Prof. Ing. Vladislav Musil,CSc. Doc. Ing. Arnošt Bajer, CSc. Konstrukce a technologie elektronických zařízení

Prof. Ing. Vladislav Musil,CSc. Doc. Ing. Arnošt Bajer, CSc.

Konstrukce a technologie elektronických zařízení

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.

2

FEKT Vysokého učení technického v Brně

Obsah 1

NÁPLŇ PŘEDMĚTU .................................................................................................................................7

2

CÍLE VÝUKY .............................................................................................................................................7

3

OCHRANA PRŮMYSLOVÉHO VLASTNICTVÍ V ČESKÉ REPUBLICE A V EVROPSKÉ UNII8 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.7

SYSTÉM OCHRANY – VZTAHY.....................................................................................................8 DUŠEVNÍM VLASTNICTVÍ ............................................................................................................9 VÝZNAM A ZPŮSOB OCHRANY PRŮMYSLOVÉHO VLASTNICTVÍ ....................................10 PATENT........................................................................................................................................10 UŽITNÝ VZOR..............................................................................................................................11 PRŮMYSLOVÝ VZOR .................................................................................................................12 OCHRANNÉ ZNÁMKY.................................................................................................................13 OCHRANA PRŮMYSLOVÉHO VLASTNICTVÍ V ČESKÉ REPUBLICE ...................................15 ZAHRANIČNÍ OCHRANA S ÚČASTÍ ÚPV ..................................................................................16 MEZINÁRODNÍ PŘIHLÁŠKA PATENTU NEBO UŽITNÉHO VZORU ......................................16 MEZINÁRODNÍ PŘIHLÁŠKA OCHRANNÉ ZNÁMKY................................................................17 OCHRANA PRŮMYSLOVÉHO VLASTNICTVÍ V EVROPSKÉ UNII.........................................17 HARMONIZACE NÁRODNÍHO PRÁVA .....................................................................................17 VYTVÁŘENÍ PRÁV K PRŮMYSLOVÉMU VLASTNICTVÍ NA ÚROVNI SPOLEČENSTVÍ ........18 EVROPSKÁ OCHRANNÁ ZNÁMKA............................................................................................19 DŮLEŽITÉ ADRESY .......................................................................................................................19

4 NÁVRH A KONSTRUKCE ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ A JEJICH ZAVÁDĚNÍ DO VÝROBY.............................................................................................................................................................20 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 5

TECHNICKÁ PŘÍPRAVA VÝROBY .........................................................................................................20 VYBRANÉ METODY A ZÁSADY VÝZKUMNĚ VÝVOJOVÝCH PRACÍ ........................................................28 DOKUMENTACE ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ.....................................................................................30 EKONOMICKÝ VÝZNAM ELEKTRONICKÉHO PRŮMYSLU ......................................................................35 DŮSLEDKY MIKROELEKTRONICKÝCH INOVACÍ PRO PODNIKY A PRO TRH ...........................................35 DŮSLEDKY MIKROELEKTRONICKÝCH INOVACÍ PRO ŘÍZENÍ PODNIKU .................................................36 VÝROBA PROGRAMOVÉHO VYBAVENÍ (SOFTWARE) ...........................................................................37

METODIKA NÁVRHU ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ. ..............................................................38

SYSTÉMOVÉ INŽENÝRSTVÍ. .......................................................................................................................38 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 6

ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA (EMC) .....................................................................53 6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2

7

STRUKTURA ELEKTRONICKÉHO ZAŘÍZENÍ ..........................................................................................39 METODIKA NÁVRHU ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ ...............................................................................41 POČÍTAČOVÉ METODY NÁVRHU..........................................................................................................42 SYSTÉMOVÝ PŘÍSTUP A SYSTÉMOVÉ INŽENÝRSTVÍ.............................................................................44 INOVAČNÍ PROCESY V ELEKTRONICE ..................................................................................................46 DEFINICE EMC ..................................................................................................................................53 ČLENĚNÍ PROBLEMATIKY EMC..........................................................................................................56 MĚŘENÍ RUŠIVÝCH POLÍ A RUŠIVÝCH NAPĚTÍ .....................................................................................66 ZPŮSOBY ODRUŠOVÁNÍ ......................................................................................................................71 Odrušování zásahem u zdroje.......................................................................................................71 Odrušování zásahem u přijímače rušení.......................................................................................84

PARAZITNÍ JEVY A JEJICH POTLAČENÍ .......................................................................................86 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7

OCHRANA PROTI PRONIKÁNÍ NEŽÁDOUCÍCH SIGNÁLŮ ........................................................................86 JEVY VYVOLANÉ NENULOVÝM ODPOREM SPOJŮ.................................................................................87 VAZBA OBVODŮ NA SPOLEČNÉM REZISTORU......................................................................................87 VAZBA PŘES NAPÁJECÍ ROZVODY A ZDROJE. ......................................................................................93 PŘECHODOVÉ ODPORY .......................................................................................................................96 TERMOELEKTRICKÁ NAPĚTÍ ...............................................................................................................97 REAKTANCE VODIČŮ ..........................................................................................................................97

Konstrukce a technologie elektronických zařízení 7.8 7.9 8

3

PARAZITNÍ KAPACITNÍ VAZBA ............................................................................................................ 98 PARAZITNÍ INDUKTIVNÍ VAZBA ........................................................................................................ 101

KONSTRUKCE SIGNÁLOVÝCH SPOJŮ ......................................................................................... 109 8.1 SOUSTAVY SPOJŮ ............................................................................................................................. 109 8.1.1 Klasifikace spojů v digitálních systémech .................................................................................. 113 8.1.2 Vedení......................................................................................................................................... 117

9

ROZVOD NAPÁJENÍ............................................................................................................................ 124

10

STÍNĚNÍ.................................................................................................................................................. 131 10.1 KLASIFIKACE STÍNĚNÍ ...................................................................................................................... 131 10.1.1 Elektromagnetické stínění...................................................................................................... 137 10.1.2 Magnetostatické stínění ......................................................................................................... 148 10.1.3 Vícenásobné stínění ............................................................................................................... 154 10.2 STÍNĚNÍ NÍZKOFREKVENČNÍCH A NAPÁJECÍCH TRANSFORMÁTORŮ .................................................. 160 10.2.1 Stínění cívek a vysokofrekvenčních obvodů ........................................................................... 160 10.2.2 Elektrické stínění ................................................................................................................... 164 10.2.3 Stínění síťových transformátorů ............................................................................................ 170 10.3 SOUČASNÉ STÍNĚNÍ MAGNETICKÉHO A ELEKTRICKÉHO POLE ........................................................... 171 10.3.1 Stínění vodičů ........................................................................................................................ 173 10.3.2 Stínění vodičů proti vlivu magnetických polí ......................................................................... 178

11

CHLAZENÍ POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK A KONSTRUKČNÍCH CELKŮ ................... 182 11.1.1 Model přenosu tepla .............................................................................................................. 183 11.1.2 Přenos tepla vedením............................................................................................................. 184 11.1.3 Přenos tepla prouděním......................................................................................................... 186 11.1.4 Přenos tepla zářením ............................................................................................................. 188 11.2 TERMOELEKTRICKÉ CHLAZENÍ ......................................................................................................... 189 11.2.1 Konstrukční uspořádání chlazení .......................................................................................... 192 11.2.2 Přirozené chlazení ................................................................................................................. 194 11.2.3 Odvod tepla z uzavřeného provedení elektronického zařízení ............................................... 197 11.2.4 Chlazení s nuceným oběhem vzduchu .................................................................................... 199 11.2.5 Chlazení kapalinou a odpařováním kapaliny ........................................................................ 201 11.2.6 Tepelné trubice ...................................................................................................................... 203 11.2.7 Termostaty ............................................................................................................................. 205 11.3 CHLAZENÍ POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK ...................................................................................... 209 11.3.1 Tepelné pochody v soustavě výkonová součástka - okolí....................................................... 210 11.3.2 Ustálený stav při chlazení polovodičových součástek ........................................................... 212 11.3.3 Technologické provedení chladičů ........................................................................................ 232

12

PÁJENÍ V ELEKTRONICE ................................................................................................................. 234 12.1 MECHANISMUS TVORBY SPOJE ......................................................................................................... 235 12.2 MECHANICKÉ A ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI PÁJENÝCH SPOJŮ ............................................................ 237 12.3 PÁJECÍ VLASTNOSTI PŘEDMĚTŮ URČENÝCH K PÁJENÍ ....................................................................... 238 12.4 PÁJECÍ VLASTNOSTI VÝVODŮ SOUČÁSTEK A SPOJOVACÍCH VODIČŮ ................................................. 240 12.5 PÁJECÍ VLASTNOSTI DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ................................................................................... 240 12.5.1 Měkké pájky ........................................................................................................................... 241 12.5.2 Cínové pájky ........................................................................................................................ 242 12.6 PÁJENÍ A BEZOLOVNATÉ PÁJKY ........................................................................................................ 242 12.6.1 Tepelné zpracování bezolovnatých pájek............................................................................... 243 12.7 TAVIDLA .......................................................................................................................................... 245 12.8 RUČNÍ PÁJENÍ ................................................................................................................................... 248 12.9 PÁJEČKY .......................................................................................................................................... 250 12.9.1 Hromadné pájení ................................................................................................................... 251 12.9.2 Technologické operace a zařízení pro hromadné pájení ....................................................... 253

4



5

Seznam obrázků OBR. 1: SCHÉMA TECHNICKÉ PŘÍPRAVY VÝROBY............................................................23 OBR. 2: CHARAKTERISTIKA JAPONSKÝCH FIREM ZABÝVAJÍCÍCH SE VÝROBOU A PRODEJEM ELEKTROTECHNICKÝCH VÝROBKŮ Z HLEDISKA POČTU ZAMĚSTNANCŮ .............................37 OBR. 4: INOVAČNÍ KŘIVKY S VYZNAČENÍM VLIVU ZPOŽDĚNÍ NA MOŽNOSTI ODBYTU ZPOŽDĚNÉHO TYPU VÝROBKU ............................................................................................48 OBR. 5: INOVAČNÍ KŘIVKY PRO PAMĚTI TYPU DRAM ....................................................49 OBR. 6: ZÁKLADNÍ SCHÉMA STRUKTURÁLNÍCH VZTAHŮ ELEKTROTECHNICKÝCH SYSTÉMŮ Z HLEDISKA EMC ..............................................................................................53 OBR. 7: ZÁKLADNÍ ČLENĚNÍ OBLASTÍ EMC A JEJICH NÁVAZNOSTÍ .................................54 OBR. 8: ROZDĚLENÍ RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ.........................................................................55 OBR. 9: VZNIK EMC SOUVISÍ S ROZŠIŘOVÁNÍM ELEKTRONIKY V NEJRŮZNĚJŠÍCH OBORECH LIDSKÉ ČINNOSTI ...............................................................................................55 OBR. 10: RUŠENÍ ZPŮSOBENÉ SPÍNÁNÍM TRANSFORMÁTORU ............................................58 OBR. 11: KMITOČTOVÉ SPEKTRUM PRO RŮZNÉ TVARY PULZŮ ..........................................59 OBR. 12: ČTYŘSTUPŇOVÁ OCHRANA PŘENOSOVÝCH VEDENÍ PROTI PŘEPĚTÍ ............................65 OBR. 13: TŘI PROSTŘEDÍ PRO MĚŘENÍ EMC, VPRAVO TYPICKÁ STRUKTURA PRACOVIŠTĚ PRO VENKOVNÍ MĚŘENÍ ......................................................................................................66 OBR. 14: BLOKOVÉ SCHÉMA UMĚLÉ SÍTĚ LISN ................................................................68 OBR. 15: RŮZNÉ VARIANTY ODRUŠENÍ INDUKTIVNÍ ZÁTĚŽE A SPÍNACÍHO KONTAKTU ......72 OBR. 16: ODRUŠENÍ KONTAKTŮ TRANSFORMÁTOROVÉ PÁJEČKY ..............................................73 OBR. 17: LARSENOVO ZAPOJENÍ PRO ODRUŠENÍ KONTAKTU .............................................74 VELMI ÚČINNÉ ODRUŠENÍ KONTAKTU (KOMBINACE ODRUŠOVACÍCH OBR. 18: (C=50-100NF, L=0,1PROSTŘEDKŮ A STÍNĚNÍ) C1 JE PRŮCHODKOVÝ KONDENZÁTOR 1MH, 100NF+2X2,5NF, C2= 0,1-1UF, R=20-100Ω) ..........................................................75 OBR. 19: SYMETRICKÉ ZAPOJENÍ STATOROVÝCH CÍVEK KOMUTÁTOROVÉHO MOTORU JE ZÁKLADNÍ ..........................................................................................................................75 OBR. 20: ODRUŠENÍ KOMUTÁTOROVÉHO MOTORU ŠIROKOPÁSMOVÝM KONDENZÁTOREM75 OBR. 21: ODRUŠENÍ KOMUTÁTOROVÉHO MOTORU ...........................................................75 ODRUŠENÍ KOMUTÁTOROVÉHO MOTORU V TV PÁSMECH. C1=100NF+2X2,5NF, OBR. 22: C2=10NF ŠIROKOPÁSMOVÝM FILTREM TC 241(BEZINDUKČNÍ), VF TLUMIVKY 10UH NA FERITU 76 OBR. 23: ODRUŠENÍ MOTORKU PRO NÁROČNÍ POUŽITÍ ......................................................76 OBR. 24: VZNIK RUŠENÍ U DIODY ......................................................................................77 VZNIK RUŠENÍ U TYRISTORU (A).........................................................................77 OBR. 25: VZNIK RUŠENÍ U TYRISTORU (B).........................................................................78 OBR. 26: OBR. 27: RŮZNÉ VARIANTY ODRUŠENÍ TRIAKOVÉHO REGULÁTORU..................................78 OBR. 28: POTLAČENÍ RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ FERITOVÝM TOROIDEM ....................................79 OBR. 29: MOŽNÁ UMÍSTĚNÍ FILTRU ..................................................................................80 OBR. 30: PRINCIPIÁLNÍ ZAPOJENÍ SÍŤOVÉHO ODRUŠOVACÍHO FILTRU V PŘÍSTROJOVÉ ZÁSUVCE : TLUMIVKY2X0,48MH A 0,28MH, C1=100NF, C2=C3=3NF/Y, R1=470 K ......80 OBR. 31: SÍŤOVÝ FILTR (PROUDOVĚ KOMPENZOVANÉ TLUMIVKY 0,1-10MH, .................81 OBR. 32: SÍŤOVÝ ODRUŠOVACÍ FILTR VESTAVĚNÝ V PŘÍSTROJOVÉ ZÁSUVCE ...................81 OBR. 33: SÍŤOVÝ FILTR TELEVIZORU ................................................................................81 OBR. 34: : SÍŤOVÝ ODRUŠOVACÍ FILTR TISKÁRNY HDP- 1810, KTERÁ MÁ SPÍNANÝ NAPÁJECÍ ZDROJ .................................................................................................................81 OBR. 35: SÍŤOVÝ FILTR PC HYUNDAI...............................................................................82 OBR. 36: SÍŤOVÝ FILTR FAXU CANON ............................................................................82 OBR. 37: PROUDOVĚ KOMPENZOVANÁ TLUMIVKA NA TOROIDNÍM JÁDRU ........................82

6


Seznam tabulek TAB. 1: SYSTEMIZACE RŮZNÝCH PŘÍSTUPŮ K ŘEŠENÍ PROBLÉMŮ ............................................. 45 TAB. 2: KMITOČTOVÝ ROZSAH NĚKTERÝCH ZDROJŮ RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ ...................... 57 TAB. 3: MATERIÁLY PRO STÍNĚNÍ................................................................................. 137 TAB. 4: HLOUBKA VNIKU PRO RŮZNÉ MATERIÁLY A KMITOČTY................................... 139 TAB. 5: VLASTNOSTI FEROMAGNETICKÝCH LÁTEK: ..................................................... 148

7


1 Náplň předmětu Požadavky na vyráběná elektronická zařízení a přístroje. Návrh a konstrukce elektronických přístrojů a jejich zavádění do výroby. Elektromagnetická kompatibilita. Elektrická konstrukce výběr součástek, aplikační zásady, obvodové řešení a jeho výpočet, problémy parazitních vazeb a přenosů, praktická doporučení pro elektrickou konstrukci. Mechanická konstrukce design přístroje, návrh plošných spojů, chlazení. Spolehlivost elektronických přístrojů. Technická diagnostika. Nepříznivé vnější vlivy a zabezpečení proti nim. Odvádění tepla z přístrojové skříně. Zabezpečení proti úrazu el. proudem. Problematika správného zemnění a stínění. Odrušovací obvody. Vlastnosti a schopnosti člověka při obsluze přístrojů. Optimální konstrukce a uspořádání obslužného prostoru. Optimální rozmístění ovládacích prvků.

2 Cíle výuky Cílem je : seznámit se s postupem a s praktickými zásadami konstrukce elektronických přístrojů a zařízení jak po stránce elektrické, tak i mechanické - v podmínkách průmyslového podniku. Předpokládané získané znalosti: Požadavky na elektronická zařízení a přístroje. Konstrukce a vlastnosti signálových spojů, napájecí zdroje a rozvody - odrušení a zemní smyčky. Parazitní jevy a jejich potlačení - vazby u vstupních a výstupních obvodů, parazitní kapacity a indukčnosti, termoelektrické napětí, přepětí na indukční zátěži, odrazy na vedení, přeslechy. Stínění proti elektrickému a magnetickému poli, ekvipotenciální stínění. Výběr součástek a aplikační doporučení diskrétní prvky, operační zesilovače, komparátory, elektronické spínače, A/D a D/A převodníky, vzorkovače s pamětí, číslicové obvody, mikroprocesory. Mechanická konstrukce: řídicí, ovládací a indikační prvky - rozmístění na předním panelu, konstrukce přístrojových skříní, odvod tepla, termostaty. Plošné spoje, plošné drátové spoje, připojování vodičů a součástek. Bezpečnostní požadavky na konstrukci přístrojů. Zájemce získá konkrétní aplikační poznatky z konstrukce elektronických přístrojů, které se jinak získávají delší praxí ve vývoji. Přitom je kladen důraz na pochopení fyzikální podstaty parazitních jevů tak, aby poznatky bylo možné aplikovat i na jiné případy. Naučí se předvídat a odhalovat řadu problémů, které vznikají při vývoji nových přístrojů a to jak

v

Předpoklady

části pro

elektrické, studium:

Jsou

tak

i

požadovány

v

oblasti

znalosti

na

mechanické úrovni

konstrukce.

bakalářského

studia.

