Пассивные помехоподавляющие и защитные компоненты

Обзор

При обеспечении электромагнитной совместимости во многих случаях необходимо ослабить эмиссию помех, обусловленную гальваническими связями с источниками, или проникновение таких помех через чувствительный элемент, предотвратить возникновение перенапряжений в потенциальных источника помех и ограничить опасные для изоляции перенапряжения или для функционирования напряжения помех, а также ослабить излучаемые источником электромагнитные поля и предотвратить проникновение этих полей через чувствительные элементы. Для этого используются пассивные помехоподавляющие устройства в виде фильтров, ограничителей напряжения и экранов. В зависимости от решаемой задачи они могут быть установлены непосредственно у чувствительного элемента (рис. 4.1, б) или у источника (рис. 4.1, в). Наглядно защитное действие таких компонентов представляется в виде отношения z/z_r.

Рис. 4.1. Взаимные расположения источника помех Q, приемника S и защитного компонента Е: а - защита отсутствует; б - защита прием­ника; в - подавление помехи х у источника

Фильтры

Принцип действия

Помехоподавляющие фильтры представляют собой элементы для обеспечения затухания поступающей по проводам помехи. Целесообразное их применение предполагает, что спектральные составляющие полезного сигнала и помехи достаточно отличаются друг от друга. Это позволяет при соответствующих параметрах фильтра обеспечить селективное демпфирование помехи при отсутствии заметного искажения полезного сигнала. При этом собственно эффект демпфирования достигается делением напряжения. Поясним эго на простейшем примере.

Если в низкочастотный контур полезного сигнала (полезные величины на рис. 4.2, а) поступает высокочастотное напряжение помехи , то на полном сопротивлении приемника появляется составляющая напряжения помехи

(4.1)

Введение зависящего от частоты продольного полного со­противления (рис. 4.2, б), например, в форме ωL, представля­ющего для низкочастотного тока - очень малое, а для высоко­частотного тока - очень большое сопротивление, обеспечива­ет ослабление помехи, и составляющая, напряжения помехи снижается до

(4.2.)

Достигаемый эффект затухания можно характеризовать ко­эффициентом затухания - отношением падений напряжений на при наличии и без него:

. (4.3.)

Коэффициент затухания приводится, как правило, в виде логарифма отношения напряжений и выражается в децибелах:

. (4.4)

Рис. 4.2. Цепь без фильтра (а) и с фильтром (б)

Рис. 4.3. Токовый контур с фильтром

Согласно (4.3) эффект затухания зависит не только от , но и от полных сопротивлений и .

В общем случае, фильтр F любой структуры представляет собой четырехполюсник, объединяющий источник помехи и приемник (рис. 4.3). Для расчета фильтра пригодны известные соотношения:

(4.5)

(4.6)

Где - комплексные параметры четырехполюсника.

Их конкретные значения для простейших фильтровых структур представлены в табл. 4.1.

Далее (рис. 4.3) можно записать:

(4.7)

(4.8)

Напряжение на входе приемника без фильтра определяется как

(4.9)

Аналогично (4.4) ослабление сигнала в фильтре описывает как логарифм отношения напряжений на входе приемника без фильтра и с фильтром :

. (4.10)

Коэффициент затухания в фильтре любой структуры в соответствии с (4.5)-(4.10) можно выразить как

. (4.11)

Таблица 4.1.

Параметры четырехполюсников простейших схем фильтров

Схема	Коэффициент

Таблица 4.1. (Продолжение)

Отсюда следует, что коэффициент затухания зависит, с од­ной стороны от параметров фильтра (см. табл. 4.1), а с другой - от полных сопротивлений участвующих в процессе источника и приемника помех, что уже отмечалось в связи с обсуждением (4.4). Коэффициент затухания в зависи­мости от конкретных условий может иметь сильно различаю­щиеся значения для одного и того же фильтра (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Кажущееся сопротивление электроэнергетических сетей: 1 - жилые территории с воздушными линиями электропередачи; 2 – публикация 3 CISFR; 3 – промышленные сети; 4 - жилые территории с кабельными линиями

