován vzhledem ke střední části – bázi (B) - v propustném směru a druhý v závěrném směru. Krajní elektrody tranzistoru jsou označovány v souvislosti s jejich funkcí jako emitor (E) a kolektor (C). Na obrázku je tranzistor nakreslen jako symetrický, v praxi bývá plocha


379

kolektoru podstatně větší, než plocha emitoru, dotace emitoru příměsemi bývá vyšší a dotace kolektoru nižší. Při pólování přechodu emitor-báze v propustném směru dochází injekci majoritních nosičů z emitoru do báze. U struktury n-p-n jsou elektrony jako majoritní nosiče v emitoru injekovány do báze a v blízkosti přechodu emitor-báze se tedy v bázi vytváří zvýšená koncentrace elektronů. Vzniká gradient koncentrace elektronů v bázi tak, že směrem ke kolektorovému přechodu elektronů v bázi ubývá. Gradient koncentrace elektronů v bázi je důvodem pro difuzi elektronů skrz bázi ve směru klesajícího gradientu, tedy směrem ke kolektorovému přechodu. Cestou přes bázi řada elektronů zrekombinuje, neboť majoritními nosiči v bázi jsou díry a tak pravděpodobnost rekombinace je vysoká, avšak vzhledem k tomu, že tloušťka báze je malá ve srovnání s difuzní délkou, velké procento elektronů se dostane do bezprostřední blízkosti přechodu báze-kolektor. Tento přechod je pólován v závěrném směru, ale pro majoritní nosiče v bázi, tedy díry. Pro elektrony, které prodifundovaly bází ke kolektorovému přechodu představuje blízkost kladného kolektoru urychlující potenciálový skok a tak elektrony, které se dostaly do blízkosti kolektorového přechodu (do oblasti dané šířkou přechodu báze-kolektor), budou tímto potenciálovým skokem vtaženy do kolektoru. Teče-li bází elektronový proud, je nutné do báze dodávat díry na rekombinaci těch elektronů, které v bázi rekombinují; tento děrový proud tedy tvoří proud báze. Vzhledem k tomu, že v bázi zrekombinuje jen malé procento z celkového proudu elektronů, je bázový proud malý ve srovnání s proudem, který teče cestou emitor-báze-kolektor. Kromě složky kolektorového proudu tvořené elektrony, které prošly bází od emitoru existuje ještě jedna složka a to závěrný proud kolektorové diody, tvořený minoritními nosiči v bázi a v kolektoru. Pro kolektorový proud můžeme tedy napsat rovnici, kterou nazýváme základní rovnicí tranzistoru

Ik=Ik0+αIe, B

B

B

B

B

B

kde Ik je celkový proud kolektoru, Ik0 zbytkový proud diody báze-kolektor, proudové zesílení tranzistoru v zapojení se společnou bází a Ie emitorový proud. Kromě této rovnice musí proudy Ik, Ib a Ie splňovat 1. Kirchhoffův zákon, tedy B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Ie=Ib+Ik, B

B

B

B

B

B

kde Ib je proud bází. Zdálo by se, že proud Ik0 bychom mohli zanedbat vzhledem ke složce od emitoru, ale nejde to, neboť jednak Ie může být rovno nule a pak Ik0 tvoří jedinou složku kolektorového proudu, jednak při překročení maximálního závěrného napětí diody kolektorbáze dojde k průrazu kolektorové diody (nemusí být nutně destruktivní) a ”zbytkový” proud Ik0 pak bude tvořit převažující složku kolektorového proudu. Koeficient proudového zesílení tranzistoru v zapojení se společnou bází α, je sice menší než jedna, ale v tomto zapojení se tranzistor užívá je pro některé aplikace. Ve většině aplikací, kde se vyžaduje zesílení se užívá zapojení se společným kolektrorem u kterého je proudové zesílení β mnohem větší než jedna. B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

380


2. Uveďte složky proudu v bipolárním tranzistoru typu NPN přechod emitor-báze zapojen v propustném směru zpětná injekce děr z báze do emitoru – děrová složka proudu emitorového přechodu

přechod kolektor-báze zapojen v závěrném směru elektronová a děrová složka proudu kolektorového přechodu

rekombinace elektronů a děr v bázi

injekce elektronů z emitoru do báze – elektronová složka proudu emitorového přechodu

elektrony extrahované kolektorovým přechodem – elektronová složka kolektorového proudu

difúze elektronů v bázi

3. Do čtyř kvadrantů souřadného systému charakteristiky bipolárního tranzistoru. Charakteristiky převodní

IC = f (I B ) U

CE

IC [mA]