Hodnocení: Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

8


3 Ochrana průmyslového vlastnictví v České republice a v Evropské unii 3.1 SYSTÉM OCHRANY – VZTAHY Každé podnikání je neodmyslitelně spojeno s průmyslovými právy a ochranou duševního vlastnictví všeobecně. Průmyslová práva a duševní vlastnictví jsou ve vyspělých zemích bedlivě hlídaným majetkem konkrétních osob, ať již fyzických nebo právnických. Do vztahů vyplývajících z průmyslového vlastnictví vstupují podnikatelé dvojím způsobem: Za prvé

Jako firma či podnikatel musí zachovávat nedotknutelnost existujících práv . To znamená vyhnout se všem neoprávněným zásahům do práv třetích osob. Rozhodne-li se podnikatel pro založení nové firmy s určitým názvem a logem, výrobce pro produkci nového výrobku pod určitým označením či pro zavedení nové technologie, měl by si nejdříve ověřit, zda tím nebude zasahovat do cizích průmyslových práv, ať již práv patentových či práv na označení - ochranných známek. Za druhé

Firma či podnikatel může vystupovat v úloze majitele průmyslového práva - to znamená být majitelem patentu, užitného či průmyslového vzoru nebo ochranné známky, a to nejen na území České republiky. Především při vstupu firem na zahraniční trhy a rozšiřování mezinárodní spolupráce se stává potřeba ochrany know-how a dalšího nehmotného majetku firem velmi aktuální. Z ekonomického hlediska jde i zde o zboží, které má svoji směnnou a užitnou hodnotu na trhu a na druhé straně je třeba plně respektovat jeho vlastnictví. To je možné za předpokladu, že podnikatelé svá práva a povinnosti znají a tuto znalost uplatňují. Zabezpečení ochrany průmyslového vlastnictví je nutné věnovat náležitou pozornost i v souvislosti s členstvím České republiky v Evropské unii. Systém ochrany průmyslového vlastnictví je u nás postupně harmonizován s evropskou legislativou a lze očekávat, že bude docházet v této oblasti ke střetům. Je důležité zorientovat se v problematice ochrany průmyslového vlastnictví a nacházet především odpovědi na otázky typu: ⇒ Jak omezit riziko ztráty vlastního know-how při spolupráci se zahraničními partnery? ⇒ Jaký nehmotný majetek firmy je vhodné chránit? ⇒ Co je nutné a čeho je třeba se vyvarovat při ochraně duševního vlastnictví? ⇒ Jaké jsou finanční náklady na tuto ochranu? ⇒ Jak a kde zjistit, zda firmě nehrozí nebezpečí střetu s cizími vlastníky práv k duševnímu vlastnictví? ⇒ Jaké příležitosti a hrozby přináší vstup České republiky do EU v oblasti průmyslového vlastnictví?

9


3.2 DUŠEVNÍM VLASTNICTVÍ Duševní vlastnictví a vše, co s ním souvisí, vyžaduje osvětu. Celá tato oblast bývala u nás nedoceňována a právní zájem o ni byl na okraji pozornosti. Vytváření tržního hospodářství, sílící konkurence a složité mezinárodní otázky související s transferem technologií vyvolávají potřebu zabývat se i nakládáním nehmotnými majetkovými hodnotami, tedy duševním vlastnictvím podniku, a jejich každodenní ochranou. Duševní vlastnictví se dělí na dvě základní kategorie: průmyslové vlastnictví a dále autorské právo a práva příbuzná. Všimněme si především ochrany průmyslového vlastnictví. Tabulka 3.1 Kategorie duševního vlastnictví PRÁVO AUTORSKÉ A PRÁVA PŘÍBUZNÁ

Předmětem práva autorského je dílo literární a jiné dílo umělecké a dílo vědecké, vyjádřené v jakékoli vnímatelné podobě, bez ohledu na jeho rozsah, účel nebo význam. Za dílo se považuje i počítačový program. Práva příbuzná byla vytvořena ve prospěch tří kategorií oprávněných, kteří nejsou autory: výkonní umělci, výrobci zvukových a zvukově obrazových záznamů, rozhlasoví a televizní vysílatelé. Dílo slovesné Dílo hudební Dílo dramatické Dílo choreografické a pantomimické Dílo fotografické Dílo audiovizuální (kinematografické) Dílo výtvarné (malířské, grafické, sochařské) Dílo architektonické Dílo užitého umění Dílo kartografické Počítačový program Databáze Právo výkonného umělce k jeho výkonu Právo výrobce zvukového nebo obrazově zvukového záznamu k jeho záznamu Právo rozhlasového nebo televizního vysílatele k jeho původnímu vysílání

PRŮMYSLOVÉ VLASTNICTVÍ

Pojem průmyslové (tj. "průmyslově využitelné") vlastnictví zahrnuje práva k výsledkům technické či estetické tvůrčí činnosti (tj. práva k vynálezům ze všech oblastí lidské činnosti, k vědeckým objevům, k průmyslovým vzorům a modelům, ke zlepšovacím návrhům, k topografiím polovodičových výrobků) a dále práva na označení (tj. práva k ochranným známkám, k obchodním jménům a obchodním názvům), jakož i právo na ochranu proti nekalé soutěži; v některých státech sem patří také odrůdy rostlin a plemena zvířat. Patenty na vynálezy Vědecké objevy Užitné vzory Průmyslové vzory Zlepšovací návrhy Topografie polovodičových výrobků Ochranné známky Označení původu výrobků Obchodní jméno Ochrana proti nekalé soutěži Odrůdy rostlin a plemena zvířat

10


3.3 VÝZNAM A ZPŮSOB OCHRANY VLASTNICTVÍ

PRŮMYSLOVÉHO

Každé podnikání má svou nehmotnou složku. Podle § 5 obchodního zákoníku podnikem se rozumí soubor hmotných, jakož i osobních a nehmotných složek podnikání. Jednou z oněch nehmotných složek je právě průmyslové vlastnictví. To může mít podobu chráněných řešení tvůrčí činnosti technické (patenty, užitné vzory) či estetické (průmyslové vzory), ale i např. dobrého jména podniku a označení, pod kterým jsou jeho produkty uváděny na trh a nabízeny zákazníkovi (ochranné známky). Je známo, že některé podniky si více cení svého nehmotného majetku (průmyslového vlastnictví), než majetku hmotného. Např. ochranná známka Coca-Cola má sama o sobě větší hodnotu, než veškerý ostatní majetek společnosti. Každý z předmětů průmyslového vlastnictví má jinou povahu a liší se i důvody k jeho ochraně. Jedno však mají společné: pomáhají podniku obstát v konkurenci, zvyšují jeho hodnotu a upevňují jeho postavení na trhu.

3.3.1

PATENT

Patent je ochranný dokument, který poskytuje svému majiteli, vynálezci nebo podniku, výlučné právo k vynálezu, tedy monopol, na dobu 20 let od podání přihlášky.

Patent je prostředek ke zhodnocení vynálezu

Co je patent?

Patent poskytuje svému majiteli právo zakázat každé třetí osobě využívat vynález bez jeho souhlasu a případně i soudně stíhat porušovatele.

Je-li majitelem patentu podnik, chrání patent nejen jeho vynálezy, ale i jeho trhy.

Patent je nástroj k získání přehledu o technologickém vývoji

Patent je nástroj ochrany a dobývání trhů

Patentová dokumentace je nejkompletnější, nejsystematičtější a nejdostupnější zdroj technologických informací: 80% vědeckých a technických informací je obsaženo právě v patentových spisech.

Jako zbraň obranná chrání práva vynálezců a podniků, zavádějících nové postupy; jako zbraň útočná slouží podnikům při dobývání trhů; jako Patent je odstrašující síla často působí jako prevence porušení práva. ekonomická zbraň


11

Co lze patentovat Patenty se udělují na vynálezy, které jsou nové, jsou výsledkem vynálezecké činnosti (tj. nejsou zřejmé) a jsou průmyslově využitelné. Co není technické řešení Za vynálezy (a tedy technická řešení) se nepovažují objevy, vědecké teorie, matematické metody, vnější úpravy výrobků, plány, pravidla a způsoby vykonávání duševní činnosti, hraní her a obchodování, programy počítačů a pouhé uvedení informace, způsoby prevence, diagnostiky a léčení lidí a zvířat Co je z patentování vyloučeno Patent nemůže být udělen na vynález, který je v rozporu s obecnými zájmy (zejména zásadami lidskosti a veřejné morálky), dále na odrůdy rostlin a plemena zvířat a biologické způsoby jejich pěstování a šlechtění Jak a kde získat patent O udělení patentu se žádá přihláškou podanou na předepsaném tiskopisu u Úřadu průmyslového vlastnictví Právo přednosti Podáním přihlášky vynálezu vzniká přihlašovateli tzv. právo přednosti (priorita). Řízení Úřad nejprve zkoumá, zda přihláška nemá formální nedostatky nebo zjevně nepatentovatelné řešení (formální průzkum). Po případných úpravách – na žádost - podrobí úřad přihlášku tzv. úplnému průzkumu. Při splněním podmínek udělí úřad patent Účinky patentu Patent je monopol. Jeho základní účinek spočívá v tom, že bez souhlasu majitele nikdo nesmí patentovaný vynález využívat, ať již přímo (vyrábět, skladovat, prodávat, dovážet) nebo nepřímo (např. dodávat prostředky, sloužící k uskutečnění vynálezu). Může být patentován i výrobní postup. Souhlas k využití patentu se uděluje licenční smlouvou. Patent lze také prodat. Správní poplatky Za úkony v udělovacím řízení, za udělení patentu a za jeho udržování v platnosti se platí správní poplatky.

3.3.2

UŽITNÝ VZOR

Patentová ochrana nemusí být vždy nejvhodnější Co je užitný vzor? formou ochrany určitého technického řešení. Je totiž časově náročná, poměrně nákladná a pro předměty s nižším stupněm invence, je možné zvolit si jednodušší, rychlejší a lacinější ochranu užitným vzorem. Užitné vzory jsou upraveny v zákoně č. 478/92 Sb., o užitných vzorech. Zápisem užitného vzoru do rejstříku vzniká ochrana.

Účinky ochrany jsou stejné, jako účinky patentu.

Řízení je rychlejší a jednodušší než u patentu. Oba druhy ochrany lze také kombinovat.

12


Co lze chránit užitným vzorem Užitným vzorem lze chránit technické řešení, které je nové, přesahuje rámec pouhé odborné dovednosti a je průmyslově využitelné, případně z důvodu nižší technické náročnosti je nelze patentovat. Co nelze chránit Totéž jako u patentu, navíc s vyloučením ochrany jakýchkoli postupů. Účinky zápisu užitného vzoru Totéž jako u patentu Zapsaný užitný vzor platí 4 roky od podání přihlášky, dobu platnosti lze prodloužit celkem dvakrát, vždy o tři roky (celkem tedy platí užitný vzor 10 let). Jak a kde získat užitný vzor Pro přihlášení užitného vzoru platí stejná pravidla, jako u podání přihlášky patentové. Také podáním přihlášky vynálezu vzniká přihlašovateli tzv. právo přednosti (priorita). Řízení Řízení o zápis užitného vzoru spočívá na tzv. registračním principu. To znamená, že na rozdíl od řízení s patentovou přihláškou úřad provádí jen formální průzkum, neprovádí tzv. úplný průzkum. K zápisu užitného vzoru do rejstříku dochází velmi rychle (2-3 měsíce). Patent nebo užitný vzor? Z toho, co již bylo uvedeno, je zřejmé, že před podáním přihlášky je třeba dobře zvážit, zda je v daném případě vhodnější ochrana technického řešení patentem nebo užitným vzorem, popřípadě kombinací obojího. Správní poplatky Za přihlášení užitného vzoru a za jeho udržování v platnosti se platí správní poplatky.

3.3.3

PRŮMYSLOVÝ VZOR

Průmyslový vzor chrání vzhled výrobku. výrobku je hodnota, kterou je třeba chránit. Vzhled výrobku musí umět přilákat a získat veřejnost

Vzhled

Co je průmyslový vzor ?

Výrobek musí nejen vyvolat chuť ke koupi. Vzhled výrobku umožňuje překonat čistě užitkový aspekt výrobku a i tehdy, když se přizpůsobí požadavku funkčnosti, může uspokojit i zákazníkův vkus.

Vzhled a tvar výrobků podniku, jsou-li veřejností oceňovány a vyhledávány, mohou sloužit jako symboly kontinuity a kvality (automobily, lahve na limonádu).

Vzhled výrobku má i svou ekonomickou stránku


13

Co lze chránit Průmyslovým vzorem lze chránit výrobky nebo jejich části, tedy průmyslově nebo i řemeslně vyrobené předměty. Lze chránit i součástky určené k sestavení do jednoho výrobku, dále obaly, grafické symboly a topografické znaky. Podmínkou je, že vzor je nový a musí mít ještě tzv "individuální povahu"; to znamená, že musí být originální. Tato podmínka je splněna, jestliže vzor vyvolává odlišný celkový dojem, než vzory, které jsou již známy. Co chránit nelze Je samozřejmé, že nelze poskytnout ochranu vzoru, který je v rozporu se zásadami veřejného pořádku nebo s dobrými mravy. Účinky zápisu průmyslového vzoru Obdobně jako u patentu . Zápis průmyslového vzoru platí pět let a lze jej vždy na dalších pět let prodloužit, až do celkové doby platnosti 25 let od zápisu. Jak a kde získat ochranu Ochrana průmyslového vzoru vzniká zápisem do rejstříku u Úřadu průmyslového vlastnictví. O zápis se žádá přihláškou průmyslového vzoru. Součástí přihlášky je i vyobrazení či fotografie průmyslového vzoru. Řízení Úřad v rámci řízení nejprve zkoumá, zda jsou splněny všechny formální náležitosti přihlášky.. jištěné nedostatky může přihlašovatel ve stanovené Je-li přihláška v pořádku, úřad prověří, zda její předmět vyhovuje požadavkům stanovým zákonem. Jsou-li všechny podmínky splněny, úřad zapíše vzor do rejstříku a vzor zveřejní. Majiteli vzoru je vydáno osvědčení o zápisu Poplatky Za přihlášení průmyslového vzoru a za jeho udržování v platnosti se platí správní poplatky.

3.3.4

OCHRANNÉ ZNÁMKY

Ochranná známka je označení, které slouží k Co je ochranná známka? rozlišení výrobků nebo služeb na trhu. Známka poskytuje informaci o původu výrobku či služby. Kapitál hodný ochrany Známka je součástí průmyslové a Ochranná známka by měla být pro podnik obchodní strategie nezbytným prvkem jeho průmyslové a obchodní strategie a poskytuje spotřebiteli významný záchytný bod. Spotřebitel se lépe orientuje v nabídce výrobků či služeb a vybírá si zboží podle své oblíbené značky.

Známka je propagátorem dobré pověsti

Ochranná známka je ve službách dobré pověsti vašeho podniku. Výrobek, který je známkou označen, má vliv na její

14


úspěch; všechny další výrobky pak píší historii známky. V očích veřejnosti je známka určitou zárukou stálé kvality. Nechrání-li podnik svou značku, nabízí tak každému konkurentovi možnost si ji přivlastnit a těžit tak z cizího úsilí. Je to stejné, jako ponechat na parkovišti auto se staženými okénky.

Známka investice, kterou je třeba chránit

Co může být ochrannou známkou Ochrannou známkou může být jen označení, které lze graficky znázornit. Nelze u nás tedy např. chránit známky čichové či zvukové znělky. Známka může mít nejrůznější podobu: slovo či slovní spojení, slovní označení v grafické úpravě, obrázek (kresba), kombinované označení (tj. slovo a kresba, logo), prostorové (trojrozměrné) označení a kombinace tvaru výrobku nebo obalu se slovy nebo kresbou. Známka může být přihlášena v černobílém nebo barevném provedení. Co nelze chránit jako ochrannou známku Některá označení jsou z možnosti poskytnutí ochrany předem vyloučena. Vedle označení, která nejsou schopna grafického ztvárnění nebo označení, která nemají rozlišovací způsobilost (např. jednotlivá písmena, jednoduché geometrické obrazce apod.), jsou to i označení, která jsou již běžně používána ("káva" pro kávu, "international"), případně označení, která slouží k určení např. jakosti či množství zboží ("1 kg", "standard směs"). Jsou vyloučena i označení, která by mohla klamat spotřebitele o povaze, jakosti nebo původu výrobků. Jako ochranná známka nemohou být zapsány ani puncovní, záruční či cejchovní značky. Vyloučen je zápis takových označení , jako jsou státní vlajky a státní znaky či názvy mezinárodních organizací. Zákon respektuje také právo přednosti: nelze proto např. zapsat ani označení, které je shodné s ochrannou známkou dříve přihlášenou jinou osobou pro stejné nebo podobné výrobky nebo služby. Tím výčet označení, která nemohou tvořit ochrannou známku, nekončí. Podrobně jsou výluky ze zápisu uvedeny v § 2 zákona o ochranných známkách. Kdo si může přihlásit ochrannou známku Ochrannou známku si může přihlásit každá fyzická nebo právnická osoba pro výrobky nebo služby, které jsou předmětem jejího podnikání. Známku si však může přihlásit jen ty výrobky nebo služby, které má uvedeny v předmětu činnosti. Práva majitele ochranné známky Nejdůležitějším právem majitele ochranné známky je právo užívat známku přímo na výrobcích nebo při poskytování služeb nebo ve spojení s těmito výrobky či službami (na obalech, visačkách, vizitkách, v propagaci apod.). Bez souhlasu majitele ochranné známky nikdo nesmí užívat označení shodné nebo zaměnitelné s jeho ochrannou známkou pro stejné nebo podobné výrobky nebo služby.