Один и тот же фильтр при различных условиях, т.е. в зависимости значения и частотных характеристик полных сопротивлений и , может вызывать сильно различающееся затухание. Поэтому, практически невозможно задать общую характеристику фильтра независимо от конкретных условий, и приводимые в фирменных каталогах значения коэффициента затухания фильтров согласно (4.10) относятся всегда к особому случаю системного согласования ( )и к средним значениям и ,например 50, 60, 150 или 600 Ом. Соответствующе нормированные в международном масштабе схемы для измерения коэффициента затухания а_е (f) приведены на рис. 4.5.

Паспортные данные о коэффициенте затухания а_е (f) можно использовать лишь при конкретных обстоятельствах, a именно в качестве показателя качества при изготовлении фильтра или как характеристику при сравнении фильтров одинаковой конструкции, поставляемых различными изготовителями, также при анализе фильтрового действия в сопоставимых схемах.

Рис. 4.5. Схемы для измерений симметричного (а) и асимметричного коэффициентов затуханий (б) а_е фильтров:

при = = 50 Ом из (4.10) следует а_е = 20 lg U₀/2 U₂,дБ, так как U₂₀ = U₀/2 согласно (4.9).

Рекомендации по выбору структуры фильтра

Таблица 4.2

Сопротивление источника	Схема фильтра	Сопротивление приемника
Мало		Мало
Велико		Велико
Мало		Велико
Велико		Мало
Мало, неизвестно		Мало, неизвестно
Велико, неизвестно		Велико, неизвестно

Во всех остальных случаях фактическая эффективность фильтра определяется лишь экспериментально в соответствии с (4.10) или же расчетным путем согласно (4.11), если точно известно соотношение полных сопротивлений и .

Если значения и известны приблизительно, выбор под­ходящей фильтровой структуры может производиться с ис­пользованием данных табл. 4.2.

Фильтровые элементы

Основными составными элементами фильтров являются ка­тушки индуктивности и конденсаторы. Они могут использо­ваться для подавления помех отдельно или в комбинации друг с другом (см. табл. 4.2). Рисунки 4.6 и 4.7 дают общие пред­ставления о важнейших видах исполнения фильтров. Фильтро­вые элементы представляют собой в зависимости от номиналь­ного напряжения и пропускной способности по току приборы для монтажа в помещениях, компактные элементы, встраивае­мые в шкафы, приборы, в разъемы или чип-элементы для мон­тажа на печатных платах.

Рис. 4.6. Примеры выполнения помехоза­щитных конденсаторов:

а - конденсатор с двумя выводами; б - конденсатор-ввод с тремя выводами; в - конденсатор-четырехполюсник; г - много­элементный конденсатор

Рис. 4.7. Примеры выполнения помехоза­щитных катушек с рабочим током , и синфазным током помехи :

а - стержневая катушка; б - простей­шая катушка с кольцевым сердечником; в - кольцевая катушка с двумя встречны­ми обмотками и компенсацией магнит­ного потока, создаваемого рабочим током ; г - ферритовые кольца; д - ферритовые сердечники для плоских жгутов; е - линии с повышенным затуханием, с охва­тывающей оболочкой из материала с вы­соким затуханием; ж - ферритовые плас­тины со многими отверстиями для ште­керных соединений и интегральных схем

Двухполюсные конденсаторы (рис. 4.6, а) в зависимости oт соединения их в токовую цепь (между прямым и обратным проводами или же между проводом и землей) пригодны для защиты как от синфазных, так и от противофазных помех (рис. 4.8, б). Конденсаторы-вводы (рис. 4.6, б) при соединении с корпусом служат для защиты только от синфазных помех (рис. 4.8, б). Конденсаторы-четырехполюсники (рис. 4.6, в) защищают от противофазных помех (рис. 4.8, в), а многосекционные конденсаторы (рис. 4.6, г) - как от противофазных, так и синфазных помех (рис. 4.8, г).