= konst

B

B

výstupní I C = f (U CE ) I

= konst

B

UCE > 0,5 V B

B

ICk B

B

IB [µA] B

P

B

IB [µA] B

B

UCE [V]

UC

B

B

IB B

B

UCE > 5 V B

B

UCE = 0 B

B

vstupní I B = f (U

BE

UBE [mV] B

)U

CE

= konst

B

zpětné U BE = f (U CE ) I

B

= konst

B

zakreslete

základní


381

4. Uveďte používané pracovní režimy tranzistoru.

režim saturace UBE > 0, UBC > 0 B

B

B

B

UBC = 0 hranice režimu saturace B

IC B

B

B

režim aktivní normální UBE > 0, UBC < 0 B

B

B

B

IB B

B

IB = 0 B

B

UCE B

režim závěrný UBE < 0, UBC < 0 B

B

B

B

B

UBE = 0 hranice závěrného režimu B

B

5. Uveďte tři základní zapojení bipolárního tranzistoru a jejich vlastnosti. zapojení se společným (uzemněným) emitorem - SE

zapojení se společnou (uzemněnou) bází - SB

zapojení se společným (uzemněným) kolektorem - SC

382



383

6. Jak jsou vyjádřeny zesilovací schopnosti tranzistoru ? h-parametry v pracovním bodě:

Funkce součástek: RB, RC, RE … nastavení pracovního bodu tranzistoru a jeho stabilizace zavedením emitorové zpětné vazby (RE) CV…vazební (oddělovací) kondenzátory – oddělují stejnosměrnou a střídavou složku; 1/ωCV je velmi malé CE … přemostění emitorového odporu RE pro střídavou složku a její uzemnění; 1/ωCE << RE B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Linearizovaný ekvivalentní obvod zesilovače pro malý nízkofrekvenční signál:

B

B

B

384


7. Nakreslete Ebersův-Mollův model tranzistoru a uveďte význam jeho jednotlivých prvků Ebersův-Mollův model bipolárního tranzistoru nelineární statický model pro malé signály: Vystihuje velmi názorně princip tranzistoru Princip: Přechody EB, CB jsou modelovány jako samostatné diody, jejich vzájemné působení je modelováno proudovými zdroji řízenými proudem diody druhého přechodu. Parametry modelu: αN, αI, IEN, ICI B

B

B

B

B

B

B

Zesilovací činitelé α, β se definují pro aktivní normální (αN, βN) a pro aktivní inverzní režim (αI,βI): B

B

B

B

B

B

B

B

βN desítky až stovky; βI < βN B

B

B

B

B

B

Proud přechodem B-E Proud přechodem B-C

Závěrný proud přechodu B-E závěrný proud přechodu B-C Základní rovnice Ebersova-Mollova modelu


385

8. Co je to bezpečná pracovní oblast tranzistoru – jak ji lze vyjádřit ve výstupních charakteristikách ?

9. Za jakých okolností dochází k průrazům tranzistorové struktury První průraz

Druhý průraz Tepelný druhý průraz je lokální tepelný průraz, k němuž dojde v místě vyšší proudové hustoty (může souviset s geometrií struktury nebo

s nehomogenitou struktury). Zvýšení proudu vede ke zvýšení teploty, to opět ke zvýšení proudu atd. (kladná zpětná vazba), vzniká horké místo, do něhož se soustřeďuje proud. Proudový druhý průraz vzniká při vypínání tranzistoru v obvodu s indukční zátěží: napětí UCE vlivem indukčnosti zátěže vzroste při velkém IC , dochází k nárazové ionizaci a k náhlému zvýšení proudové hustoty.

386


10. Co je to Earlyho jev ?

11. Co jsou linearizované modely tranzistoru a jaký mají vztah k parametrům dvojbranu ? Vytvoříme náhradní lineární dvojbran, sestavený na základě linearizace charakteristik v okolí klidového pracovního bodu Po pomocí Taylorova rozvoje se zanedbáním druhé derivace a vyšších. B

B

Při vytváření náhradního lineárního dvojbranu pro bipolární tranzistor je vhodné použít charakteristické rovnice dvojbranu a to tzv. rovnice hybridní příp. admitanční. Pro hybridní rovnice jsou výsledkem linearizace následující rovnice pro celkové hodnoty elektrických veličin: u1 – U1Po = h11.(i1 – I1Po) + h12.(u2 - U2Po) (1) i2 – I2Po = h21.(i1 – I1Po) + h22.(u2 – U2Po) (2) (Index Po označuje hodnoty ve zvoleném klidovém pracovním bodě) B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Rovnice pro změny elektrických veličin pak mají následující tvar:

∆u1 = h11.∆i1 + h12.∆u2 (3) ∆i2 = h21.∆i1 + h22.∆u2 (4) Fyzikální význam jednotlivých parametrů h získáme následujícím způsobem: položíme-li v rovnici (3) ∆u2 = 0 , potom B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

U

B

∆u =0

h 11

⎛ ∆u 2 ⎞ 2 ⎟⎟ = ⎜⎜ ∆ i ⎝ 1 ⎠ Po

[Ω]

B

B

B

B

UB

B

UB

B

U

je vstupní diferenciální odpor při výstupu z hlediska střídavého signálu nakrátko (∆u2 = 0), tj. při konstantním výstupním napětí B

B

Pro ∆i1 = 0 v rovnici (3) dostaneme U

UB

UB

U

∆i = 0

h 12

⎛ ∆u 1 ⎞ 2 ⎟⎟ = ⎜⎜ ∆ u ⎝ 2 ⎠ Po

je zpětný diferenciální přenos napětí při vstupu [bez rozměru] hlediska střídavého signálu naprázdno (∆i1 = 0), tj. při konstantním vstupním proudu B

B

Analogickým způsobem dostaneme z rovnice (4) parametry h21 a h22 . B

∆u = 0

h 21

⎛ ∆i ⎞ 2 = ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ ∆i 1 ⎠ Po

rozměru]

[bez

B

B

B

je proudový diferenciální přenos při výstupu nakrátko (∆u2 = 0), tj. při konstantním výstupním napětí B

B

Návrh a konstrukce elektronických přístrojů ∆i =0

h 22

⎛ ∆i ⎞ 1 = ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ ∆u 2 ⎠ Po

387

je výstupní diferenciální vodivost při vstupu naprázdno (∆i1 = 0), tj. při konstantním vstupním proudu

[S]

B

B

Náhradní lineární obvod v analogii s obecným schematem dvojbranu může vypadat následovně: podle

podle

rov.

rov.

obr. 1 podle

podle

rov.

rov.

obr. 2 Výsledkem jsou pak rovnice

u1 = h11.i1 + h12.u2 + U1 i2 = h21.i1 + h22.u2 + I2 B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

(5) (6) B

B

které již umožňují sestavení nábradniho obvodu podle obr.1. Náhradní lineární obvod pro změny elektrických veličin pak dostaneme přímým překreslením rovnic (5) a (6) tak, jak je uvedeno na obr. 2.

Uvedené náhradní obvody jsou zhlediska použitých prvků totožné pro všechny dvojbrany, a tedy i pro všechny typy tranzistorů a jejich obvodové konfigurace jako je zapojení se společným emitorem SE, kolektorem SC a bázi SB. Velké rozdíly ale existují pro tyto případy v hodnotách jednotlivých h parametrů, a proto je odlišujeme třetím indexem e, r nebo b, který označuje zapojení SE, SC nebo SB, např. h21e, h21b . B

B

B

B

12. Jak jsou vyjádřeny mezní kmitočty bipolárního tranzistoru ?

388


13. Jak pracuje bipolární tranzistor ve funkci spínače ? Principiální zapojení spínacího obvodu s tranzistorem je na obrázku. Obvykle se používají tranzistory v zapojení se společným emitorem, protože k ovládání stačí menší výkon než např. v zapojení se společnou bází. Základními stavy tranzistoru jako spínače jsou : otevřený stav odpovídající sepnutí jakéhokoliv spínače a uzavřený stav odpovídající rozepnutí spínače. U

U

U

U

Jak je zřejmé z grafu výstupních charakteristik tranzistoru, když tranzistor simuluje rozepnutý stav spínače, teče obvodem kolektor - emitor jen zbytkový proud kolektoru ICE0. V této oblasti je tranzistor uzavřený a přechody B-E a B-C jsou polarizovány v závěrném směru. Při spínání přechází pracovní bod tranzistoru aktivní oblastí. V ní je přechod B-E polarizován v propustném směru a přechod B-C v závěrném směru. Tranzistor simuluje sepnutý stav spínače, když je jeho pracovní bod v oblasti nasycení - saturace. Tato oblast je oddělená od aktivní oblasti hraniční křivkou oblasti saturace. Tato křivka je charakteristická tím, že body ležící na ní splňují podmínku UBE = UCE tedy : UCE - UBE = UCB = 0 Když se pracovní bod nachází v oblasti nasycení , přechody B-E a B-C jsou polarizovány v propustném směru. B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Bipolární tranzistor v otevřeném stavu je řízený proudem vtékajícím do báze, protože jeho vstupní odpor je ve stavu saturace výstupu mnohem menší než výstupní odpor zdroje


389

budícího signálu. Naopak ve stavu uzavřeném (nevodivém) je bipolární tranzistor řízen napětím na bázi, protože jeho vstupní odpor je v tomto stavu mnohem větší než výstupní odpor zdroje budícího signálu.