15

Všeobecně známá známka Některá označení výrobků jsou natolik známa, že je většina spotřebitelské veřejnosti spojuje zcela jistě s určitým výrobcem přesto, že výrobce tuto známku v dané zemi nemá ani zapsánu. V případě takto známé známky, ať již zapsané či nezapsané, se také stává, že spotřebitel ztotožňuje určitého výrobce s veškerým zbožím takovou známkou označeným, bez ohledu na jeho druh (např. známka Coca-cola není spojována jen s nealkoholickými nápoji). Takové známky bývají nazývány "všeobecně známé" ("well-known, "notoire"); v České republice požívají nejvyšší možné ochrany. Jak přihlásit známku k ochraně Přihláška ochranné známky se podává u Úřadu průmyslového vlastnictví. Přihláška musí obsahovat údaje o totožnosti přihlašovatele, znění nebo vyobrazení přihlašované ochrannéznámky a dále seznam výrobků či služeb, pro ně. má být ochranná známka zapsána. Seznam výrobků a služeb musí být zatříděn podle mezinárodního třídění. Řízení Nemá-li přihláška vady a je-li přihlašované označení způsobilé k zápisu, je přihláška zveřejněna ve Věstníku úřadu. Ve lhůtě tří měsíců pak mohou osoby, do jejich. dříve získaných práv by přihlašované označení zasahovalo, podat proti zápisu námitky. Pokud námitky nebyly podány nebo nejsou oprávněné, úřad známku zapíše. Platnost zápisu je deset let a lze jej neomezeně (vždy po deseti letech) obnovit. Správní poplatky Za přihlášení užitného vzoru a za jeho udržování v platnosti se platí správní poplatky.

3.4 OCHRANA PRŮMYSLOVÉHO VLASTNICTVÍ V ČESKÉ REPUBLICE V průběhu devadesátých let proběhla v České republice postupně přestavba celého systému ochrany průmyslového vlastnictví. Přechod k tržnímu hospodářství a potřeba České republiky sbližovat své právní předpisy s právem Evropského společenství si takovou rekonstrukci přímo vyžádal. V roce 1990 byl tedy přijat nový zákon o vynálezech, průmyslových vzorech a zlepšovacích návrzích (tzv. patentový zákon). Tento přepis znamenal především rehabilitaci patentové ochrany: Patentový zákon upravil podmínky patentovatelnosti vynálezu, dobu a účinky patentové ochrany a všechna ustanovení hmotného i procesního práva shodně nebo obdobně, jako je tomu v členských zemích Evropské unie. Nový zákon o ochranných známkách z roku 1995 odstranil všechny překážky v nakládání s ochrannými známkami. V první polovině devadesátých let poskytovala ji. Česká republika ochranu užitným vzorům (od r.1992) a topografiím polovodičových výrobků (od r.1991). Byla posílena i ochrana dalších předmětů průmyslového vlastnictví prostředky práva obchodního. Přeměny byly završeny novelizací patentového zákona v roce 2000, která zavedla tzv. dodatková ochranná osvědčení pro léčiva a pro výrobky na ochranu rostlin. V témže roce byl přijat nový zákon o průmyslových vzorech a zákon o ochraně biotechnologických vynálezů. Při ochraně průmyslového vlastnictví připadla významná úloha Úřadu průmyslového vlastnictví, a to nejen jako přihlašovacímu a registračnímu místu, ale i jako ústřednímu orgánu státní

16


správy, který v rámci své zákonné působnosti připravuje k legislativnímu projednání většinu právních předpisů a mezinárodních smluv. Na sklonku 90. let bylo již podáno téměř 5.000 patentových přihlášek, z nich. právě 80% pochází ze zahraničí. Roční objem přihlášek ochranných známek vzrostl oproti letům před. r. 1990 více jak třicetinásobně a Česká republika dnes spravuje 150 tis. známkových práv přihlášených buď národní nebo mezinárodní cestou. Od roku 1990 byly navázány úzké kontakty s Evropskou patentovou organizací a s Evropským patentovým úřadem. V roce 2002 Česká republika přistoupila k Evropské patentové úmluvě. Koncem devadesátých let se začala rozvíjet spolupráce s Úřadem pro harmonizaci ve vnitřním trhu (OHIM) v Alicante.

3.5 ZAHRANIČNÍ OCHRANA S ÚČASTÍ ÚPV Ochrana průmyslového vlastnictví je ovládána zásadou teritoriality. To znamená, že ochrana založená v České republice je omezena toliko na Českou republiku a přes hranice státu nepůsobí. Tak patent udělený úřadem zajišťuje ochranu vynálezu jen v České republice, stejně jako ochranná známka získává zápisem do tuzemského rejstříku ochranu pouze v České republice, nikoli automaticky v zahraničí. Mezinárodní společenství však přijalo řadu mezinárodních smluv, které usnadňují získávání patentové a známkové ochrany v zahraničí na základě jediné přihlášky. V souvislosti s tím vykonává některé úkoly, zejména funkci podacího místa, Úřad průmyslového vlastnictví.

3.5.1 MEZINÁRODNÍ UŽITNÉHO VZORU

PŘIHLÁŠKA

PATENTU

NEBO

Česká republika je členem Smlouvy o patentové spolupráci. Podstata smlouvy spočívá v tom, že na základě jediné - mezinárodní - přihlášky podané u Úřadu lze získat ochranu ve všech smluvních státech (dnes jich je více než 100). Účelem smlouvy není vytvořit jediný patent, ale usnadnit patentování v každé členské zemi. Mezinárodní přihláška nevede tedy k udělení jediného patentu, nýbrž k získání řady národních patentů, v každém státě zvlášť. Přihlašovatel vyznačí v přihlášce státy, kde si přeje získat ochranu. Účinky takové přihlášky jsou stejné, jako kdyby byla podána v každém jednotlivém státě. Mezinárodní fáze řízení spočívá v provedení mezinárodní rešerže a zveřejnění mezinárodní přihlášky 18 měsíců od podání, resp. od vzniku práva přednosti. Na základě výsledků rešerže (které v podstatě umožní přihlašovateli učinit si přehled o stavu techniky ve vztahu k přihlašovanému řešení) se může přihlašovatel rozhodnout, zda a ve kterém státě bude žádat o národní patent. Přihlašovatel však může také požádat ještě o provedení mezinárodního předběžného průzkumu a rozhodnout se a. na základě jeho výsledku. Ten mu totiž umožní získat již dost přesnou představu o tom, jaké má vyhlídky na udělení patentů. Teprve potom vstupuje přihlašovatel do národní fáze řízení v jednotlivých státech. Mezinárodní přihláška se podává v angličtině, němčině nebo francouzštině; je-li podána v češtině, musí být do jednoho měsíce předložen překlad. Pro vstup do jednotlivých fází řízení jsou stanoveny lhůty. Jde o cestu administrativně a finančně náročnou, která však přináší přihlašovateli výhody, které nelze jinak získat: podáním jediné přihlášky si zajistí právo přednosti ve všech určených státech a získá poměrně dlouhou dobu pro rozhodnutí, do kterých států pak vynález skutečně přihlásí.

17


Pro své rozhodování má k dispozici údaje, které by jinak získal jen velmi obtížně (výsledky mezinárodní rešerže a mezinárodního předběžného průzkumu). Získané období může také využít k reklamě či nabídkové činnosti a jiným činnostem za účelem zjištění, zda se mu ochrana v zahraničí vyplatí či nikoli.

3.5.2

MEZINÁRODNÍ PŘIHLÁŠKA OCHRANNÉ ZNÁMKY

Hodlá-li majitel ochranné známky zabezpečit její ochranu i v zahraničí, podá u žádost u Úřadu, který provádí přihlašování známek do zahraničí na základě Madridské dohody o mezinárodním zápisu továrních nebo obchodních známek, resp. podle Protokolu k této dohodě. Přihlašovatel pouze vyplní žádost o mezinárodní zápis, na jejím. základě Úřad vypracuje mezinárodní přihlášku. Mezinárodně přihlášená ochranná známka se zapisuje do mezinárodního rejstříku, vedeného Mezinárodním úřadem Světové organizace duševního vlastnictví v Ženevě. Zápis známky se oznámí všem smluvním zemím. Tyto země mohou do jednoho roku od data mezinárodního zápisu odmítnout ochranu, odporuje-li přihlášená známka jejich vnitrostátním předpisům. Mezinárodní zápis ochranné známky je po dobu pěti let závislý na existenci zápisu téže ochranné známky v České republice. Dojde-li z jakéhokoli důvodu k zániku této ochranné známky ve lhůtě pěti let od data mezinárodního zápisu, bude i mezinárodní zápis zrušen a vymazán z mezinárodního rejstříku.

3.6 OCHRANA PRŮMYSLOVÉHO EVROPSKÉ UNII

VLASTNICTVÍ

V

Průmyslové vlastnictví je v Evropské unii stále zřetelněji považováno za významný strategický nástroj hospodářského rozvoje. EU si plně uvědomuje význam souvislosti mezi inovacemi a jejich průmyslověprávní ochranou na jedné straně a růstem a zaměstnaností na straně druhé. Rozvoj plně integrovaného, jednotného trhu v EU vyžaduje odstranění překážek volného pohybu zboží a volné soutěže, při současném vytváření příznivého prostředí pro inovace a investice. V oblasti průmyslového vlastnictví směřují opatření EU buď k harmonizaci národních předpisů členských států, nebo k vytvoření jednotných právních titulů na úrovni Evropského společenství (ES). Cílem obou druhů opatření je vytvořit jednotný trh bez hranic, bezpečný pro výrobky chráněné průmyslovými právy.

3.6.1

HARMONIZACE NÁRODNÍHO PRÁVA

K harmonizaci národního práva dochází prostřednictvím směrnic (Directives), a to následujícím způsobem: ES vydá směrnici ke sblížení zákonů členských států v příslušné oblasti (např. v oblasti ochranných známek) a stanoví členským státům lhůtu pro její promítnutí do vnitrostátního právního řádu. Výsledkem jsou pak národní předpisy, které jsou ve v.ech významných aspektech (podmínky udělení práva k průmyslovému vlastnictví, účinky práva, důsledky porušování práv) harmonizovány. Tento postup zvolilo ES například

18


v oblasti ochranných známek, topografií polovodičových výrobků, průmyslových vzorů a biotechnologických vynálezů. Připravuje se směrnice ke sblížení zákonů o užitných vzorech.

3.6.2 VYTVÁŘENÍ PRÁV K PRŮMYSLOVÉMU VLASTNICTVÍ NA ÚROVNI SPOLEČENSTVÍ Druhý způsob, jakým přijímá ES opatření ve sféře průmyslového vlastnictví, je důmyslnější. Podnikatelským subjektům je poskytnuta k dispozici forma ochrany na úrovni EU, a to vytvořením komunitárních průmyslových práv, a to cestou nařízení (Regulations). Příkladem je ochranná známka Společenství (tzv. evropská známka). V současné době probíhá příprava nařízení o průmyslovém vzoru Společenství a o patentu Společenství Touto cestou vzniká právo k průmyslovému vlastnictví (např. ochranná známka), které platí po udělení jednotně a nedílně na celém území EU. 3.6.3 EVROPSKÝ PATENT

V roce 1973 byla uzavřena Evropská patentová úmluva, která umožňuje získat na základě jediné přihlášky a jediného udělovacího řízení patent buď v několika, nebo případně ve všech členských státech. Řízení provádí Evropský patentový úřad se sídlem v Mnichově; úřad uděluje evropské patenty. V současné době je členských států dvacet: vedle všech patnácti členských zemí EU jsou to ještě Švýcarsko, Lichtenštejnsko, Monako, Kypr a Turecko. Přihláška se podává u Evropského patentového úřadu v Mnichově v jazyce francouzském, anglickém nebo německém. Nepochází-li přihlašovatel z členského státu, musí být v řízení před Evropským patentovým úřadem zastoupen kvalifikovaným zástupcem (jejich seznam lze získat bezplatně v Evropském patentovém úřadě). V přihlášce se uvede, pro jaké státy si přihlašovatel přeje získat evropský patent. Evropský patent není jednotný a nedílný; jde v podstatě o svazek patentů národních. V každé zemi, pro kterou byl evropský patent udělen, má jeho majitel stejná práva a stejné povinnosti, jako majitel národního patentu. Když je evropský patent udělen, musí jeho majitel provést ještě jeho validaci: to znamená, že musí podat u úřadů průmyslového vlastnictví jednotlivých států překlad patentového spisu do úředního jazyka tohoto státu a musí zaplatit administrativní poplatek. Právě v této fázi se řízení prodražuje, proto v současné době probíhá diskuse o tom, jakým způsobem snížit náklady na validaci patentů. Některé členské státy se již zavázaly, že překlad patentu vyžadovat nebudou; tato dohoda však zatím nevstoupila v platnost. Probíhá proces revize Evropské patentové úmluvy, který má za cíl zejména zlevnit a zjednodušit přístup k evropskému patentu. Přitom bude zvláštní zřetel brán na zájmy malých a středních podniků. Patentová ochrana zajišťovaná cestou evropského patentu je v současné době stále ještě finančně náročná, je však výhodnější, než cesta několika souběžných patentových přihlášek, podaných v každém státě zvlášť. Ze zkušeností plyne, že v případě přihlašování alespoň do pěti z těchto států je tento způsob získání ochrany levnější. Kromě evropského patentu začne Evropský patentový úřad v časovém horizontu několika let udělovat také patenty Společenství - tzv. komunitární patenty. Ty se budou od evropských patentů lišit tím, že nebudou svazkem národních patentů, nýbrž skutečně jednotnými a nedílnými patenty, platnými na území celé Evropské unie. Podle zatím dostupných návrhů odpadne u komunitárních patentů finančně nákladná fáze validace (tedy předložení překladů patentů do úředních jazyků členských států). Patent bude překládán jen v případě sporu o jeho


19

porušení. Patent komunitární by měl být tak laciný, aby byl dostupný i malým a středním podnikům.

3.6.3

EVROPSKÁ OCHRANNÁ ZNÁMKA

Od dubna roku 1996 je možné získat na základě jediné přihlášky a jediného řízení ochrannou známku, která platí na celém území Evropské unie. Je to ochranná známka Společenství (Community Trade Mark, CTM). Tyto známky zapisuje a spravuje Úřad pro harmonizaci ve vnitřním trhu (OHIM) se sídlem ve španělském Alicante. Přihláška se podává u OHIM v jazyce anglickém, německém, francouzském, španělském nebo italském. Přihlašovatel ze státu, který není členem EU, musí být v řízení zastoupen. Náklady na získání této ochranné známky jsou podstatně nižší, než souhrn nákladů na získání národních ochranných známek v jednotlivých státech. Známku lze převést na jiný subjekt pouze jako celek, tj. s účinkem pro celé územ EU. Licenční smlouvu lze však uzavřít i pouze ve vztahu k některým členským státům. Pro podniky, které se chtějí uplatnit na trhu v Evropské unii, se stává evropská známka nezbytností. Tzv. jednotný trh v EU představuje dnes 350 milionů spotřebitelů, jejich. životní úroveň patří k nejvyšším na světě. V tomto jednotném trhu, kde platí zásada volného pohybu zboží i služeb, neexistují prakticky vnitřní hranice. Všechny důvody pro existenci ochranné známky v rámci domácího trhu každého podniku platí proto ve zvýšené míře pro tak rozsáhlý trh, jakým je Evropská unie. Proto také zavedení komunitární ochranné známky zaznamenalo obrovský úspěch: již v prvním roce obdržel OHIM více než trojnásobek předpokládaného počtu přihlášek. Dnes již začíná být zřejmé, že podnik, který se chce v evropské konkurenci dobře uplatnit, se bez evropské ochranné známky neobejde. Vstupem České republiky do Evropské unie se účinky komunitárních ochranných známek (CTM) rozšířují také na naše území. To znamená, že tyto známky zde také budou chráněny stejně, jako by byly zapsány v tuzemském rejstříku. Pouze v tom případě, kdy by došlo ke střetu starší národní ochranné známky se stejnou nebo zaměnitelně podobnou známkou komunitární, mohl by majitel národní známky zakázat užívání CTM v České republice. Aby možné střety národních a komunitárních práv byly minimální, doporučuje se tuzemským subjektům při přihlašování ochranných známek udělat si rešerži nejen v národním rejstříku, ale i v rejstříku vedeném OHIM, prostřednictvím úřadu.

3.7 DŮLEŽITÉ ADRESY ÚŘAD PRŮMYSLOVÉHO VLASTNICTVÍ Antonína Čermáka 2a 160 68 Praha 6 - Bubeneč Prezentace Úřadu na Internetu: http://www.upv.cz KOMORA PATENTOVÝCH ZÁSTUPCŮ Gorkého 12 602 00 Brno

20


Internet: http://www.patent-agents.cz

4

NÁVRH A KONSTRUKCE ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ A JEJICH ZAVÁDĚNÍ DO VÝROBY

Výroba elektronických přístrojů a zařízení je komplexní proces. 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). 4.1 Technická příprava výroby je soubor všech činností od stanovení záměru - formulace zadání až po rozběh seriové výroby (někdy také jako příprava nové výroby či předvýrobní činnosti).

Technická příprava výroby

Rozsah a náplň jednotlivých činností je v konkrétních případech různá a závisí: a) na výrobku - jeho charakteru a složitosti, na situaci na trhu, b) na 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 úkolu)

2. Výzkumná etapa

3. Vývojová etapa

Náplň etap technické přípravy výroby (číslování etap dle schematu na obr. 4.1)

4. Technologická příprava výroby

5. Náběh sériové výroby


21

Zadání úkolu (1) - soustřeďuje požadavky a náměty, popř. údaje k zakázce, - základními podklady pro rozhodování jsou studie, zprávy a informace pracovníků marketinku, obchodu, výzkumu a vývoje, technologie. Obsahové a časové členění úkolu (1.1) - 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. Technicko-ekonomický rozbor (1.2) - 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. Výzkumná etapa (2) 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

22


"opakování" výzkumné etapy) rozhodne technické vedení firmy při oponentním jednání (2.4).