Рис. 4.8. Защита катушками индуктивности и конденсаторами от синфазных и противофазных токов помех (пояснения см. в тексте):

Q₁, Q₂ - источники противофазных I_d и синфазных I_c токов помех; С_Е - паразитные емкости участка схемы относительно заземленного корпуса.

Защитные катушки индуктивности представляют собой катушки с возможно малыми емкостью и активным сопротивлением обмотки. Они имеют замкнутые или разомкнутые сердечники (стержни, кольца из ферромагнитного материала - трансформаторной стали, металлооксидной керамики, прессованно­го порошка из карбонильного железа). Катушки индуктив­ности со стержневым или простым кольцевым сердечником (рис. 4.7, а, б) демпфируют как синфазные, так и противофаз­ные сигналы (рис. 4.8, д).

Так как в катушках индуктивности с сердечниками магнит­ная цепь не замкнута, то их магнитная проницаемость и ин­дуктивность практически не зависят от рабочего тока. Впрочем, при больших токах габаритные размеры таких катушек индук­тивности велики. Меньшие размеры имеют катушки индуктив­ности со скомпенсированным магнитным полем или током (рис. 4.7, в), в которых магнитное поле, создаваемое рабочим то­ком I_b, компенсируется благодаря встречному включению об­моток. Такие катушки индуктивности демпфируют лишь син­фазные токи 1_с (рис. 4.8, е). Это же относится к ферритовым кольцам (рис. 4.7, г), одеваемым на провода или на плоские жгу­ты (рис. 4.7, д), к линиям с усиленным затуханием (рис. 4.7, е), имеющим, в частности, при частотах f>1 МГц хорошие показа­тели затухания, к ферритовым пластинам со многими отверс­тиями (рис.45.7, ж), применяемым в разъемах и внутренних соединениях.

При использовании катушек индуктивности и конденсаторов для фильтрации следует иметь в виду, что любой конденсатор наряду с емкостью С обладает паразитной индуктивностью L_p,зависящей от длины выводов конденсатора. Она особенно ве­лика у двухполюсных конденсаторов и мала у коаксиальных конденсаторов-вводов. Каждая катушка индуктивности в дополнение к ее индуктивности L имеет паразитную емкость С. Поэтому для кажущегося сопротивления существует зависи­мость от частоты, представленная на рис. 5.9, обладающая peзонансной точкой, в отличие от

Рис. 4.9. Частотные зависимости кажущихся сопротивлений конденсатора (а) и катушки индуктивности (б)

Рис. 4.10. Значения собственных резонансных частот f0 помехоподавляющих конденсаторов в зависимости от их емкости С

идеальной характеристики. Сведения о собственных резонансных частотах конденсаторов, применяемых для подавления помех, приведены на рис. 4.10. Пренебрегая активной составляющей, можно для зависимос­тей на рис. 4.9 использовать следующие выражения.

Для конденсаторов (рис. 4.9, а) кажущееся сопротивление

(4.12)

Идеальная характеристика при отсутствии L_p рассчитывается как

. (4.13)

Реальная характеристика с учетом L_p:

(4.14)

где .

Для катушек индуктивности (рис. 4.9, б) кажущееся сопро­тивление

(4.15)

идеальная характеристика при отсутствии С_р

; (4.16)

реальная характеристика с учетом С_р

. (4.17)

Здесь .

В дополнение к сказанному определим коэффициент затухания, дБ, фильтра - поперечного конденсатора (например, С_Х на рис. 4.8, а), обладающего индуктивностью, в режиме согласования ( ).

При из (4.11)

. (4.18)

При кажущемся сопротивлении конденсатора и для резонансной частоты коэффициент затухания

. (4.19)

Для частот, отличающихся от , можно использовать сле­дующие приближения:

- при и

; (4.20)

- при и

. (4.21)

На рис. 4.11 показаны прямые, рассчитанные по (4.20) и (4.21) для определенного значения Z_A, а также зависимость коэффи­циента затухания а_в от частоты при различных С и L_p. Уравнения (4.19)-(4.21) совместно с рис. 4.11 показывают, что при задан­ной емкости С коэффициент затухания а_е тем выше, чем боль­ше Z_A и меньше паразитная индуктивность конденсатора L_p.