14. Jak se provede volba a nastavení pracovního bodu zesilovače s bipolárním tranzistorem. Tranzistor je zesilovacím prvkem, proto nachází nejčastější použití v zesilovačích. Pro spolehlivou funkci tranzistorů je nutné nastavit určité pracovní podmínky. Hovoříme o nastavení pracovního režimu nebo pracovního bodu. Teprve vhodný pracovní režim zesilovací součástky dává předpoklad k její řádné funkci, ke zpracování střídavého signálu. Na elektrody tranzistoru musíme připojit stejnosměrná napětí tak, aby emitorová dioda byla zapojena v propustném, kolektorová v nepropustném směru. Velikostí stejnosměrných napětí a proudů je určen pracovní bod tranzistoru. Základní nastavení pracovního bodu není nijak složité. Obvody pro nastavení pracovního bodu se stávají složitějšími jen vlivem opatření, kterými zajišťujeme stabilitu pracovního bodu, tj. neměnnost nastaveného pracovního režimu. Teplotní nestálost polovodičů způsobuje určité kolísání nastavených pracovních parametrů - pracovního bodu. Toto kolísání může způsobit velmi nepříjemné jevy. Zvýšení teploty vyvolá zvýšení kolektorového proudu, zejména zbytkového proudu IK0. Pokud se tranzistor napájí přes větší rezistor v obvodu kolektoru, zvětšuje se při stoupání kolektorového proudu úbytek napětí na kolektorovém rezistoru, potřebné napětí na kolektoru tranzistoru se zmenšuje. Zmenšuje se zesílení i výstupní výkon tranzistoru. Kolektorové napětí může poklesnout natolik, že stupeň s tranzistorem přestane pracovat. Pokud se tranzistor napájí přes malý kolektorový rezistor, může se zvýšit teplota tranzistoru tak, až dojde ke zničení tranzistoru. Zvětšení kolektorového proudu vlivem zvýšení teploty zvětšuje kolektorový ztrátový výkon. Tím se dále zvětšuje teplota tranzistoru a kolektorový proud dále narůstá a může tedy vést až k destrukci. B

B

U přístrojů s tranzistory, které budou pracovat v prostředí s proměnlivou teplotou (a to je většina praktických případů), musíme v napájecích obvodech tranzistorů učinit opatření pro teplotní stabilizaci pracovního režimu. U tranzistorů je rozdíl mezi provozní teplotou vlastního tranzistorového systému a teplotou okolí malý. Změny teploty prostředí proto značně ovlivňuji pracovní režim tranzistorů. Množství nosičů proudu v polovodičovém materiálu se při vzrůstání teploty zvětšuje. Zvětšují se tedy i proudy protékající tranzistorem. Tak např. zvýšení teploty o každých 10 °C odpovídá vzrůst proudu + přibližně na dvojnásobek. a) Nastavení pracovního bodu tranzistoru T

R1 B

RC URc B

B

B

B

B

IC IB Základní zapojeni pro nastavení pracovního bodu UCC tranzistoru je na obr. VI-3. Je to zapojení pro nastaveni pracovního bodu pomoci předřadného rezistoru Rl. UCE Emitor se v tomto zapojení připojuje přímo na záporný UBE IE pól stejnosměrného zdroje UCC (pokud jde o tranzistor typu NPN; pro tranzistory typu PNP je zapojení úplně shodné, jen polarita zdroje UCC je obrácená). Báze Obr. 1 tranzistoru se připojuje na kladný pól zdroje přes předřadný rezistor Rl. Emitor je tedy polarizován proti bázi kladně - je splněn jeden B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

390


požadavek: emitorová dioda je zapojena v propustném směru. Kolektor se připojuje na kladný pól zdroje. Má-li být splněn druhý požadavek, tj. zapojení kolektorové diody v nepropustném směru, musí být kolektor proti bázi kladnější. Toho dosahujeme vhodnou volbou předřadného rezistoru R1. Musí na něm vznikat větší úbytek napětí než na kolektorovém rezistoru RK. Tím bude potenciál báze tranzistoru méně kladný než potenciál kolektoru. Kolektor bude tedy proti bázi tranzistoru kladnější kolektorová dioda bude zapojena v nepropustném směru. Tímto zapojením byl jen nastaven pracovní bod. Pro stabilizací pracovního bodu zatím nebylo uděláno nic. B