23


Z

1

3.4.1

Zadání úkolu Soustředění požadavků 1.1

Obsahová a časová náplň

3.4.1

1.2 Technickoekonomický rozbor

3.4.2

Zhotovení výr. dokumentace pro prototyp Zhotovení prototypů Příprava výroby prototypů Výroba prototypů

ne

Rozhodnutí o realizaci úkolu

3.4.3

Typová zkouška III

Zařazení úkolu do plánu

ne 3.4.4 Rozhodnutí o ukončení vývoje

2

Výzkum 2.1

3.5

Studium a řešení

Úprava a uvolnění výrobní dokumentace

2.2 Experimentální ověření 2.3

Výzkumná zpráva

4

Osvojení výroby

ne 2.4

Oponentní řízení a rozhodnutí

4.1

Technologická příprava výroby 4.1.1

3

Vývoj

Předběžná materiál. norma

4.1.2 Technologické postupy 3.1

4.1.3

Studium a funkční ověření 3.1.1

Studium

3.1.2 Funkční vzorek 3.1.3

4.1.6

Typová zkouška I ne

Hodnocení výsledků 3.1.4 a rozhodnutí

3.2

Typová zkouška II

3.2.3

Hodnocení výsledků a rozhodnutí

3.2.4

ne

Příprava SW Kontrola nákladů

Ověřovací série 4.2.1

Příprava a zhotovení vývojových vzorků

3.2.2

4.1.7

4.2

Vývojový vzorek 3.2.1

Normy času

4.1.4 Konstrukce a výroba nářadí 4.1.5 Konst.. a výroba měřícího zařízení

Mechanická výroba

4.2.2

Montáž

4.2.3

Nastavení

4.2.4

Technická zpráva o průběhu Úprava výrobní dokumentace

4.2.5

4.2.6 Úprava technických a programových prostředků

Realizace připomínek ne

3.2.5 Rozhodnutí o ukončení etapy

Vyhodnocení a rozhodnutí o uvolnění do opakované výroby OV

Obr. 1:

Schéma technické přípravy výroby

ne

24


Vývojová etapa (3) 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 oponentním řízení 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). Poznámka: Pod pojmem konstruktér je zpravidla myšlen pracovník, který navrhuje mechanickou konstrukci přístroje, vypracovává konstrukční podklady; výzkumně-vývojovými pracovníky jsou označováni tvůrci obvodového řešení a programového vybavení.

Vývojový vzorek (3.2) 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. 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). 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


25

pracovník a konstruktér vyřešit (3.2.4). Následuje rozhodnutí o ukončení etapy (3.2.5).

Zhotovení výrobní dokumentace pro prototypy (3.3) 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. Zhotovení prototypů (3.4) 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. Technologická příprava výroby (TgPV) (4) je procesem, jehož cílem je co nejekonomičtěji připravit výrobu a vyrábět produkt předchozího vývoje.

26


Podklady pro TgPV obsahují:

technické podklady

schémata, software, konstrukční výkresy a rozpisky (kusovníků), popis funkce, metody elektrického nastavení a kontrol (testování) prototypu vč. připomínek a poznatků z jeho výroby

ekonomické a organizační údaje

nákladový limit konečného výrobku, předpokládaná sériovost, stanovených termínů a nákladů pro etapu

Správné stanovení podkladů v etapě TgPV působí výrazně na ekonomiku produkce (v ovlivnění výše nákladů je TgPV hned za vlastním vyvojověkonstrukčním řešením výrobku). Musí být proto voleny nejvhodnější výrobní postupy, optimální volba výrobního zařízení, organizace práce a pracovišť, stanovení norem spotřeby materiálu a času. Předběžná materiálová norma (4.1.1) 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. Technologické postupy (4.1.2) 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. Normy času (4.1.3) 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


27

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.

Konstrukce a výroba účelového nářad (4.1.4) (prostředků) patří mezi nákladově náročné položky, proto se s požadavky technologa na konstrukci a výrobu nářadí prověřuje možnost využití modifikovaného standardního 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. Konstrukce a výroba měřících (testovacích, zkušebních) zařízení (4.1.5) 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. Příprava SW (4.1.6). 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 kontrole nákladů (4.1.7) je rozhodnuto o výrobě ověřovací série. Ověřovací série (OS) (4.2) má za cíl prověření konstrukční dokumentace, technologických postupů, sledu a náplně jednotlivých operací, ověření nasazené

28


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 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). Sériová výroba (5) 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.

4.2 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).


29

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 (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

30


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. Tato 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 výuky, ale nemělo by být ve skutečné situaci opomenuto. 4.3

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:


31

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 3. Uživatelská a obchodně-technická dokumentace (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:

32


- 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 tří 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.


33

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. 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.

34


6. Obsluha pro jednotlivé funkční režimy

7. 7.1 7.2 7.3 vlivy

Závěrečné informace Pokyny pro bezpečnost obsluhy a provozu. Údržba. Přehled běžných funkčních závad zaviněných obsluhou nebo vnějšími

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. 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. 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 pro 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.


35

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. 4.4 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).

4.5 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.

36


Důsledky mikroelektronických inovací na výrobní program podniků: - snižuje se podíl vlastní výroby na finálním výrobku - zvyšuje se závislost na kooperacích - 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.

4.6 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


37

úvěry nebo postupně dochází ke koncentraci kapacit (převzetí finančně silnými podniky).

Obr. 2: Charakteristika japonských firem zabývajících se výrobou a prodejem elektrotechnických výrobků z hlediska počtu zaměstnanců

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. 4.7 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.

38


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.

5

METODIKA NÁVRHU ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ. SYSTÉMOVÉ INŽENÝRSTVÍ. Charakteristika návrhu

V předchozí kapitole byl nastíněn postup jednotlivých etap technické přípravy výroby: zadání - výzkum - vývoj - funkční vzorek - vývojový vzorek - prototyp - ověřovací série - sériová výroba (tj. z hlediska organizačního a časového). Následně bude pojednáno o postupu prací v jednotlivých etapách (především v etapě vývoje) z hlediska věcného, tj. jako metodiku návrhu. 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. Metodiku návrhu ještě komplikuje hledisko prostorové: můžeme konstatovat, že v praxi se z tohoto hlediska setkáváme se třemi typy elektronických zařízení. - První typ tvoří

39


prostorově rozlehlá zařízení (rozlehlé systémy, dálkové systémy) jeji chž 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: 5.1 Struktura elektronického zařízení V přehledu:

Systém elektron. obvodů

Vidíme tedy, že :

Elektronické zařízení

Systém spojů

Systém mechan. dílů

Systém ochran. prvků

Ovládací a signal. prvky

Systém chlazení

40


elektronické zařízení strukturováno.

je

ze

systémového

pohledu

paralelně

Stručná charakteristika bloků:

- 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, - systém chlazení, případně jiné tepelné funkce elektronického zařízení, který podstatně ovlivňuje spolehlivost a životnost zařízení. 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.

41


5.2 Metodika návrhu elektronických obvodů

Metodika návrhu hlavní části elektronického zařízení, tj. elektronických obvodů je úkolem vývojových inženýrů (vývojářů, návrhářů, konstruktérů elektrické části).

Zbývající subsystémy navrhují konstruktéři - technologové. Tímto způsobem technologové podstatnou 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 návrh na systémové úrovni bloková úroveň obvodová neboli elektrická úroveň návrhu konstrukční úroveň návrhu

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

42


rozdělen na subsystémy, jakým způsobem bude mezi subsystémy zajištěna vzájemná komunikace, vlastnosti rozhraní (impedanční úrovně, napěťové úrovně), požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu apod. 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. 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.

5.3 Počítačové metody návrhu

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.


43

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, nženýrských 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 živelný a bez pokusu o systémové hierarchické členění. Vnitřní náplň zaváděných pojmů má často různou interpretaci.

44


Objevují se ovšem snahy o hierarchickou systematizaci: - 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).

5.4 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. 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. Jako klasifikační hlediska byla při pokusech o systemizaci jednotlivých přístupů k řešení problémů zvolena hlediska následující (tab. 1): - po horizontální linii - způsob řešení, jmenovitě jeho úplnost, hloubka a postup; Volba přístupu musíobjektivizace, proto odpovídat složitosti - po vertikální linii - stupeň ukazující, zdaasecharakteru jedná o přístup problému,praktický přípustné řešení, kvalifikaci a osobnosti řešitele. subjektivní, či době objektivní.


45

Tab. 1: Systemizace různých přístupů k řešení problémů Stupeň objektivizace subjektivní praktický objektivní Monotématický - přihlíží Multitématický - sleduje Komplexní zahrnuje jen k jedné stránce více stránek řešeného všechny podstatné směry zkoumaného objektu např. problému; přibližuje se k zkoumání a řešení; dílčí přesnosti pře-vodní řešení pro-blému po výsledky spojuje za účelem charakteristiky. několika nezá-vislých objektivizace řešení. liniích. Empirický - opírá se o Systematický - vychází z Vědecký - specifický postup intuici, kombinovanou se rozboru faktů, pozorování a zajišťující: zkušenostmi a úsudkem. měření, evidance a statistik. 1. determinovanost výchozích Závisí na okamžité dispozici Přihlíží k názorům literatury podmínek, algoritmizaci způa individuálních a jiných odborníků; sobu řešení, predikci výsledků schopnostech řešitele zachovává však určitou 2. opakovatelnost procedur, (subjektu). úroveň subjekti-vismu. kvantifikovatelnost a experimentální ověřitelnost výsledků 3. objektivnost použitých metod a procedur. Mechanický - vychází z Konstruktivní - přihlíží k Systémový - integrovaný rozložení jevu, objektu či dané problematice, způsob, vycházející z orgaprocesu na základní prvky; kombinuje mechanický nického spojení systému a jejich obvodové izolované přístup se systémovým v okolí. Konstituuje řeš závislostí na etapě, rozsahu a rozhodovací fáze včetně ení a agregace výsledků. důležitosti problému. příslušných zpětných vazeb. Zpětná vazba je minimální.

Je třeba zdůraznit, 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. Stručně lze říci, že systémové inženýrství je založené na těchto principech: Systémové inženýrství je nauka, která má umožnit účelné a efektivní řízení výzkumu a vývoje složitých systémů a zařízení pomocí analýzy strukturálních vztahů mezi prvky každého systému.

46


- 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. 5.5 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 nahrazovaci 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 neznámé třídy výrobků, užívající nově objevených fyzikálních jevů a plnící zcela nové společenské potřeby (např. laserový koagulátor nebo družicový navigační systém);


47

- 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; Obr. 3: Životní cyklus inovace - 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. 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 užívání; 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).

48


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: 3. Ekonomická bariéra 1. Motivační bariéra. 4. Časová bariéra. 2. Komunikační bariéra 5. Bariéra směnnosti prostředků. 3. Ekonomická bariéra 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. 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.

Obr. 5.2: Obr. 4:

Inovační křivky s vyznačením vlivu zpoždění na možnosti odbytu zpožděného typu výrobku


49

Obr. 5: Inovační křivky pro paměti typu DRAM

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

50


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 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 postačující 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


51

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 large-scale 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. 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.

52


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).

53


6

ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA (EMC) 6.1 Definice EMC 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.

Poznámka: Název elektromagnetická kompatibilita pochází z angl. electromagnetic compatibility (rus. elektromagnitnaja sovmestimosť, něm. Systemverträglichkeit nebo Elektromagnetische Verträglichkeit). Mezinárodně uznávanou zkratkou je EMC (příp. EMV v německy mluvících oblastech). 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.

Přírodní zdroje elektromagnetického rušení

Interference A - B

Systém A Vnitřní interference

Obr. 6:

Systém B Interference B - A

Vnitřní interference

Základní schéma strukturálních vztahů elektrotechnických systémů z hlediska EMC

54


Základní schéma strukturálních souvislostí mezi elektrotechnickými systémy vytvořenými člověkem a přírodními zdroji elektromagnetického rušení ukazuje obr. 6.1. Z obecného hlediska se může ovlivnění čili interference (mezinárodně používaná zkratka EMI, electromagnetic 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 (ovlivňovaný, interferovaný). Ostatní systémy jsou pak systémy ovlivňující (interferující), které též můžeme označit za interferenční zdroje.

Obr. 7:

Základní členění oblastí EMC a jejich návazností


Obr. 8:

Obr. 9: činnosti

Rozdělení rušivých signálů

Vznik EMC souvisí s rozšiřováním elektroniky v nejrůznějších oborech lidské

55

56


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.

6.2 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. 6.4)

Elektromagnetickou kompatibilitou na čipu se v tomto textu nebudeme zabývat.

Ve všech těchto případech problematika EMC zahrnuje: 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. 6.3


57

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. 2:

Kmitočtový rozsah některých zdrojů rušivých signálů

Kmitočtové pásmo poruch Kmitočtové pásmo poruch šířících se po vedení šířících se 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 Zdroj

Typické příklady rušení umělých a náhodných zdrojů: - generátory, - vypínače, odpojovače, - transformátory velkých elektrických výkonů, - vedení velmi vysokého a vysokého napětí, - sršení na znečištěných izolátorech, na uvolněných připojovacích svorkách, korona, různá jiskření apod.

58


V průmyslových provozech k tomu přistupují: - usměrňovače, obloukové pece, zařízení pro vf ohřev, stykače, svářecí agregáty a zvláště výkonové polovodičové měniče. Dále: - 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 třídit podle různých hledisek, jako je kmitočtová oblast, časový průběh rušivého napětí, doba trvání, aj.

Kmitočtový rozsah některých zdrojů je v tab.6.1. Obr.6.5 ilustruje typy poruch, které se šíří po napájecí síti.

: Obr. 10:

Rušení způsobené spínáním transformátoru


Obr. 11:

59

Kmitočtové spektrum pro různé tvary pulzů

Závažné mohou být i vnitřní zdroje rušení. Jako "vysílací antény" slouží - veškeré dlouhé přívody, - podlouhlé konstrukční díly zařízení, - dlouhé vodiče na deskách plošných spojů. Jsou-li na deskách rychlé integrované obvody, potom proudové impulsy na takové desce vyzařují signály se spektrem až v oblasti GHz. Dalším zdrojem rušení jsou spínané napájecí zdroje používané běžně pro napájení digitálních obvodů. Obr. 6.6. 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

60


dlouhých pozemních vedeních, mohou dosáhnout i stovky, ba dokonce i několik tisíc ampérů. 2) Cesty přenosu rušivých signálů

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

61


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 citlivá na rušení jsou zařízení digitální techniky. Tato odolnost byla jedním z hlavních důvodů digitalizace v elektronice (přístrojů i přenosových cest). Intenzivní zdroje rušení však 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 snižováním úrovně generovaných rušivých signálů v místě jejich vzniku

snižováním úrovně rušivých signálů na jejich cestě od zdroje k přijímači

řeší dva problémy: Jde tedy o oblast odpovídající prvním dvěma bodům výše uvedené klasifikace a 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.

62


Odrušování se prakticky provádí dvěma hlavními způsoby:

vhodnou konstrukcí

vhodnými filtry

- Vhodnou konstrukcí - snaha omezit vznik parazitních produktů 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 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). Vhodnými filtry - doplnění již vyráběných zařízení 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.

63


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: - umístěním rušeného okruhu co nejdále od okruhu rušícího

- 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 : - rozptylová pole transformátorů nebo tlumivek

- 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.

64


Rozptylová pole transformátorů a tlumivek se dají potlačit např. - použitím hrníčkových nebo ještě lépe toroidních jader. - vhodným natočením zdroje rušivého pole tak, aby napětí indukované tímto polem do rušeného obvodu bylo minimální. - magnetickým stíněním. 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 šířít 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 nejblíž u odebírajícího obvodu vyfiltrovat blokovacím kondenzátorem. Podobně se omezuje šíření poruch od spínaných zdrojů nebo od regulačních obvodů tyristorových regulátorů elektrických pohonů.


65

Obr. 12: Čtyřstupňová ochrana přenosových vedení proti přepětí

5) Zlepšování odolnosti zařízení vůči rušivým signálům je vlastně jedním z důležitých směrů obecné problematiky zvyšování spolehlivosti elektronických zařízení. Zlepšování odolnosti zahrnuje : - způsoby filtrace napájecích přívodů a přepěťové ochrany na vstupech - konstrukční a technologické uspořádání částí elektronických zařízení omezující vnitřní interferenci (naznačené v předchozí kapitole) - zkoumá vlastnosti jednotlivých elektronických prvků z hlediska odolnosti proti rušivým vlivům (např. účinky statické elektřiny a náhodných přechodových jevů na polovodičové součástky).

- zabývá se kvantitativním zjišťováním vybraných parametrů, které reprezentují elektromagnetické pole na všech třech základních článcích EMC (zdroj - cesta - přijímač)

66


6.3 Měření rušivých polí a rušivých napětí

Obr. 13: měření

Tři prostředí pro měření EMC, vpravo typická struktura pracoviště pro venkovní

Rušivá elektromagnetická pole je nutno z hlediska metod měření zásadně rozdělit na pole : krátkodobého charakteru

ustáleného charakteru

Rušivá pole krátkodobého charakteru (elektrické výboje přirozeného nebo umělého původu) se měří metodami buď:

přímými nebo nepřímými metodami. využívají Přímé metody 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. Může to být také jako projev rušení na výstupu rušeného zařízení

67


Rušivá elektromagnetická pole ustáleného charakteru dělíme na :

časově neproměnná (statická) pole

časově proměnná (střídavá) pole

Magnetostatická pole nejčastěji hodnotíme pomocí měřičů intenzity magnetického pole, elektrostatická pak obvykle pomocí měřičů intenzity elektrického pole. Při měření střídavých elektromagnetických polí se v praxi užívá různých druhů měřicích přístrojů. V nízkofrekvenční oblasti jsou to zejména: • selektivní voltmetry • měřiče úrovně a analyzátory, dále pak • voltmetry se zhodnocovacími (váhovými, 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.

68


• 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.

Obr. 14:

Blokové schéma umělé sítě LISN

Poznámka: Umělá síť AMN (Artificial Mains Network), častěji označovaná jako umělá zátěž vedení LISN (Line Impedance Stabilizing Network) se užívá k měření rušivých signálů, které vznikají v zařízení napájeném z rozvodné elektrické sítě (v síťovém elektrickém spotřebiči) a které z tohoto spotřebiče vystupují právě tímto napájecím vedením. Umělá zátěž vedení s blokovým schématem dle obrázku, obsahuje tři druhy svorek: vstupní síťové svorky 1 pro připojení vnější napájecí sítě, výstupní síťové svorky 2 pro připojení zkoušeného objektu a výstupní přístrojové svorky 3 pro připojení měřicího zařízení - měřiče rušení. 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.


69

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 : - 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.

Nejvýznamnější je předpis, vyžadující od každého výrobce jmenovat pracovníka, který je osobně zodpovědný za to, že zařízení dodávané na trh odpovídá všem odrušovacím předpisům.