Отсюда можно сделать два вывода:

-не каждый имеющийся в распоряжении конденсатор можно использовать в качестве помехоподавляющего;

-емкостный фильтр предпочтителен, если имеют место высо­кие сопротивления источника и приемника помех (см. табл. 4.2).

Рис. 4.11. Коэффициент затухания ае фильтра, состоящего из реальных кон­денсаторов, в зависимости от частоты f: > > ; > > >

Коэффициент затухания фильтра любой другой структуры можно таким же образом приближенно или точно рассчитать. Рисунок 4.12, б дает представление о затухании LC-фильтра с реальными элементами (рис. 4.12, а); в зависимости от диапазо­на частот коэффициент затухания определяется параметрами фильтра L, С или паразитными параметрами L_p, C_p. При низких частотах, когда элементы фильтра можно считать идеальны­ми, коэффициент затухания а_е увеличивается пропорциональ­но квадрату частоты. Затем начинает сказываться влияние па­разитных параметров L_p и С_р, и а_е остается приблизительно не­изменным. При высоких частотах эффект демпфирования в ос­новном определяется паразитными параметрами L_p, C_p, и ко­эффициент а_е уменьшается обратно пропорционально квадра­ту частоты.

Все предыдущие рассуждения относятся к случаю синусои­дальной помехи. Если имеет место импульсная помеха, то не­обходимо определить ее спектр и на основании изложенного материала можно определить коэффициент затухания.

Отметим, что демпфирующие свойства фильтра при импульс­ном воздействии не всегда выражаются зависимостью а_е от часто­ты, так как часто затрудняется переход от частотной области во временную вследствие нелинейности элементов фильтра, в частности катушек индуктивности.

Рис. 4.12. Коэффициент затухания а_е фильтра LC :

а - схема замещения фильтра; б - принципиальная частотная зависимость коэффициента затухания а_е

Однако при известной фор­ме импульса помехи (рис. 4.13) в первом приближении можно при выборе фильтра исходить из того, что область пропускания фильтра должна достигать по крайней мере частот f_g = 1/Δt или f_g = l/T_r Например, при времени нарастания Т_r = 5нс час­тота f_g = 200 МГц.

Рис. 4.13. Формы импульсов

Сетевые фильтры

Сетевые помехоподавляющие фильтры представляют собой фильтры низких частот, свободно пропускающие напряжение сети (полезный сигнал) и фильтрующие содержащиеся в сети высокочастотные составляющие (гармонические, в том числе и образующие спектр импульсных помех). Их применение пре­следует две цели: во-первых, защиту устройства от помех, по­ступающих из сети питания, и, во-вторых, снижение уровня эмиссии возможной помехи, исходящей от прибора по проводам питания. Продольный элемент фильтра выбирается с учетом потребляемого из сети тока. Хотя обычно значение полного со­противления источника и приемника помех неизвестно, час­то можно принять сопротивление со стороны сети малым, а со стороны нагрузки - большим. В связи с этим для защиты при­боров от помех со стороны сети доминируют фильтры (см. стро­ку 3 в табл. 4.2). На рис. 4.14 приведена схема фильтра, содержащего катушку индуктивности со скомпенсированным магнитным полем. Фильтр содержит конденсатор С_Х для демпфирования симметричных напряжений помехи и два конденсатора

Рис. 4.14. Пример сетевого фильтра на 250 В, 1А:

а - схема, С_х = 0,1 мкФ, С_у = 2x3 нФ, L = 2x3,7 мГн; б - частотная зависимость а_е, схемы измерений согласно рис. 4.5; 1 - асимметричные помехи; 2 — симмет­ричные помехи

Рис. 4.15. Пример трехфазного сетевого фильтра на 440 В, 16 А : а - схема, L1 = 60 мкГн, L2 = 4,4 мГн, Сх= 2,2 мкФ, Су = 15 нФ, R - разрядные сопротивления; б - частотная зависи­мость ае: 1 - асимметричные помехи; 8 - симметричные помехи

C_Y для отвода асимметричных токов помехи. Впрочем, существует множество вариаций фильтров, различающихся в зависимости от изготовителя схемными и конструктивными деталями и поэтому обладающих различ­ными демпфирующими свойствами.