B

+ R1 B

RC URc B

B

B

IC B

C1

B

B

IB B

B

B

CV B

B

B

UCC

B

~

B

B

B

UCE B

~

B

IE

UBE B

B

B

B

B

RE URE B

B

B

B

-

Obr. 2

b) Stabilizace pracovního bodu Stabilizace pracovního bodu při kolísání teploty se dosáhne tím, že se proti narůstání kolektorového proudu (způsobeného vzrůstem teploty ) působí změnou potenciálu báze tranzistoru. Jednoduché zapojení pro nastavení pracovního bodu tranzistoru i s jeho stabilizací je na obr. VI-4. Od základního zapojeni na obr.VI-3 se liší tím, že mezi emitor a kladny pól zdroje je zapojen rezistor RE - emitorový stabilizační rezistor. V čem spočívá stabilizační účinek tohoto rezistoru. Napětí na předřadném rezistoru Rl je v daném zapojení dáno rozdílem mezi napájecím napětím U0 a úbytkem napětí na emitorovém rezistoru RE. B

B

B

B

B

B

Zvětší-li se proud kolektoru (např. zvýšením teploty), zvětší se úbytek napětí UE na emitorovém rezistoru. Tím se zmenší napětí U1 na rezistoru Rl, klesne proud báze a výsledkem je zmenšení proudu kolektoru, tedy částečná kompenzace jeho původního narůstání. B

B

B

B

B

B

Zapojení na obr. VI-4 je vlastně základním zapojením jednoho stupně tranzistorového zesilovače. Střídavý signál, který má tranzistor zesílit, se dostává přes kondenzátor C1 na bázi tranzistoru, výstupní střídavý signál se odebírá přes kondenzátor CV z kolektoru. + B

B

B

V zásadě platí, že stabilizační účinek obvodu je tím lepší, čím větší je rezistor v obvodu emitoru a čím menší je rezistor R1 v obvodu báze. Zvětšování emitorového rezistoru RE je nevýhodné (zejména u výkonových tranzistorů), na velkém emitorovém rezistoru se objeví značná část napětí napájecího zdroje. Je zde však určitá možnost sníženi odporu rezistoru v obvodu báze. Této možnosti je využito v zapojení na obr. VI-5. B

R1 B

RC URc B

B

B

B

C1

B

B

IB B

B

B

B

B

CV B

B

B

UCC

B

~

B

B

UCE B

~ R2 B

B

UBE B

B

IE B

B

B

RE URE B

B

Pracovní bod není nastaven pomocí předřadného rezistoru, ale pomocí děliče napětí R1, R2, připojeného na zdroj UCC. Potenciál báze tranzistoru je určen napětím na odbočce děliče, na

B

B

IC

B

B

B

B

B

B

-

B

Obr. VI - 5

B


391

kterou je báze připojena. Jak lze z obr. VI-5 snadno vyčíst, jsou rezistory děliče (přes malý vnitřní odpor napájecího zdroje) zapojeny vlastně paralelně. Jako odpor v obvodu báze se uplatňuje odpor paralelní dvojice R1, R2, který je menší než samotný odpor rezistoru R1 (obr. VI-3 a 4). B

B

B

B

B

B

Stabilizační účinek zapojení podle obr. VI-5 je dobrý. Kompenzace změn kolektorového proudu je účinná, při zvýšení IK zvětší se napětí na emitorovém rezistoru, napětí mezi bází a emitorem se zmenší a výsledkem je zmenšení kolektorového proudu. B

B

Zapojeni na obr.VI-5 je jedním z nejpoužívanějších. Představuje opět základní zapojení jednoho tranzistorového zesilovacího stupně. Střídavý signál se přivádí do obvodu báze přes kondenzátor Cl, zesílený signál se odebírá z kolektoru přes kondenzátor CV. Děličem napětí R1, R2 bývá v praxi často potenciometrický trimr. Pracovní bod se nastaví přesně podle žádané velikostí kolektorového proudu (měřidlo se zapojí do série s kolektorem) natáčením běžce potenciometrického trimru. B

B

B

B

B

B

B

B

Kromě popsaných způsobů jsou ještě jiné možnosti nastavení a zejména stabilizace pracovního bodu, které jsou však složitější.

Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. Návrh a konstrukce elektronických přístrojů

Recommend Documents