70


Direktiva obsahuje kromě technických i řadu právních požadavků. 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. Nebude možné uvést na trh žádné zařízení z dovozu, které by nebylo úspěšně vyzkoušeno podle norem. Direktiva dovoluje dvě cesty: První 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 na všech výrobcích, zejména budeme-li je chtít vyvážet do zemí ES. Není 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 rozšířit pracoviště 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. - filtry nutné k měření rušivých signálů po vedení. Těmi se zajistí stálá definovaná impedance měřeného objektu v místě připojení na síť.

Jedno z nejmodernějších center pro měření EMC v Evropě bylo vybudováno v Grendingu, SRN. Má k dispozici řadu stíněných prostor (stínící účinek je asi 100 dB), které


71

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.

6.4 Způsoby odrušování 6.4.1 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. Rušivé vyzařování lze odstranit nebo omezit udržováním zařízení v náležitém technickém stavu (komutátory, termostaty). 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 (zvláště 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.

72


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.6.9a 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 L.I 2 . Po rozpojení obvodu se na kontaktech s objeví indukované napětí 2 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. 6.9b). Při stejnosměrném proudu lze výhodně místo odporu zapojit polovodičovou diodu (obr. 6.9c). Při sepnutí S neteče diodou "paralelní" proud, jako v předchozím případě.

Obr. 15:

Různé varianty odrušení induktivní zátěže a spínacího kontaktu


73

Obr. 16: Odrušení kontaktů transformátorové páječky

Nejčastěji se k potlačení jiskření na kontaktech používá článek RC (zhášecí obvod), který se připojuje buď ke kontaktu, nebo k cívce (obr. 6.9d). 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. 6.9d 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 Při střídavém proudu a malém napětí se využívá Zenerových diod (obr. 6.9e). Na obr. 6.10 je zhášecí obvod použit k ochraně kontaktů a k omezení rušení u spínače transformátorové pájky. Na obr. 6.11 je tzv. Larsenovo zapojení pro odrušení kontaktů. Proti členu RC má výraznější odrušovací účinek. Velmi účinného odrušení kontaktu na obr. 6.12 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. Zkontroluje se nejdříve opotřebení uhlíků; při náhradě se dodrží původní typ. Příčinou zvětšeného rušení mohou být také opotřebovaná ložiska,

74


vystupující lamely nebo mezilamelová izolace, případně neokrouhlý komutátor. Je-li k tomu možnost, vyplatí se přetočit kotvu v hrotech na soustruhu. Předpokladem úspěšného odrušení je dobrý mechanický stav samotného motorku.

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. 6.13a. symetricky podle obr. 6.13b. Dále lze rušení zmenšit nejjednodušeji zapojením širokopásmového kondenzátoru 50 až 100 nF + 2x 2,5 nF podle obr. 6.14. 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. 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. 6.15. 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. 6.16, můžeme použít k účinnému odrušení filtr vyráběný pod označením TC241.

Obr. 17:

Larsenovo zapojení pro odrušení kontaktu


75

Obr. 18: Velmi účinné odrušení kontaktu (kombinace odrušovacích prostředků a stínění) C1 je průchodkový kondenzátor (C=50-100nF, L=0,1-1mH, 100nF+2x2,5nF, C2= 0,11uF, R=20-100Ω)

Obr. 19:

Symetrické zapojení statorových cívek komutátorového motoru je základní podmínkou odrušení

Obr. 20:

Odrušení komutátorového motoru širokopásmovým kondenzátorem

Obr. 21:

Odrušení komutátorového motoru

76


Obr. 22: Odrušení komutátorového motoru v TV pásmech. C1=100nF+2x2,5nF, C2=10nF širokopásmovým filtrem TC 241(bezindukční), vf tlumivky 10uH na feritu

Na obr. 6.15 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 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.

Obr. 23:

Odrušení motorku pro nároční použití

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.


Obr. 24:

77

Vznik rušení u diody

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.

Obr. 25: Vznik rušení u tyristoru (a)

78


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.

Obr. 26:

Vznik rušení u tyristoru (b)

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. 6.18 jsou různé možnosti odrušení stmívače s triakem. Zleva doprava se zlepšuje úroveň odrušení. [2/80].

Obr. 27:

Různé varianty odrušení triakového regulátoru


Obr. 28:

79

Potlačení rušivých signálů feritovým toroidem

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).

80


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. 5.20 ukazuje, jak má být síťový filtr do skříně počítače vestavěn.

Obr. 29:

Možná umístění filtru

Z obr. 5.21 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. Dalším příkladem provedení je filtr na obr. 5.22. Je konstruován jako jednofázový s maximálním proudem 6 A ve společném pouzdře se síťovou zástrčkou IEC. Obdobné provedení filtru je na obr. 5.23. Kovový kryt umožňuje ideální spojení se skříní rušícího zařízení. Popsané filtry vyhoví u těch přístrojů, které jsou umístěny v kovové skříni a mají klasický (tj. nespínaný) síťový zdroj. Spínané zdroje vyžadují náročnější odrušení.

Obr. 30: Principiální zapojení síťového odrušovacího filtru v přístrojové zásuvce : tlumivky2x0,48mH a 0,28mH, C1=100nF, C2=C3=3nF/Y, R1=470 k


Obr. 31:

81

Síťový filtr (proudově kompenzované tlumivky 0,1-10mH,

C1=C2=2,5nF/Y /250nFV/X, C3=20-220nF/250V/X

Obr. 32:

Síťový odrušovací filtr vestavěný v přístrojové zásuvce

Obr. 33:

Síťový filtr televizoru

Na obr. 6.26 a 6.27 jsou odrušovací filtry z výrobků firmy HYUNDAI (Jižní Korea). Filtr na obr. 6.28 může být jednodušší, protože daný fax má další odrušovací prostředky v jednotlivých blocích.

Obr. 34:

: Síťový odrušovací filtr tiskárny HDP- 1810, která má spínaný napájecí zdroj

82


Obr. 35:

Obr. 36:

Síťový filtr PC HyundaI

Síťový filtr faxu CANON

Vzhledem k tomu, že v odrušovacích filtrech se běžně používá proudově kompenzovaná tlumivka, pokusíme se objasnit její funkci. Uvažujme konfiguraci podle obr. 6.29 (a odpovídající rozkreslené náhradní schéma dle obr. 6.30).

Obr. 37:

Proudově kompenzovaná tlumivka na toroidním jádru


83

Obr.6.30: Funkce proudově kompenzované tlumivky v síťovém odrušovacím filtru C1, C2, C5, C6 potlačují nesymetrickou složku C3, C4 potlačují symetrickou složku L1, L2 hlavní indukčnost L3, L4 rozptylové indukčnosti 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.

84


Obr.6.31: Relativní změna indukčnosti 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. 6.31). 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.6.31: Relativní změna indukčnosti u obr. 6.29 a zapojí tak, aby se magnetický tok toroidního jádra jako funkce protékajícího v jádře, vyvolaný napájecím proudem, vzájemně ss proudu (jádro Valvo3E31, 34 závity) kompenzoval, může mít tlumivka velmi malé rozměry. To však není zadarmo. Ideálně navinutá proudově kompenzovaná tlumivka bude potlačovat symetrickou složku rušení, protože ta se šíří stejnou cestou jako napájecí proud. Vrátíme-li se k obr. 6.30 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. Odrušování dalších zařízení Stručně uveďme, že 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. 6.4.2 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


85

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 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. 6.32 je také několik příkladů odstranění rušivého ovlivňování nf stupňů vf signálem. Další informace budou uvedeny v příslušných částech skripta.

Obr.6.32: Úpravy vstupního zesilovače při vf rušení 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.

86


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.

7 Parazitní jevy a jejich potlačení 7.1 Ochrana proti pronikání nežádoucích signálů 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: Î odstranění nežádoucích galvanických vazeb na napájecích a zemních vodičích Î odstranění vlivů nežádoucích elektromagnetických polí Î odstranění vlivů magnetických polí stálých a nízkofrekvenčních Î odstranění induktivních a kapacitních cest nežádoucího přenosu Î odstranění vlivů vnějších rušivých signálů, přicházejících po přívodech Î odstranění termoelektrických napětí, přechodových odporů apod.

87


Je třeba znát tyto jevy, jejich příčiny a následky a konstrukci přístroje od počátku navrhovat tak, aby byly potlačeny na co nejmenší míru. Všechny tyto jevy jsou v jádře jednoduché a dají se řešit pomocí základních vztahů z teoretické elektrotechniky a teorie obvodů. Při rozboru problémů zjistíme, že celým komplikovaným výkladem parazitních jevů s táhne problematika správného zemnění. 7.2 Jevy vyvolané nenulovým odporem spojů Nenulový odpor spojů (signálových i napájecích) event. jejich impedance (indukčnost) je zdrojem mnoha problémů. Možné nepříznivé projevy: - úbytky napětí na vodičích (výstupní obvody zesilovačů, přechodové odpory), - vznik následujících parazitních vazeb: 1. Vazba signálových a napájecích obvodů na společném rezistoru,

2. Vazba signálových obvodů na společném rezistoru

3. Vazba přes napájecí rozvody a zdroje.

7.3 Vazba obvodů na společném rezistoru. Odpor vodičů může způsobit nežádoucí vazby. Zvláště je to zřetelné u vodičů, přes které tečou napájecí proudy, a to především zemních vodičů (obr. 6.22).

Je třeba si uvědomit, že : zem není totéž co nulový potenciál.

88


Obr. 7.22 Princip vazby na společném rezistoru Poznámka: Půl metru měděného drátu o průměru 0,5 mm má odpor 45 mΩ 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.

Obr. 7.23 Zemní úbytky u analogových obvodů: a) rušivý úbytek vyvolaný průchodem cizího zemního proudu přes společný zemní vodič, b) odstranění zemního úbytku jiným způsobem uzemnění signálového zdroje


89

Obr. 7.24 – Zapojení vícestupňového zesilovače z hlediska správného uzemnění Rušivý napěťový úbytek ur, vyvolaný průtokem cizího proudu přes společný zemní vodič, se odstraní změněným uzemněním (obr. 7.23b). Obr. 7.24a demonstruje vznik nežádoucí vazby ve vícestupňovém zesilovači jako důsledek špatného zemnění. 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, aby proudy stupňů s vyšší úrovní signálu neprotékaly vstupními obvody. Takové řešení je na obr. 7.24b.

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. 6.25, 6.26b). Obě země se pak propojí na zemní svorce napájecího zdroje.

90

Obr. 7.25 obvodů


Paralelní rozvod signálové a výkonové země u analogových

U digitálních obvodů procházejí zemním vodičem při spínání hradel tytéž špičky jako napájecím vodičem. Poznámka: Při přechodu digitálního obvodu ze stavu H do L se vybíjí mimo 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).

91


Obr.7.26 Zemní úbytky u digitálních obvodů: a) špatné vedení zemí, b) rozdělení na signálovou (TTL) a výkonovou zem Složitý systém je možno rozdělit na dílčí části, které vykonávají určitou účelovou činnost. Typické zařízení průmyslové regulace se může např. skládat z těchto dílů: zdroj signálu,

přizpůsobovací obvod

číslicový systém

který je zpracováván (snímač, čidlo),

(např. zesilovač s tvarovačem signálu, převodník)

(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.

92


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).

93


7.4 Vazba přes napájecí rozvody a zdroje. Zdroje nežádoucích vazeb napájení: Odpor (impedance) vlastního zdroje

Odpor a impedance přívodů k napájecím zdrojům

především elektrolytického kondenzátoru na výstupu

Obtíže jsou 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. Opatření proti výskytu nežádoucí vazby: Î citlivé vstupní stupně napájíme ze

samostatných zdrojů nebo stabilizátorů Î každý zesilovač napájíme ze samostatného

zdroje Î každý zesilovač napájíme po samostatném

vedení od napájecího zdroje Î pro střídavé signály použijeme

transformátorovou vazbu. Volba vhodného opatření závisí na složitosti a citlivosti zařízení, na jeho hodnotě a požadovaných vlastnostech.

Obr.7.27: Princip parazitní vazby přes napájecí obvody a zdroje

94


Obr.6.28: Vliv indukční reaktance napájecích obvodů potlačujeme blokovacími kondenzátory

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. 7.28, 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. Takové namáhání součástek má charakter stresu.

K omezení těchto stresových změn je třeba v těsné blízkosti integrovaných obvodů připojit do napájení kapacitory, které představují zkrat pro vysoké kmitočty (obr. 7.29, 7.30). Doporučená 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.

95


Obr.7.29: Vznik stresových napětí nanapájecích impedancích

Obr.7.30: Účinek přemosťovacího kondenzátoru na stresová napětí

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.

Obr.7.31: Odvození zpětnovazebního signálu: a) z výstupních svorek (a) nebo přímo ze zátěže (b), b) z vnitřního bodu zapojen, oddělovací rezistor definuje výstupní odpor a chrání obvod před zkratem nebo připojením vnějšího napětí k výstupu

96


Obr. 7.32: Příklad realizace zpětných vazeb podle Obr.6.31 : a) při zpětné vazbě vedené z výstupů musí být plocha smyčky 1-2-3-4-5 co nejmenší, aby se do ní nemohlo indukovat rušení, b) leží-li rezistor Rv mimo smyčku zpětné vazby, určuje výstupní odpor celého zařízení Na obr. 7.32 je konkrétní zapojení s operačním zesilovačem, které realizuje principy podle obr. 7.31. Výstupní odpor Ro je dán vztahem (pro obr. 7.32a) Ro ≅

Rv  R 2  ⋅  − A  R1 

Poznámka: Např. pro Rv = 10 Ω, A = -105 a R2/R1 = 10, je Ro = 1 mΩ 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. 7.33)

. Obr.7.33: Chybné a správné zapojení živých vodičů a zemí u stabilizátoru napětí

7.5 Přechodové odpory

se vyskytují u rozpojitelných spojů, nejčastěji u přepínačů a relé a posuvných kontaktů. Činí problémy, protéká-li jimi větší proud.


97

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, trichlorethylen nebo tetrachlormethan. 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. 7.6 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. 7.7 Reaktance vodičů Výše uvedené parazitní jevy jsou "jevy s odporovým charakterem". založené na existenci parazitního odporu vodičů (kterými protéká jeden proud) nebo na existenci parazitní odporové vazby (vodičem s nenulovým odporem protéká více proudů) Podobně existují parazitní reaktance vodičů (indukčnost vodiče, kapacita a vzájemná indukčnost mezi vodiči), které mohou vést ke vzniku parazitních vazeb.

98


Příkladem může být indukčnost vodičů, která 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. V praxi proto na vysokých frekvencích zkracujeme přívody součástek jen na nezbytnou délku, volíme krátké spoje, zapojujeme několik rezistorů paralelně, neužíváme drátové rezistory. Pokud bude existovat parazitní kapacita mezi vstupem a výstupem invertujícího zesilovače, uplatní se Millerův jev. 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 kolektorbáze (jako např. KF167 a KF173 BF173 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. 7.8 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 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.7.34 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 U 1 1 + jωR2 (C12 + C 2G )

(7.1)


99

Obr.7.34: Kapacitní vazba mezi dvěma vodiči: a) fyzikální popis, b) model, c) model pro nízké kmitočty, d) přenosová funkce Důležitý je vztah pro přenos při nízkých kmitočtech, kdy podle obr. 7.34c můžeme tento přenos popsat proudovým zdrojem jωC 12 U 1 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.

Obr.7.35: I velmi malá kapacita může vnést do obvodu nepřípustně velké rušení

100


Na obvodu podle obr. 7.35 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 kΩ. 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 kΩ vnitřního odporu zdroje úbytek napětí nejvýše 10 uV. Úbytku 10 mV na 10 kΩ odpovídá proud 1 nA. Reaktance kapacity, kterou protéká při kmitočtu 50 Hz proud 1 nA, musí být 1010Ω. 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 pulzního signálu. Ze vztahu (7.5) 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 ) . 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 - účinné přerušení cesty rušivého signálu, ale - bývá prostorově náročné. - zpravidla dochází ke zvýšení kapacit stíněných prvků proti zemi, - nepříznivé ovlivnění funkce zařízení ( např. snížení mezního kmitočtu).

Na deskách plošných spojů a v plochých kabelech z důvodů stínění vedeme často mezi "živými" vodiči vodiče uzemněné.


101

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. Při návrhu jakéhokoli zařízení je však nutné posoudit: - všechny možnosti kapacitních vazeb mezi jednotlivými stupni zařízení, - vyčíslit přípustné velikosti vazebních kapacit 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.

7.9 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.

Obr.7.36: Vodič protékaný proudem vytváří mg pole (a) a indukované napětí podle Faradayova zákona

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. 7.37.

102


Obr.7.37: Induktivní vazba mezi dvěma vodiči 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). Vzájemnou indukčnost můžeme definovat vztahem M 12 =

Φ 12 I1

Potom indukované napětí v rušeném obvodu (smyčce) bude u 2 (t ) = M 12

di 2 (t ) dt

nebo pro případ harmonického napětí

U 2 = jωM 12 I 1

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

(7.6)

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. - Induktivní vazba se tedy vyskytuje tam, kde rušící proud protékají


103

smyčkami prostorově blízkými. - Vazba je Např. na obr. 7.32b musí být co nejmenší plocha smyčky 1-2-3-45-1. 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. tím silnější, čím je větší plocha obou smyček - Induktivní vazba se uplatňuje nejvíce v obvodech s malými impedancemi - Induktivní vazba však také vzniká, když přijímací smyčkou prochází rozptylové magnetické pole transformátoru nebo tlumivky. I zde můžeme těmto vlivům čelit jednak - stíněním, které působí jako zkratový závit a zmenšuje činitel vazby, jednak - účelným rozmístěním obvodů. Hlavní zásadou je 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. 7.38 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. Např. na obr. 7.32b 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. 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.

104


Obr. 7.38. Parazitní induktivní vazba na deskách plošných spojů

Obr.7.39: Zapojení zesilovacího stupně z hlediska co nejmenší plochy vstupní smyčky


105

Na obr. 7.40 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 : 1. spojnice stínícího pláště se zemí nesmí tvořit uzavřenou 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).

2. musí být dodržena patřičná vzdálenost mezi obvody, které nemají na sebe působit. 3. 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).

106


4. 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. 7.42).