В заключение приведем схему и частотную характеристику трехфазного сетевого фильтра (рис. 4.15).

Через типичные для сетевых фильтров конденсаторы, вклю­ченные между проводами сети и, как правило, заземленным корпусом прибора (C_Y на рис. 4.14 и 4.15), в нормальном режиме протекает ток. При этом не должно создаваться опасности при прикосновении к корпусу прибора в отсутствие или поврежде­нии заземляющего провода. Поэтому ток через конденсаторы не должен превышать значений, лежащих в диапазоне 0,75-3 мА, что соответствует предельному значению емкости конденсаторов С_у.

Приведенный пример иллюстрирует, что при использовании фильтров необходимо удовлетворять требованиям соответствуощих норм по технике безопасности (напр. VDE 0565).

Ограничители перенапряжений

Принцип действия

Ограничители перенапряжений - специальные элементы, защитные схемы и приборы - служат для снижения перенапряжений в электроэнергетических и информационно-электронных системах, вызванных молнией, разрядами статического электричества коммутационными процессами или другими причинами. Для обеспечения электромагнитной совместимости они выполняют защитные функции с целью предотвратить, в первую очередь, выход из строя электрических и электронных средств и вызванные этим нарушения нормального функционирования системы.

Рис. 4.16. Ограничение перенапряжений при помощи нелинейного сопротивле­ния R_В: а - схема без защиты; б - схема с защитой; в - изменение напряжений во времени; U_SF — импульсная прочность входной цепи

Принцип действия ограничителей базируется на использова­нии резисторов R_B, обладающих нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис. 4.16). В конкретных случаях она выбира­ется такой, чтобы в допустимых пределах изменения рабочего напряжения имело место очень большое сопротивление, а при превышении заданного напряжения - очень малое. Вместе с сопротивлением источника помехи ограничитель образует схе­му нелинейного делителя напряжения (рис. 4.16, б), который и снижает переходное перенапряжение до допустимого значения

, (4.22)

не превышающего импульсную электрическую прочность защи­щаемого элемента (рис. 4.16, в).

Защитные элементы

Для ограничения перенапряжений используются защитные разрядные промежутки, варисторы и лавинные диоды. Соответ­ственно физические принципы действия этих устройств раз­личны. Поэтому такие характеристики защитных элементов, как напряжение и время срабатывания, уровень ограничения, степень точности ограничения напряжения, допустимая токо­вая нагрузка, остаточное сопротивление, гасящие свойства и другие, сильно различаются.

Разрядники конструктивно изготовля­ются в виде воздушных, газонаполненных устройств или эле­ментов со скользящим разрядом. На практике они выполняют функции грубой защиты. Газонаполненный разрядник представляет собой два электрода с фиксированным расстоянием между ними, помещенными в герметичный керамический или стеклянный корпус, заполненный инертным газом. Защищае­мую систему такой разрядник нагружает слабо, так как сопротивление изоляции между электродами составляет более 10¹⁰ Ом, а емкость - менее 10 пФ. Если воздействующее напряжение превышает напряжение пробоя , то происходит разряд между электродами, при этом сопротивление разрядника понижается приблизительно на 10 порядков. Напряжение на разряднике понижается до значения , обусловленного тлеющим разрядом, или же, если это допускает соотношение сопротивлений цепи, до значения дугового напряжения U_B (рис. 4.17).