107

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. Na nižších kmitočtech lze mnoho obtíží odstranit užitím symetrického vedení signálu a diferenciálních zesilovačů. Metoda je založena na použití diferenčního stupně na vstupu přijímače. 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 zeslabuje součtový signál ( As 〈1) . Činitel potlačení součtového signálu H =

Ad As

bývá u diferenčních zesilovačů typicky 80 dB. Díky vyvážení dvou signálových živých vodičů vůči zemi jsou dlouhá vedení odolná vůči externím interferencím. Použitím pouze dvou jednoduchých vodičů navzájem zkroucených, získáme dva signálové vodiče vystavené přesně stejné dávce brumu a rádiových zdrojů rušení, takže symetrický vstup (transformátor, nebo aktivní rozdílový zesilovač) může být použit k odstranění nechtěných signálů na lince během přenosu užitečného signálu. Obrázek ukazuje princip potlačení rušení symetrickým vedením. 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.

108


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


109

8 KONSTRUKCE SIGNÁLOVÝCH SPOJŮ 8.1 Soustavy spojů Při realizaci zařízení musíme velkou pozornost věnovat konstrukci spojů mezi součástkami a vzájemné poloze součástek. Vzájemné ovlivňování se může nežádoucím způsobem projevit v kterékoli části zařízení, kde se pracuje se zesílením signálu. Je třeba si především uvědomit rozdíly v účincích mezi stejnosměrným signálem, signálem síťového kmitočtu a vysokofrekvenčním signálem. Při konstrukci je třeba dodržet řadu opatření. Nutný rozsah takových opatření není jednoznačný, ale záleží velmi na druhu systému. Obecně lze říci, že roste se zvyšováním pracovního kmitočtu. Specifickým způsobem se projevuje vzájemné ovlivňování v číslicových obvodech. V zařízení je možno rozlišit obvykle dvě soustavy spojů (vodičů). Je to:

soustava napájecího rozvodu a soustava signálových spojů Konstrukce spojů Způsoby rozvodu signálů: a) Jednodrátové vodiče. b) Dvojlinka, trojlinka a plochý kabel (který nahrazuje klasické svazky jednodrátových vodičů) c) Kroucený dvojitý vodič (kroucený pár, kroucená dvojlinka) d) Koaxiální kabel e) Plošné spoje f) Optické spoje

110


Obr.8.1: Různé druhy vodičů a kabelů

111


Obr.8.2: Plochý kabel

Obr.8.3: Stíněný a koaxiální kabel Při volbě použitých signálových spojů vycházíme z následujících hledisek: 1. Signálové (elektrické) parametry: • charakteristická imedance, • 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)

symetrické (vyvážené, rozdílové). Volíme je především z hlediska odolnosti proti rušení.

112


Materiál vodiče pro vlastní vodiče je to 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). Materiál izolantu

široká škálu zejména plastů, které se liší vlastnostmi: • elektrickými (svod, dielektrická konstanta, elektrická pevnost), • mechanickými (pevnost, ohebnost), odolností proti ohřevu (při pájení) a taky cenou. DPS (desky plošných spojů) Signálové spoje u DPS 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.


113

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.

Ideální stav - intenzita signálu by měla být: • na spojové cestě různá od nuly (u digitálních obvodů dokonce rovná jen dohodnutým úrovním pro 0 a 1), • 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 uspmořádání 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 ekvipotenciálními rovinami. Nepříznivým faktorem u všech spojů (vedení) jsou odrazy, k nimž dochází vlivem nedokonalého přizpůsobení Odrazy zvyšují úroveň rušení. U lineárních analogových obvodů je možné přizpůsobení optimalizovat. U digitálních obvodů to není obecně možné (jsou nelineární) 8.1.1

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 fmax = 1/2p RC, tr = 2,2RC.

114


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 lmin odpovídající kmitočtu fmax alespoň 100-krát větší než fyzická 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 0,35 35 = = = 116h t = h h r f max 0,3 max 0,3 max max

[ns, m]

(8.1)

(lmin = hmax - maxim. propojovací délka je rovna vlnové délce odpovídající meznímu kmitočtu ) Tato závislost je znázorněna na obr. 8.9 v logaritmických souřadnicích.


115

Obr.8.4: Používaná vedení a jejich parametry U obvodů TTL je tr = 10 ns, takže propojování "vzduchem" vyhoví dle (8.1) do délek několika cm (funkční vzorky malých celků z několika IO). • Nad přímkou v obr. 8.5 jsou problémy se spoji minimální, vyhovuje konvenční propojování bez definované impedance. Používají se běžné druhy měděných spojovacích drátů o průměru d = 0,4 až 0,5 mm.

116


• 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. 8.5. 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 = T.Zo (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

(8.2)

kde t je zpoždění na jednotku délky. Přímka (6.2) rozděluje oblast krátkých a dlouhých vedení; na obr. 8.5 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. Poznámka: (ECL - Emitter Coupled Logic - Emitorově vázané obvody, TTLTransistor Transistor Logic ) Porovnejte možnou délku propojovacího vedení u TTL při použití jednoduchého spoje a krátkého vedení – (červená čára) !

117


Obr.8.5: Oblasti použitelnosti a klasifikace spojů ve vztahu k délce spoje a době hran impulzů 8.1.2

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 µ=µoµr, kde F/m eo = 8,854·10-12 jsou permitivita a permeabilita vakua, er prostředí.

,

µo = 4p10-7 H/m µr jsou relativní parametry

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).

118


Vedení se popisuje buď: - těmito prvky náhradního schématu R, L, C a G (obr.8.6), jež označuje jako primární parametry, nebo - charakteristickou impedancí Zo a mírou přenosu g gama (zvaná též konstanta šíření) – sekundární parametry Reálné složce míry přenosu g říkáme měrný vlnový útlum nebo též konstanta útlumu (dB/km), imaginární složka se nazývá měrný fázový posuv nebo též fázová konstanta (rad/km). Sekundární a primární veličiny jsou vázány uvedenými vztahy vycházejícími z tzv. telegrafních rovnic. Vedení dělíme na elektricky krátké, dlouhé a nekonečně dlouhé také podle útlumu (obr. 8.6).

Obr.8.6: Vedení jako systém s rozloženým parametry

Obr.8.7: Rozdělení vedení podle útlumu

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).


119

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 bezztrátovém vedení. Tato analýza však nemá smysl tehdy, je-li 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. µo a permitivu ε = εr.εo,

µ0 ε 0 =

1 a er. µr>1. Zde je rychlost šíření menší. Celkové zpoždění c

signálu od 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

120


charakteristické zpoždění t (jako zpoždění signálu vztažené na délkovou jednotku). Parametry homogenního bezdrátového vedení jsou jednoznačně určeny geometrickým uspořádáním a dále relativní permitivitou εr a permeabilitou Fr 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 µr = 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 popřípadně též charakteristickým odporem Z o = L / C a zpožděním na jednotku délky t, které jak dále uvidíme je τ = 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 = µ.F(x,y), kde F je bezrozměrná funkce geometrických rozměrů, pak kapacita je C = ε/F(x,y), takže jejich součin LC a tedy i zpoždění τ = LC = εµ = ε o µo ⋅ ε r µ r =

ε r µr c

= 3, 3 ε r µ r [ns/m]

(6.3)

je na rozměrech (na geometrickém uspořádání) nezávislé a je určen pouze vlastnostmi dielektrika kde c = 1 / µ 0 ε 0 ≈ 3.10 8 m/s je rychlost šíření elektromagnetických vln ve vakuu. 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 L = C

µ0 µ0 F= ε0 ε0

µr µr µ F = η0 F = 377 r F ( x, y ) εr εr εr

kde η 0 =

µ0 = 377Ω ε0

je vlnová impedance vakua. Pro většinu dielektrik je

Z0 =

(6.4)

µ r = 1 . Parametry obvykle používaných vedení jsou uvedeny na obr.8.7

. Měrné zpoždění lze ve všech uvedených případech počítat jako τ = 3,3 ε ef ns/m, jelikož µr = 1. V praxi bývá εef = 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 εef.


121

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 Ω, 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 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 Ω, s tenkou izolací až 50 Ω. - 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) Ω, 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%. 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 teflon. Charakteristická

122


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.

Obr.8.8: Různé konfigurace zemnich a signálových vodičů v plochém kabelu 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 Ω, s plochými vodiči nebývá však Zo menší než 90 Ω. - 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 Ω.


123

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 náročná úloha. Nejhorší poměry jsou v místě první zátěže od zdroje, neboť na ní se uplatní všechny odrazy a časový rozptyl odrazů bude největší.

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. - 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.

Pro obvody typu TTL (tr = 20 ns) je většina vodičů na desce krátkých (l < 50 cm). Pro rychlejší obvody (STTL, ECL) je však třeba uvažovat kritickou délku

124


10 cm. Všechny vodiče, které nejsou krátké, je třeba ošetřit z hlediska odrazů a přeslechů.

9 Rozvod napájení Dvě skupiny spojů:

signálové -

předává se informace

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). NAPÁJENÝ PRVEK

NAPÁJENÝ PRVEK

zpětný vodič U1

0

U1 U2 U3

0

přímý vodič NAPÁJECÍ ZDROJ

NAPÁJECÍ ZDROJ

Napájecí rozvod se obvykle skládá ze dvou částí. 1. 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 dimenzovány tak, aby byly schopny přenést značné proudy (někdy se kontakty konektorů spojují paralelně). 2. Druhou částí je pak vedení napájecího napětí k jednotlivým obvodům.


125

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: X

X

X

X

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.

126


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). Impedance vedení má především odporovou a induktivní složku. 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 lze pak chápat rovněž jako vedení s určitou rozloženou 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


127

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) ≠ ICC(1)), proudové špičky při průchodu vstupního napětí rozhodovací úrovní (1,35V) a konečně i přechodné proudy do vedení. Nemá-li 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 ∆Icc = 50 mA po dobu ∆t = 20 ns a připustíme-li rušivé napětí ∆Ucc = 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 se totiž zase uplatní ∆i   . Použitý kondenzátor musí mít sám zanedbatelnou  ∆t 

indukčnost přívodu  L

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 ≥ 4 L/R2.

128


Při konstrukci napájecího rozvodu na deskách se vyskytuje v praxi několik řešení, jejich společným znakem je dosažení co nejmenší impedance (malého odporu a indukčnosti) 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). 9 Na rozvod jsou vyčleněny dvě vnitřní vrstvy. 9 Ponechává se vodivá celá plocha desky (až na izolační prstence). 9 Výhodou je také, že vnější (signálové) vrstvy jsou stíněny a signálová vedení mají definovány zemnící rovinu. 9 Vzájemná kapacita vnitřních vrstev je řádu nF a zpravidla nejsou potřebné blokovací kondenzátory. toto uspořádání zjednodušuje pouze spoje, ale nikoliv problematiku rušení


129

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 –(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 nepravé 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. Možná 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

Obr. 19: Rozvod napájení vertikálními páskovými vodiči 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, zaujímá však 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

130


(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.


131

10 Stínění Stínění je účinným prostředkem na potlačení parazitních vazeb.

10.1

Klasifikace stínění

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. Obecně jsou považovány za stínění členy mechanické, nikoliv tedy obvody přístroje. Filtry a oddělovací obvody se považují za členy působící odděleně od stínění. Toto je velmi nepřesné! Oddělení mechanické a elektrické konstrukce přístroje může vést k problematickým výsledkům. Je třeba zdůraznit nedílnou spoluúčast stínění a filtrů na potlačení parazitních vazeb (přenosů). Pouze z důvodu výkladu je potřeba jednotlivé oblasti probírat postupně.

132


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. Nejprve je nutno najít zdroje a přijímače rušení a možný způsob parazitní vazby. Pro účely analýzy je třeba mít jasnou fyzikální představu s podporou alespoň zjednodušených výpočtů. 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.


133

Hlavními zdroji střídavých magnetických polí jsou - síťové transformátory a tlumivky, - oscilátorové cívky, výstupní transformátory, - motory apod. Jsou-li v blízkosti těchto 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.

Obr. 10.1: 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 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.

134


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. Zpravidla postupujeme tak, že když máme v přístroji více citlivých objektů a pouze jeden zdroj rušení (např. síťový 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: Účelem stínění je v každém případě odstranit z prostoru citlivého objektu rušivé pole, přičemž je lhostejné, stíníme-li zdroj rušení, nebo rušený prvek.

S=

Ho Hi

(10.1)

Pro praktické účely je vhodné definovat jakost stínění tzv. stínicím útlumem, který udává v decibelech přímo zeslabení rušivého magnetického pole: H b p = 20 ⋅ log( S ) = 20 ⋅ log o  Hi

  

(10.2)

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


135

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. 10. 2a), - nekonečně dlouhý dutý válec (obr. 10.2b,c) a - dutou kouli (obr. 10.2d).

Obr. 10.2: 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

136


Obr. 10.3: 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. 10.2, přičemž se řídíme těmito směrnicemi: a) Úzké podélné stínicí kryty (obr. 10.2a), 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. 10.2b,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. 10.2d). V případě krychle má ekvivalentní koule poloměr R = 0,62a (a = hrana krychle),

137


v případě hranolu R = 0,5 a ⋅ b ⋅ c (a , b, c = hrany hranolu ) .

10.1.1 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. 10.1 ), tj. čím větší je frekvence rušivého pole, čím bude stínicí materiál silnější a čím větší bude jeho elektrická vodivost. Tab. 3:

Materiály pro stínění

Toto zeslabení je tím větší, čím silnější vířivé proudy v materiálu vzniknou,

Pro elektromagnetické stínění možno použít každého elektricky dobře vodivého materiálu (tabulka 10.1). 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), 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 )

(10.3)

138


Veličina d, udávající "rychlost" ubývání intenzity magnetického pole, je funkcí frekvence a vlastností stínicího materiálu a je určena vztahem δ ≅ 16 ⋅

ρ f ⋅µ

[Ω mm

2

/ m , kHz

]

(10.4)

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. 10.3: Definice hloubky vniku, neboli tloušťky ekvivalentní vodivé vrstvy.

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

139


δ 0 ,1 = 2, 3 ⋅ δ

(10.5)

δ 0 , 01 = 4,6 ⋅ δ

(10.6)

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

]

(10.7)

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. p=

d

(10.8)

δ

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

(10.9)

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

Tab. 4:

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 tzv. průmyslové 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).

140


Tab. 10.3: Vlastnosti stínících materiálů

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.


141

Obrázek 10.4: Útlum stínění (a – činitel velikosti) Řešením Maxwellových rovnic dostáváme pro součinitel stínění ve vf elektromagnetických polích H bs = 20 ⋅ log o  Hi

d    k⋅D   ≅ 8,69 ⋅  + ln      µr ⋅ δ ⋅ 2 ⋅ 2   δ

kde d - 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 - relativní permeabilita materiálu krytu, D - vzdálenost desek, popř. průměr válce nebo koule a konečně d - je ekvivalentní hloubka vniku vf proudu určená vztahem (6).

[dB ] (10)

142


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 2 ⋅ µr ⋅ δ δ δ

z něhož můžeme pro nízké kmitočty, kde d < d, odvodit zjednodušený vztah  k⋅d ⋅ D Ho  = 1 +  Hi  µr ⋅ d 

2

Za předpokladu, že Ho/Hi >> 1, vyplývá tedy pro nízké kmitočty dokonce lineární vztah Ho 1 = ⋅ k ⋅ d ⋅ω ⋅δ ⋅ D Hi 2⋅π

(10.12)

Pro praxi je užitečné grafické vyjádření útlumu v nejpoužívanější oblasti. Na obr. 10.4 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 bs ≅ 8,69 ⋅

d

δ

[dB ]

(10.13)

Také pro určení hloubky vniku je užitečné grafické vyjádření podle obr. 10.5. Uvedené grafy ukazují, že na vyšších kmitočtech není obtížné dosáhnout činitelů stínění přes 100 dB při malé síle stěny stínicího krytu. Poznámka: 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.


143

Obr. 10.5: 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. 106 a 10.7), eventuálně rovnoběžné s rovinou vinutí stíněné cívky nebo transformátoru. V každém případě volíme v místě spojení dostatečný přesah materiálu, a kde je to možné,

144


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

Obr. 10.7: Správné umístění dělicí spáry elektromagnetického stínicího krytu (průběh vířivých proudů je neporušen).


145

Obr. 10.8: Umístění víčka stínicího krytu: a) nesprávné - okruh vířivých proudů na obvodu krytu je porušen, b) správné - okruh vířivých proudů na obvodu krytu je neporušen.

Obr. 10.9: 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.)

146


Obrázek 10.10: 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 10.11: 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 E 2 = E1 ⋅

4 d⋅l ⋅ λ⋅R 3

(14)

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 α=

53,5

λo

λ  1− o   λ 

2

[dB / m , m ]

(15)

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).


147

Obr.10.12: 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.

Obr.10.13: Měřící komůrka Potřebný objem stínění je 1 dm3, je vyrobeno z mosazi, součinitel tvaru k = 0,4, přívodní trubka má průměr 25 mm. Řešení : Hloubka vniku podle obr.4-2 je d = 0,04 mm. Činitel velikosti a =

k ⋅ D 0,4 ⋅ 100 = = 1000 . µr ⋅ δ 1 ⋅ 0,04

Z obr. 10.14 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.

148

FEKT Vysokého učení technického v Brně 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. 9-203. 10.1.2 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 10.4. Princip magnetostatického stínění je naznačen v obr. 10.14. 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.

Tab. 5:

Vlastnosti feromagnetických látek:

Pro stínění nízkofrekvenčních elektromagnetických polí jsme již odvodili jednoduchý vztah (12), který platí za předpokladu, že Ho/Hi >> 1, že µr > 1 a že uvnitř krytu je prostředí neferomagnetické, tj. µr < 1. Potřebujeme však pro

149


praxi vyšetřit ještě případ, kdy µr -> 0 a kdy uvnitř krytu máme ferromagnetický předmět, který chceme chránit před vnějším polem

Obr.10.14: 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. 10.14, kde uvnitř krytu máme chráněný ferromagnetický předmět ve tvaru krychle o straně rovné 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 : Rmo =

a −1 2

Rms =

3/ 2⋅b 4 ⋅ a ⋅ d ⋅ µr

H.l = Em =NI = F.Rm = B/ m *l = F/S.m*l = F.l/m.S =F* l/m.S= F.Rm 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) = = Rms Φo 3⋅b

celkový činitel stínění můžeme pak vyjádřit: Ko =

Φs Φ1 1 = [4 ⋅ µ r ⋅ a ⋅ (b − a )(a − 1) + 3 ⋅ b] ⋅ = Φo Φo + 1 3⋅b

150


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 a=

2⋅b + 1 3

z čehož vyplývá pro sílu stěny krytu d=

b−1 3

a pro sílu vzduchové mezery m=

b−1 3

Činitel stínění pak bude za těchto podmínek Ks =

Φ1 8 1  = 1+ ⋅ µ r  2b 2 + 3b +  Φo b 81 

(10.17)

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 pro jednoduchý výpočet 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) Ko = 1 +

4 d ⋅ µr ⋅ 3 D

(18)

151


Ze vztahu (18) možno vypočítat, že stínicí kryt z železného plechu 1 mm o permeabilitě µr = 350, velikosti 50 x 60 x 70 mm, odpovídající ekvivalentní kouli o průměru 59,5 mm, zeslabí rušivé magnetické pole na 10 % původní hodnoty tj. asi o 20 dB. 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. Poznámka: 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 fo ≅

ρ d ⋅µ 2

[kHz , mm , Ωmm / m ]

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 10.14)

152


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).

Obr.10.15: 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 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.


153

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.

154


Obr.10.16: Správné umístění spáry ve stěně stínicího krytu při magnetostatickém stínění (průběh magnetických silokřivek ve stěnách stínění je neporušen)

Obr.10.17: Vliv spár na průběh magnetického pole ve stínicí stěně 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. 10.1.3 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.10.18: Vícenásobný stínicí kryt

155


Jde o jiný problém než vrstvené stínění (obr. 10.18), 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 můžeme vyšetřit 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. zatím co logaritmus součinitele stínění ln K S = S n = n ⋅ ln Má-li tedy být celkový poměr

Φ1 Φ0

Sn maximální, musíme nalézt maximum poměru: ln V

Φ ln 1  Φo ln b

  

(

)

8   ⋅ µ r 2b 2 − 3b + 1 / b  ln 1 + 81   = ln b

Derivací a anulováním pravé strany výrazu získáme vztah

ln (b ) ⋅

µ r (4b − 3 + b −2 )

(

81 + µ r 2b 2 − 3b + b − 1 8

)

−

(

)

1 8   ⋅ ln 1 + ⋅ µ r 2b 2 − 3b + b − 1  = 0 b 81  

Jeho řešením nalezneme podmínku optimálního dimenzování ve tvaru

Φ ln 1  Φo

  = 1,6 

tj. nejúspornější prostorově i nákladově je kryt, který má součinitel stínění

Φ 1 16 =e =S Φ2 Větší činitel stínění je účelné realizovat jako vícenásobné kryty, jejichž počet bude

n=

Sn [Np] = S 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.

156


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 (1,6*8,69=14dB), 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 m 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. 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 50 = 1 +

8 ⋅ 100  2 1  2b − 3b +  81  b


157

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.

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. 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

158


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.

Obr.10.19: 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

Obr.10.20 Vedeme-li výkon k zátěži souosým kabelem, nevzniká vlivem procházejícího proudu žádné rušivé pole vně kabelu

Obr.10.21: 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

159


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 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. 10.22. Nomogram vychází z útlumu vrstvy čisté mědi 1 mm silné SCu = 1,314 ⋅ 102 f [dB/mm, MHz]. Pro jiný materiál platí vztah S = SCu 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

160


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.

10.2 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 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. . 10.2.1 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.

161


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 ω 2M 2 U1 = 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.

162


Obr.10.22: Nomogram pro výpočet stínění


163

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.10.23: 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

164


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.10.24:Přípustná a nepřípustná štěrbina ve stínění pro vývody

Obr.10.25: Správné a chybné umístění cívek ve stínění 10.2.2 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.

Obr.10.26: Náhradní obvod pro parazitní kapacitní vazbu: a) bez stínění, b) se stíněním

165


Na obr. 10.26a 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. vstupní obvod zesilovače apod. Obvodem protéká proud ir =

ur , R + jX p

(

který vyvolává na vstupním odporu R úbytek napětí

)

u ro = u r 1 + jX p , kde Xp je reaktance kondenzátoru Cp. Zapojíme-li podle obr.

10.26b 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.

Obr.10.27: Kapacitní přenos z bodu A do bodu B, není-li mezi těmito body stínění

Obr.10.28: Přenos napětí z bodu A do B, jeli mezi těmito body stínění nespojené s kostrou

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.

Obr.10.29: Účinek stínění spojeného s kostrou

166


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

=

C 1C 2 (C 1 + C 3 )(C B + C 2 )

(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 + C 2 + C B

≈ Ur

C ′p C2 + CB

(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. 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.


167

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 Obr.10.30: Vliv indukčnosti kostrou vazbu zmenšuje. 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

Obr.10.31: Neuzemněné plovoucí stínění má omezený stínící účinek

168


Obr.10.32: 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 mezi stíněním a kostrou nesmějí být dlouhé. Impedance takového spoje (obr. 7.222) roste s kmitočtem a svým 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)


169

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. Obr.10.33: Parazitní vazba způsobená společným víkem kontaktními pružinami odstraní parazitní vazbu jen částečně

Obr.10.34 Náhradní schéma parazitního přenosu, zprostředkovaného víkem

Obr.10.35: Víko spojené s přepážkou 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).

170


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. 10.2.3 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 1-2-3-4-56-7-1. 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.


171

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 10.3 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

172


magnetické stínění méně účinné, a tím musí mít tlustší stěny, aby bylo dosaženo stejného magnetického stínění.

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

Obr.9.230:

Obrázek 9.232:

Obrázek 9.231:

Obrázek 9.233:

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.


173

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. 10.3.1

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:

174


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).

Obecné zásady pro elektrické stínění je třeba doplnit následujícími poznatky vztahujícími se ke stínění vodičů (číslování navazuje na předcházející stranu ):

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.

175


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. 239 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:

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

176


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


177

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

178


10.3.2 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.


179

Obrázek 9.246: 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 d 0,01 menší než tloušťka stěny stínění, prochází po vnějším stínění méně než 1 % celkového proudu. Tento proud vytvoří mezi kostrami přístrojů tak malý potenciální rozdíl, že zkratování stínění lze pro kmitočty nad 10 MHz zanedbat.

Obrázek 9.247: 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.

180


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:

Obrázek 9.249:

Obrázek 9.251:


181

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.

182


11 Chlazení polovodičových součástek a konstrukčních celků Tepelné vlivy na součástky

-

zdroje tepla

Vnější zdroje tepla klimatické podmínky

Vnitřním zdroje tepla

tepelné změny v rozsahu až ± 70°C potřeba klimatizace chlazením nebo vyhříváním (nízké teploty→ možnost selhání

ztrátové teplo součástek vzniká při jejich činnosti

"Klasické" způsoby chlazení na principu samovolného přestupu tepelné energie ve směru teplotního gradientu. Provozní teplota součástek pak musí být vyšší než teplota okolí (tzv. "cooling" )

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 : vedením

prouděním

(kondukcí) vzájemné předávání kinetické energie sousedících molekul (hmotné prostředí)

(konvekcí) dochází k přemisťování zahřáté hmoty (hmotné prostředí)

zářením (radiací, sáláním) elektromagnetické záření (možné i ve vakuu)

V praxi se na odvodu tepla podílejí různou měrou všechny uvedené způsoby. Množství přeneseného tepla je obecně funkcí teplotního spádu Dq, činné plochy S a součinitele přenosu, specifického pro každý jednotlivý způsob.

183


11.1.1

Model přenosu tepla Veličiny a jednotky q – teplota [K] Dq – teplotní spád [K] a – součinitel přenosu tepla [W/m2.K ] (materiál. konstanta) l – měrná tepelná vodivost (a.m) [W/m.K] Rt - tepelný odpor Dx/l.S [K/W] (při tep. toku P je na něm úbytek teploty Dq) S - průtočná plocha [m2] P - tepelný tok dQ/dt [W] x - souřadnice polohy [m] Q - teplo [J=W.s] c - 5,67.10-8 W.m-2K-4 Stefan-Bolzmannova konst. e - emisivita – hodnota 0 - 1

x1 - x0 =Obr.11.1: Dx = l Model 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(Dq).

Tepelné odpory je možné řadit podle pravidel shodných pro ohmické odpory. Kvalitativně pro všechny uvedené způsoby lze nalézt analogii s Ohmovým zákonem.

Přenos tepla vedením

Fourierův zákon P = −λ ⋅ S ⋅

Přenos tepla prouděním

dϑ ∆ϑ = −λ .S dx ∆x

Newtonův zákon P = α ⋅ S ⋅ ∆ϑ

Přenos tepla zářením

Stefanův-Boltzmannův zákon P = c ⋅ S ⋅ f (∆ϑ )

Ohmův zákon (dif. tvar) dU s [S/m] I =σ ⋅S⋅ dx

(11.1a)

(11.1b)

(11.1c)

(11.1d)

184


11.1.2

Přenos tepla vedením

Ve výše uvedených vztazích je : P = dQ/dt - tepelný tok plochou S při teplotním gradientu dq/dx < 0 resp, teplotním spádu Dq. (Ve směru P se teplota zmenšuje) x1

dx se nazývá tepelný odpor, λ ⋅ S xo

Hodnota integrálu Rt = ∫

x1

na kterém je při toku P úbytek teploty ∆ϑ = ∫ dϑ , xo

měřeno mezi souřadnicemi x0, x1 předpokládaného lineárního uspořádání. Tab.11.1:

Měrná tepelná vodivost l [W/m.K] některých látek Měď Hliník Stříbro Olovo Ocel

401 235 428 35 14

Suchý vzduch Helium Skelná vata Sklo Slída

0,026 0,15 0,048 1,0 0,5

Pro hlubší pochopení je zapotřebí jednotlivé zákony vysvětlit detailněji.

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. -Tepelný tok P[W] je určen množstvím tepla dQ [J], které projde plochou S [m2] za dobu dt [s]. P=

dQ dϑ = −λ .S . dt dx

(11.1)

Množství tepla prošlé za jednotku času jednotkovou plochou udává - hustotu tepelného toku p, která je určena Fourierovou rovnicí ve tvaru: p=

P  dϑ  = -λ   S  dn 

S n

 dϑ  -   dn 

(11.2)

 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

185


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 [m2] dostaneme pro rozdíl teplot vztah: ∆ϑ =

l ⋅P λ⋅S

[K]

(11.3)

Na základě tohoto vztahu je pak tepelný odpor Rt prostředí definován rovnicí: l [K/W] (11.4) λ⋅S Fourierův zákon je speciálním případem obecné rovnice šíření tepla vedením. V trojrozměrném prostředí charakterizovaným tepelnou vodivostí l, měrnou hustotou r [kg/m3] a měrným teplem c [J/(kg.K)] platí v objemu dx.dy.dz: ∂ϑ dQe (11.5) = ρ⋅C⋅ − ∇ (λ ⋅ ∇ϑ ) dt ∂ .t Rt =

(Ve výrazu j.t je tečka kvůli čitelnosti)

Poznámka: Operátor nabla v třírozměrném prostoru souřadnic symbolizuje operaci

∇a =

∂a ∂a ∂a ; + + ∂x ∂y ∂z

Qe je teplo produkované v objemu dx.dy.dz . První člen výrazu (7.5) 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 Dq, přejde obecná rovnice šíření tepla do tvaru obyčejné diferenciální rovnice dQ dϑ ∆ϑ = m⋅c⋅ + (11.6) dt dt 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 – (přechodný děj akumulace – první člen v (11.5, 11.9)viz (11.1a). Z hlediska návrhu elektronického obvodu je podstatná aplikace (11.6) 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 dQ = f (ϑ ) ≠ konst. pouzdra. V tomto případě je dt U bipolárního tranzistoru se vzrůstající teplotou narůstá i vodivost (teplotní koeficient kolektorového proudu je záporný) a při daném kolektorovém napětí také ztrátový výkon na tranzistoru. d 2Q 1 Hranici tepelné stability představuje hodnota = (extrém tepelného toku). Pro dϑ ⋅ dt Rt hodnoty větší jak 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.

186


Uvedené vlastnosti omezují možnost libovolného řazení tranzistorů. Bipolární tranzistory nelze snadno řadit paralelně, unipolární sériově. V ustáleném režimu přenosu tepla je jq/jt =0 a rovnice (11.6) přejde dosazením Rt = Dx/l.S do tvaru (11.1a).

11.1.3

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 (11.1b) P = α ⋅ S ⋅ ∆ϑ zahrnuje jednak tepelnou vodivost v této vrstvě, jednak vliv její tloušťky d . Teplotní rozdíl Dq je měřen mezi povrchem chladiče a chladicím mediem (prošlým kolem ochlazovaného povrchu).

187


Průběh teploty a rychlosti chladicího media jako funkce vzdálenosti od ochlazované stěny tělesa pro volné proudění je schématicky znázorněno na obr. 11.13.

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: ∆ϑ =

P [K] α ⋅S

(11.4)

a je součinitel přestupu tepla [W/(m2.K)]. Vyjadřuje vlastnosti rozhraní dvou látek odlišných skupenství z hlediska šíření tepla, které se zde uskutečňuje převážně

188


prouděním. Závisí na druhu látek, jejich skupenstvích, teplotách a na tvaru rozhraní. Hodnotu tepelného odporu lze pak vypočítat jako 1 [K/W] (11.5) Rt = α ⋅S

Pro použití rovnice (11.7) 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. Tab.11.2:

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 (Reyn. číslo – odtržení proudu).

11.1.4

Přenos tepla zářením

Přenos tepla zářením ze zdroje umístěného v nekonečném vyprázdněném prostoru je přímo úměrný čtvrté mocnině jeho absolutní teploty (StefanůvBoltzmannův 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 ... Stefan-Bolzmannova konstanta 5,67.10-8 W/m2K4,


189

e …je konstanta nazývána hodnota pohltivosti (emisní schopnosti, sálavosti) povrchu - relativní míra "černosti" povrchu (pro absolutně černé těleso je e = 1), některé hodnoty jsou v tabulce 7.6.

11.2 Termoelektrické chlazení Peltierův jev je znám především ve spojení s termoelektrickými bateriemi. Tyto baterie slouží k přímé přeměně elektrické energie na tepelnou a naopak. Mohou sloužit k těmto účelům •

Termoelektrické chlazení - nejrozšířenější. Jeho předností je soustředění chladícího účinku na velmi malou plochu.Zařízení je spolehlivé a teplota se dá snadno regulovat změnou velikosti napájecího proudu. Nevýhoda oproti běžným kompresorovým a absorpčním agregátům je, že nedosahují takových tepelných parametrů.

•

Termoelektrické topení - méně časté. Výhoda spočívá v tom, že baterie mají plochý tvar, takže ohřev dané stěny či plochy je rovnoměrný.

•

Výroba elektrického proudu - termoelektrické baterie vyráběné pro účely chlazení nejsou vhodné pro výrobu elektrického proudu.

Peltierův jev V r. 1834 objevil francouzský fyzik Peltier jev, který je inverzní k Seebeckovu efektu. Seebeckův jev - jsou-li spojeny dva vodiče z různých kovů do uzavřeného obvodu a mají-li spoje různou teplotu T1 a T2 , protéká obvodem elektrický proud.

Peltierův jev - protéká-li stejnosměrný elektrický proud z vnějšího zdroje Seebeckovým obvodem, pak vzniká teplotní rozdíl mezi oběma spoji. Teče-li proud z vnějšího zdroje daným spojem stejným směrem , jaký má proud při ohřátí tohoto spoje v Seebeckově jevu, pak se daný spoj ochlazuje. Prochází-li proud směrem opačným, pak se spoj ohřívá. Peltierův efekt závisí na druhu kovů a na jejich teplotě.

190


Peltierův článek

Peltierův článek se skládá ze dvou polovodičových tělísek a spojovacího můstku, které zprostředkovávají jednak přívod elektrické energie a jednak absorbují a vyzařují teplo. Základní zapojení Peltierova článku je znázorněno na obr.č.1. kde je

Q .... teplo absorbované Qh ....teplo vyzařované P.... polovodič s děrovou vodivostí N .... polovodič s elektronovou vodivostí

Základním polovodičovým materiálem na Peltierovy články jsou převážně vizmut-telluridy, tj. termální systémy Bi-Te-Se ( N-typ ) a Bi-Sb-Te ( P-typ ). Tyto materiály mají výhodné termoelektrické vlastnosti, nízký měrný elektrický odpor a malou tepelnou vodivost. Spojovací můstky jsou zhotoveny většinou z mědi ( malý měrný elektrický odpor, možnost pájení ). Její nevýhodou je možná difúze do polovodičového materiálu a tím zhoršení jeho vlastností. V místě styku můstku a polovodiče vzniká nežádoucí přechodový odpor, který může značně nepříznivě ovlivnit dosažitelný chladící výkon Q článku a maximální dosažitelný teplotní rozdíl obou spojek. Nejlepší termoelektrický materiál je tedy bezcenný, nepodaří-li se najít vhodný technologický postup výroby, zajišťují nízký přechodový odpor. Jednotlivé Peltierovy články se obvykle zapojují do série ve větší celky, tzv. chladící termobaterie viz. obr. 2. K dosažení vyšších teplotních rozdílů při zachování určitého chladícího výkonu se spojují jednotlivé termoelementy do kaskádních baterií viz. obr.č.2 nebo termobaterie do kaskády. V tomto případě se musí zajistit elektrická izolace mezi termobateriemi. Jako izolace se používají keramika s dobrou tepelnou vodivostí viz obr. 3. V dnešní době se vyrábějí termobaterie již s touto izolací.


191

Obr.11.2: Termobaterie

Pro spojení termobaterií do kaskády je vhodné keramické destičky potřít silikonovým tukem pro zajištění malého tepelného odporu mezi bateriemi nebo baterie slepit vhodným lepidlem s dobrou tepelnou vodivostí. Kaskádní řazení termoelementů má výhodu především v dosažení vyšší chladící účinnosti pro požadované velké teplotní rozdíly spojek. Hrubou představu o principu čerpání tepelné energie Peltierovým článkem tj. přeměně elektrické energie v tepelnou lze získat rozborem vzniku termoelektrického napětí v polovodičích typu P, resp. typu N, která je popsána viz [1],[2]. [1] Syrový, K. : Využití Peltierova jevu k termoelektrickému chlazení. Strojírenství 1963, č.6. [2] Mikyška, L. : Termoelektrické články. Praha - SNTL 1964

Peltierovy články dosahují maximálního ochlazení (Dq)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.