Напряжение пробоя U_Z газонаполненного разрядника зависит от изменения воздействующего напряжения du/dt (рис. 4.18). При du/dt = 100 В/с определяется статическое U_Zs, а при du/dt = 1 кВ/мкс - динамическое напряжение U_Zd пробоя разрядника (600-700 В). Типичное изменение напряжения на разряднике во времени приведено на рис. 4.17. При очень коротких импульсаax напряжения (менее 30 нс) газонаполненный разрядник нe срабатывает.

Газонаполненные разрядники надежно пропускают стандартные токи (8/20 мкс) амплитудой до нескольких десятков килоампер, однако они способны самостоятельно гасить токи, не превышающие 1 А. Поэтому их применение в цепях электро­снабжения требует последовательного включения защитного устройства, способного отключить возможный сопровождающий ток.

Рис. 4.17. Вольт-амперная характеристика газонаполненного разрядника с ориен­тировочными значениями напряжений тлеющего (u_G) и дугового (U_В) разрядов: U_Z - напряжение зажигания (см. рис. 4.18); 1 - область начальных и тлеющих разрядов; 2 - область дуговых разрядов

Рис. 4.18. Характеристики зажигания газонаполненного разрядника (1) и раз­рядника со скользящим разрядом (2): UZs - статическое напряжение срабатывания; UZd - динамическое напряже­ние срабатывания	Рис. 4.19. Типичная характеристика зажигания газонаполненного разрядника

Воздушные защитные промежутки образуются электродами, находящимися в окружающем воздухе. Их разрядные и рабо­чие характеристики близки к характеристикам газонаполнен­ных разрядников. Так как они не способны обрывать сопровож­дающие токи, то их применение в качестве ограничительных элементов в цепях электроснабжения возможно лишь в ком­бинации с предохранителями или варисторами, выполняющими функции дугогашения.

Находят также применение и закрытые воздушные (так назы­ваемые разделительные) промежутки в местах сближения грозозащитных устройств с другими заземленными частями устройства или металлическими конструкциями, которые по условиям коррозионной стойкости не должны быть гальвани­чески долго соединены друг с другом. При грозовых воздейст­виях защитные промежутки устанавливаются там, где должны происходить пробои, тем самым устраняются неконтролируемые перекрытия и гарантируется выравнивание потенциалов в тече­ние грозового разряда частей устройства, отделенных друг от друга в нормальном режиме.

Разрядники со скользящим разрядом содержат между элект­родами изоляционный материал. Вольт-секундные характерис­тики таких разрядников более пологие, чем газонаполненных (рис. 4.18). Поэтому независимо от крутизны импульс перенапря­жения ограничивается до значения 2-3 кВ. Такие разрядники способны самостоятельно обрывать сопровождающие токи, и поэтому они более подходят для грубой защиты в цепях элект­ропитания.

Рис. 4.20. Типичные вольт-амперные характеристики варисторов в линейных (а) и логарифмических (б) координатах:

I - область токов утечек; II - область импульсных токов; III - диапазон ра­бочих напряжений; IV - область перенапряжений

Варисторы (Variable Resistors) представляют собой элементы с симметричной вольт-амперной характеристикой (рис. 4.20). При I > 0 она выражается в виде

, (4.23)

где K - постоянная, зависящая от размеров резистора; - показатель, зависящий от материала.

Для применяемых в настоящее время металлооксидных варисторов на базе оксида цинка значение находится в пределах от 25 до 40.

Эффект ограничения напряжения основан на том, что при превышении рабочего напряжения, рассчитанного по (4.23), со­противление

(4.24)

уменьшается на много порядков (рис. 4.20, б).

Защитный уровень варисторов в зависимости от их исполне­ния может лежать как в диапазоне низких, так и высоких на­пряжений, причем они способны поглотить значительную энергию. Их время срабатывания сравнительно мало и составляет десятки наносекунд. Оно определяется индуктивностью токопроводов. Собственная емкость варисторов велика (0,4-40 нФ), и поэтому их применение для ограничения перенапряжений в высокочастотных системах исключено. Конструктивно варисторы выполняются в виде шайб, блоков, также втулок для разъемных соединений. На практике варисторы используют преимущественно для грубой защиты.

При часто повторяющихся перенапряжениях варистор нагревается и сопровождающий ток возрастает. Этот эффект можно использовать для контроля функциональных способностей варистора.

Кремниевые лавинные диоды обладают свойством не повреждаться при воздействии напряжения, превышающего граничные, при котором они находятся в закрытом состоянии. Их разновидность - так называемые Z-диоды (стабилитроны) ( напряжением U_Z - 3 ÷ 200 В (рис. 4.21) давно используются в электронных схемах для стабилизации напряжения и защиты от перенапряжений. Разработаны и специальные лавинные диоды, предназначенные для ограничения переходных перенапряжений, отличающиеся от обычных Z-диодов более высокой пропускной способностью по току, малым временем запаздывания (пикосекунды), большой поглощаемой энергией. Такие диоды выпускаются под названием ограничителей перенапряжений, супрессдиодов (ограничительных стабилитронов) трансвильдиодов или ТА Z-диодов (ТА Z - от Transient Absorbing Zener).

На рис. 4.22 приведена характеристика ограничительной стабилитрона. Она аналогична характеристике Z-диода. Напряжение U_R - максимальное напряжение, при котором диод еще закрыт; U_B - напряжение начала ограничения, при котором ток I = 1 мА; U_С - напряжение ограничения для импульса тока I_рр (8/20 мкс).

Достигаемые уровни ограничения напряжения лежат в диапазоне 6-440 В.

Рис. 4.21. Вольт-амперная характеристика 2-диода с напряжением Ug = 3 + 200 В	Рис. 4.22. Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его важнейшие пара­метры

Экранирование

Принцип действия экранов

Экранирование служит для ослабления электрических, маг­нитных и электромагнитных полей, а именно для того, чтобы исключить проникновение и воздействие таких полей на элементы, блоки, приборы, кабели, помещения и здания, а также для того, чтобы подавить исходящие из электрических и элект­ронных промышленных средств и устройств помехи, обуслов­ленные полями. Экран устанавливается между источником и приемником помех и снижает напряженности Е₀, Н₀ воздейст­вующего поля до значений E₁ H₁ за экраном (рис. 4.23). Физи­чески экранирование объясняется наведением на поверхности экрана заряда или индуктированием в нем тока, поле которых накладывается на воздействующее, ослабляя его. Тем самым как бы удаляется чувствительный приемник помехи от источ­ника.

На эффективность экранирования оказывают существенное влияние частота поля, электропроводность и магнитная прони­цаемость материала экрана, конфигурация и размеры экрана.

Для уточнения этих общих положений будем исходить из то­го, что экранирование осуществляется частично поглощением энергии поля материалом экрана (коэффициент затухания а_SA обусловленный поглощением), а частично - отражением па­дающей волны (коэффициент затухания a_SR, обусловленный отражением).

Рис. 4.23. Экранирование токовых контуров от внешних электрических и маг­нитных полей: а - принципиальное расположение контуров 1, 2 и экрана S; б - граница меж­ду условиями ближнего (нижняя левая часть) и дальнего (верхняя правая часть) полей

Результирующий коэффициент затухания, дБ, можно определить как

(4.25)

Или же

(4.26)

Т.е. состоит из двух компонентов:

. (4.27)

При этом не учитываются многократные отражения от стенок экрана и помещения.

Для установления существенных взаимосвязей между этими коэффициентами затухания и характеристиками магнитного поля, а также размерами экрана и свойствами его материала удобно воспользоваться понятием полных сопротивлений по аналогии с распространением волн в электрически длинной двухпроводной линии.

В зависимости от расстояния х приемника помехи от источника (рис. 4.23, а) и частоты f в ближней или дальней областях (рис.4.23, б) для определения коэффициентов затухания и , дБ, пригодны следующие выражения:

для магнитного поля в ближней зоне (x<c/2πf)