Obr.11.3:

192


Příklad parametrů vyráběného článku

Obr.11.4:

Na levé straně obr.č.4 jsou zobrazeny rozměry Peltierovy termobaterie a na pravé straně obr.č.4 je znázorněna závislost chladícího výkonu termobaterie na teplotním rozdílu obou ploch termobaterie při konstantní teplotě teplé strany tj. Th = 27°C a při daném napájecím proudu poskytnutá výrobcem.

Obr.11.5:

Na obrázku č.5. je uveden ilustrační příklad použití Peltierovy termobaterie k chlazení mikroprocesoru. Výhoda oproti samotnému chladiči spočívá v tom, že pomocí termobaterie lze vytvořit určitý teplotní rozdíl mezi chladičem a mikroprocesorem, čímž dostanu teplotu mikroprocesoru níže, než při použití samotného chladiče. Musí se ale počítat s tím, že vyzařovaný tepelný výkon termobaterie je přibližně 2,5 krát větší než tepelný výkon mikroprocesoru. Proto je potřeba většinou větší chladič. Nevýhoda je potřebný zdroj proudu pro napájení Peltierovy termobaterie. 11.2.1

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. 2. Celkový odváděný výkon. 3. Provozní teplota. 4. Cena.


193

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,

p [W/m2] - hustota tepelného toku Dq [oC] - teplotní rozdíl

194


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.

11.2.2

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.


195

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 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

196


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 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 =20 mm.


197

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°.

11.2.3

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.

198


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 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 provozu v uzavřené skříni musíme dbát na to, aby v soustavě nevznikla tzv. horká místa. Jejich vzniku lze zabránit několika způsoby: Výkonové součástky se umístí pokud možno odděleně od součástek, které pracují s menšími tepelnými ztrátami. Uvnitř uzavřeného prostoru je výhodné uložit výkonové součástky tak, aby byly v kontaktu s horní částí krytu, 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), 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


199

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.

11.2.4

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 určitá hranice pro množství tepla, které může být z 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 elektrotechnice ke zhasínání výbojů), tento vliv oceníme u kapalinového chlazení.

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

200


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 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, zamezení 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


201

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. 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 – rozváděcí plechy). 11.2.5

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.

202


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. Chlazení v otevřeném okruhu je typické např, pro polovodičové lasery, kde se užívá chlazení vodou 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.


203

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.

11.2.6

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 trubice sestává ze tří částí : - dolní část, která je kovová a spojená s chlazenou součástkou, je krátká (515 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. 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). Vnitřní prostor trubice 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. 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

204


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).


205

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

11.2.7

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 :

206


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 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 velikostí elektronického funkčního dílu, který má být v něm umístěn, velikost vnějšího krytu je pak určena požadavkem na dokonalost 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.


207

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 schéma.

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

208


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. 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.


209

11.3 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

210


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 mimo zařízení, tak i uvnitř zařízení v bezprostřední blízkosti polovodičů, což je ještě důležitější. 11.3.1

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 qj - teplota celého pouzdra je stejná a rovna qc - 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

211


Pro nestacionární režim soustavy VS-okolí s uvažováním přijatých předpokladů lze odvodit vztah pro výpočet převýšení teploty čipu nad teplotu okolí: ∆ϑnest .

t −  τ = ϑ j − ϑa = PC ⋅ Rti  1 − e 2  

t t  − −  − τt  1 τ τ 1 2  e + τ e − 2τ e 2  + P ⋅ R 1 − C ta 2 1   τ 2 + τ 1  

   

(11..9) kde qj [oC] je teplota kolektorového přechodu, qa [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)

Rovnice (7.10) dovoluje stanovit maximální hodnotu výkonové ztráty PCmax pro nestacionární tepelný režim s trváním ohřevu srovnatelným s časovou konstantou PC max =

ϑ j max − ϑaτ 2

(

Rt1 + Rt 2 ⋅ 1 − e −t / τ 2

)

(7.11)

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)

212


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 qjmax, 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 způsobu chlazení. V praxi můžeme počítat s přetížením 5x pro impuls délky 10 ms, 3x pro impuls 50ms a 2x pro impuls 500 ms.

11.3.2

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.


213

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 qj - qa, kde qa 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 qa. 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 qj 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

214


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 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 = qa značí teplotní napětí (= teplota) okolního prostředí, uti = qj - qc tepelný spád na vnitřní tepelném odporu součástky. Mezi teplotou čipu qj a teplotou pouzdra qC vzniká určitý teplotní spád qj qc. Přestup tepla mezi systémem a pouzdrem závisí pro určitý typ součástky na její konstrukci. Je charakterizován tzv. vnitřním tepelným odporem

215


Rti =

ϑ j − ϑc PC

[K/W, oC, W]

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 Rta =

ϑc − ϑ a PC

[K/W, oC, W]

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 který charakterizuje přenos tepla

Rt = Rti + Rta =

ϑ j − ϑa PC

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.

216


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, TO-60 70 oC/W, TO-66 60 oC/W, TO-3 30 oC/W, 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 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.

217


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.

218


Mějme např. tranzistor, jehož vnitřní tepelný odpor Rti = 1 oC/W. Chceme jej zatěžovat výkonem 30 W při teplotě okolí qa = 50 oC tak, aby teplota přechodu qj nepřesáhla 130 oC. K tomu potřebujeme, aby celkový tepelný odpor Rt byl nejvýše Rt =

130 − 50 = 2,6 o C / W 30

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 Rtr = Rt − Rti − Rts = 2,6 − 1 − 0,3 = 1,3 o C / W . Povšimněte si, že na výsledné vnitřní teplotě se podílí i teplota okolí qa 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 qj přestoupit svoji maximální hodnotu Tjmax ani při největší očekávané teplotě okolí qamax. Z předchozích vztahů je vidět, že maximální zatížení součástky můžeme zvýšit, snížíme-li teplotu okolního prostředí. Toto zvyšování je omezeno


219

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 qj, která odpovídá známému výkonu P rozptylovanému v součástce. Protože pro celkový tepelný odpor mezi čipem a okolním prostředím platí Rt = (ϑ j − ϑa )PC , bude mít čip teplotu ϑ j = ϑa + Rt PC . Má-li být dodržen tepelný režim součástky, musí platit qj < qjmax, P < Pmax, přičemž qjmax 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 odporu. 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 požadovaného tepelného odporu Rtr. Pro jeho stanovení platí obecná úměra Rtr ≈ kde

1 , F ⋅ h ⋅η

F je plocha chladiče h je součinitel přestupu tepla h je účinnost chladiče 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

220


uvažován pro vějířovitý chladič středního výkonu, je patrno, že tepelný odpor Ptr může 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.


221

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

222


ekonomické řešení, lze použít 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: Rtr =

kde je

3,3

λ ⋅d

⋅ C 0, 25 +

650 ⋅C F

(7.20) Rtr - tepelný odpor chladicí desky

[K/W, W/K.cm, mm, cm2] K/W

l- tepelná vodivost materiálu desky W/K.cm

223


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 prostředí, kterým je klidný vzduch. Tepelné vodivosti nejpoužívanějších materiálů chlad. desek jsou v tab. 7.4. Minimální potřebnou tloušťku desky udává vztah d min ≅

6 Rtr

Tab.7.4. Hodnoty tepelné vodivosti materiál měď hliník mosaz ocel Tab. 7.5. Hodnoty C pro hliníkovou desku povrch poloha lesklý vodorovná lesklý svislá černěn vodorovná černěn svislá

[mm, K/W]

l [W/K cm]

3,8 2,1 1,1 0,46

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: Rtr ≅

650 ⋅ C F

[K/W, cm2]

(7.21)

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 .

224


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 650 ⋅ C ⋅ λd

F=

ϑ j − ϑ a  − (Rti + Rts ) − 3,3 ⋅ C 0, 25  P 

λd 

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 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]


F =C⋅

225

700 ⋅ (1 + 0,2 ⋅ d min ) Rtr

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.

226


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.

227


V praxi se často řeší případ chlazení integrovaných stabilizátorů napětí typu 78xx. Odvod tepla pomocí přídavného chladiče je nutný, jestliže průměrný ztrátový výkon překročí hodnotu Pmax =

ϑ j max − ϑa max P

, kde Jjmax je teplota

počátku funkce tepelné ochrany 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.

228


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


229

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. 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.

230


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

a z toho

∆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.


231

232

11.3.3


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,


233

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 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.

234


12 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.

Obr. 7.140 Schematické znázornění průběhu pokovení základního materiálu. 1) základní pokovovaný a pájený materiál 2) vrstva kysličníků 3) tavidlo rozpouštějící vrstvu kysličníků 4) vznikající mezní vrstva - legování 5) pájka (větší měrnou vahou vytlačuje tavidlo) 6) zbytky tavidla na povrchu pájky 7) pokovený pájecí hrot páječky

Pájením se tedy vytváří spoj na hranici základního kovu a pájky, 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.


235

Na rozdíl od svařování lze proces pájení uskutečnit při libovolné teplotě (závisející ovšem na druhu pájky) nižší než je teplota tavení spojovaných materiálů. Ty mohou být velmi různorodé, i nekovové (vhodně pokovené). Pájení může být ruční nebo strojové (hromadné). U ručně pájeného spoje je spolehlivost přibližně 5.10-9 hod-1. Strojní 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.

12.1 Mechanismus tvorby spoje 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.

236


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 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. Současně s rozpouštěním probíhá difúze z kapalné fáze do tuhé.. 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 A-C, převažujícím dějem je rozpouštění, 2.stadium - koncentrace je v intervalu C-D, mezi tuhou a kapalnou fází je dynamická rovnováha, probíhá izotermická krystalizace, 3.stadium - koncentrace je v intervalu D-B, veškerá tekutá Obr. 7.141 Rovnovážný diagram pájka- kov pájka je spotřebována na difúzi do tuhé fáze. . V 1.stadiu je rychlost dějů 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.


237

Při roztékání látky po povrchu tuhého tělesa nastane rovnováha sil povrchových napětí v bodech na okraji tekuté látky. 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. 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.

12.2 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

238


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 nm, 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 mΩ. 12.3 Pájecí vlastnosti předmětů určených k pájení 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.


239

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 i hliník, ovšem pokud jeho povrch není pokryt oxidovou vrstvou. 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 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.

240


12.4 Pájecí vlastnosti vývodů součástek a spojovacích vodičů Tvar a rozměry vývodů elektronických součástek a materiál použitý pro jejich výrobu jsou velmi rozličné jako důsledek historického vývoje, což stěžuje do značné míry volbu optimálního režimu pájecího procesu. Moderní součástky již požadavky hromadného pájení respektují. Téměř všechny druhy vývodů mají charakter vrstvených materiálů. Podkladový kov zabezpečuje dobré vlastnosti 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). 12.5 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. 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, což mohou být příčiny závad ve spojích. Na deskách se dále mohou vyskytovat ochranné organické povlaky, např. pájecí laky. Větší hmotnost desek a s tím související tepelná kapacita, určující množství tepla potřebného pro prohřátí spojovaných částí na potřebnou teplotu. To je zvláště důležitým pro hromadné pájení. 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 v tloušťce


241

jednotek až několika málo desítek mikrometrů.. S ohledem na jejich chování v roztavené pájce je klasifikujeme jako 1) tavitelné v pájce (Sn a jeho slitiny) 2) rozpustné v pájce (povlaky Au a Ag) 3) netavitelné a málo rozpustné v pájce (slitiny Cu-Ni a Sn-Ni) Povlakové kovy z čistého Au, Ag, Sn se zásadně nedoporučují.

12.5.1

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 obsažené v 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

242

12.5.2


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 platí pro čisté kovy, bez příměsí. Ty ovlivňují polohu čar likvidu a solidu, mechanické vlastnosti a technologické vlastnosti pájky. Obr. 7.147. Rovnovážný diagram slitiny Sn-Pb Cínových pájek se užívá v rozmezí obsahu cínu 4 až 99 %. Přesné složení a vlastnosti 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 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.

12.6 Pájení a bezolovnaté pájky Podle legislativy Evropské unie vstoupí k datu 1. 7. 2006 ve všeobecnou platnost nařízení týkající se stažení všech produktů, které obsahují větší než povolené množství některé nebezpečné látky z vnitřního trhu. Za nebezpečné látky jsou považovány především těžké


243

kovy, mezi něž patří také olovo. V elektronice se toto nařízení vycházející z ekologických norem (ECO) a dalších souvisejících norem (WEEE – Waste Elecrical and Electronic Equipment atd.) výrazně dotýká olovnatých pájek, jež jsou po dlouhá desetiletí neodmyslitelným a masově používaným materiálem při výrobě elektronických a elektrotechnických zařízení. Většina bezolovnatých slitin je dražší, než klasická pájka Sn/Pb.

Pro bezolovnaté pájky je v převážné většině slitin nutná přítomnost minimálně 60 % Sn a zbytek je doplňován většinou drahými kovy. Cena slitiny je závislá na ceně jednotlivých složek a odvíjí se od dostupnosti obsažených prvků. Dostupnost a cena každého prvku je pak závislá na velikosti jeho celosvětových zásob. Na trhu se již dnes vyskytuje celá řada bezolovnatých pájek, avšak jejich způsob použití není zcela shodný s pájkami Sn/Pb. Zásadní, i když zdaleka ne jediný rozdíl, je bod tavení pájkové slitiny, který je obyčejně vyšší. Zatímco pájky Sn/Pb dosahují tekutého stavu při teplotě 183 °C, u převážné většiny bezolovnatých pájek je tento stav dosažitelný v rozmezí teplot 195–227 °C, v závislosti na jejich složení (viz tabulka 1).

12.6.1

Tepelné zpracování bezolovnatých pájek

Vzhledem k tomu, že proces přetavení bezolovnaté pájky probíhá v daleko užším rozsahu teplot, než je tomu u klasických olovnatých pájek, je vyžadováno, aby pájecí vlny či pece pro pájení přetavením fungovaly s mnohem vyšší přesností. V případě pájení přetavením, které dnes v technologii povrchové montáže převládá, je proto vhodné použít pece s urychleným prouděním, kde lze snadněji kontrolovat teplotu i při vyšších hodnotách. Řada dodavatelů bezolovnatých past rovněž doporučuje použití ochranné atmosféry s dusíkem. Ten redukuje tvorbu oxidu v pájeném spoji, a tím výrazně podporuje nejen lepší smáčivost, ale v konečném provedení i vyšší jakost samotného spoje. Jelikož spoje vytvářené užitím bezolovnatých pájek jsou vzhledově matnější, než spoje vytvářené pájkami Sn/Pb, lze v ochranné dusíkové atmosféře částečně potlačit i tento vzhledový jev.

244


Vyšší hodnoty bodu tavení zkracují dobu trvání procesu. Eutektické pájky Sn/Pb mají bod tavení 183 °C a plně tekutého stavu dosahují v teplotním rozmezí 205–215 °C. Maximální teplota substrátu PCB se v tomto případě pohybuje v teplotním rozmezí 240–250 °C. Teplotní proces tedy probíhá v teplotním rozsahu DT= (25–45) °C. Avšak bod tavení většiny bezolovnatých pájek se pohybuje kolem rozsahu teplot 215–220 °C a teplota plně tekutého stavu je dosahována v rozmezí 225– 235 °C. Jelikož maximální možná teplota PCB zůstává stejná, zúží se tedy teplotní rozsah průběhu procesu na DT= (15–25) °C. Tento užší rozsah teplot vyžaduje, aby pec pro přetavení fungovala s vyšší úrovní schopnosti reprodukce, tedy s přesným dávkováním energie. Kromě vyšších teplot vyžaduje většina bezolovnatých pájecích past prodlouženou dobu setrvání v tekutém stavu, obvykle 60 až 90s oproti tradičním 40 až 60 s.


245

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.).

12.7 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.

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,

246


- 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. 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. 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. Organická tavidla


247

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. . 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. 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. 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.

248


Poznámka: Obecně platí, že tavidla pro ruční a strojní pájení nejsou vzájemně zaměnitelná.

12.8 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". 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 Obr. 7.146. Dobrý, přijatelný, špatný pájený spoj cínu v pájce (na jakosti pájky). Pokud se při oddalování hrotu páječky od pájeného místa vytahují špičky, svědčí to o nízké teplotě při pájení. Někdy však je tento vzhledový nedodstatek spojen s jakostí pájky. V tomto případě prospěje dodat do pájeného místa více kalafuny.

Obr. 7.147. Pájitelnost povrchu DPS


249

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

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". 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.

Obrázek 7.151: Odsávačka cínu, kleště na dstraňování izolace, pistolová páječka a trubičkový cín

250


Desky je třeba před pájením mechanicky očistit. Posoudit kvalitu spoje je obtížné. Obvyklá je zkouška mechanickým namáháním. 12.9 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. Pistolovou páječkou lze pájet pouze menší spoje, ty větší se neprohřejí. V profesionální praxi se pistolové páječky přestávají používat. 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.


251

Moderní pájky mají regulaci teploty.

Obr. 7.152. Hrot s otvorem pro pájení integrovaných obvodů.

12.9.1

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. 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) : Základními způsoby je pájení: - ponorem - vlnou

252


pájení stojící vlnou - roztavená pájka je čerpadlem protlačována širokou tryskou a vytváří vlnu definovaného tvaru; pájené součásti procházejí vlnou ve výšce dané podmínkami pájení. Je v současné době nejrozšířenější.

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. 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 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


12.9.2

253

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 Pájení stojící vlnou roztavené pájky Nejrozšířenějším způsobem je pájení stojící vlnou roztavené pájky (viz obr. 7.156h). Asi 80% pájecích zařízení používá tohoto principu. Pájení stojící vlnou umožňuje 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

254


Hřeben vlny je prostý kysličníků pájky, protože roztavená pájka je v neustálém pohybu udržována čerpadlem, vhánějícím pájku do trysky formující vlnu.

Podobně jako široká vlna působí i vlna reflexní, u níž proud pájky má také opačný smysl než pohyb desek plošných spojů obr. 7.163.

Obr. 7.163. Princip reflexní vlny

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. 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.


255

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 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

256


Prof. Ing. Vladislav Musil,CSc. Doc. Ing. Arnošt Bajer, CSc. Konstrukce a technologie elektronických zařízení

Recommend Documents