Принципы экранирования магнитного поля

Для экранирования магнитного поля применяются два метода:

- метод шунтирования;

- метод магнитного поля экраном.

Рассмотрим подробнее каждый из этих методов.

Метод шунтирования магнитного поля экраном.

Метод шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экраны изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью (сталь, пермаллой). При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам (рисунок 8.15), которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана. Качество экранирования зависит от магнитной проницаемости экрана и сопротивления магнитопровода, т.е. чем толще экран и чем меньше швов, стыков, идущих поперек направления линий магнитной индукции, эффективность экранирования будет выше.

Метод вытеснения магнитного поля экраном.

Метод вытеснения магнитного поля экраном применяется для экранирования переменных высокочастотных магнитных полей. При этом используются экраны из немагнитных металлов. Экранирование основано на явлении индукции. Здесь явление индукции полезно.

Поставим на пути равномерного переменного магнитного поля (рисунок 8.16, а) медный цилиндр. В нем возбудятся переменные ЭД, которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко). Магнитное поле этих токов (рисунок 8.16,б) будет замкнутым; внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле (рисунок 8.16, в) оказывается ослабленным у цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие, которое будет тем эффективнее, чем меньше электрическое сопротивление цилиндра, т.е. чем больше протекающие по нему вихревые токи.

Благодаря поверхностному эффекту («скинэффекту») плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону

, (8.5)

где (8.6)

– показатель уменьшения поля и тока, которое называется эквивалентной глубиной проникновения.

Здесь – относительная магнитная проницаемость материала;

– магнитная проницаемость вакуума, равная 1.25*10⁸ гн*см^-1;

– удельное сопротивление материала, Ом*см;

– частота, Гц.

Величиной эквивалентной глубины проникновения удобно характеризовать экранирующий эффект вихревых токов. Чем меньше х₀ , тем больше создаваемое ими магнитное поле, вытесняющее из пространства занятого экраном, внешнее поле источника наводки.

Для немагнитного материала в формуле (8.6) =1, экранирующий эффект определяется только и . А если экран сделать из ферромагнитного материала?

При равных эффект будет лучше, так как >1 (50..100) и х₀ будет меньше.

Итак, х₀ является критерием экранирующего эффекта вихревых токов. Представляет интерес оценить, во сколько раз плотность тока и напряженность магнитного поля становится меньше на глубине х₀ по сравнению, чем на поверхности. Для этого в формулу (8.5) подставим х=х₀ , тогда

откуда видно, что на глубине х₀ плотность тока и напряженность магнитного поля падают в е раз, т.е. до величины 1/2.72, составляющей 0.37 от плотности и напряженности на поверхности. Так как ослабление поля всего в 2.72 раза на глубине х₀ недостаточно для характеристики экранирующего материала, то пользуются еще двумя величинами глубины проникновения х_0,1 и х_0,01 , характеризующими падение плотности тока и напряжения поля в 10 и 100 раз от их значений на поверхности.

Выразим значения х_0,1 и х_0,01 через величину х₀ , для этого на основание выражения (8.5) составим уравнение

и ,

решив которые получим

х_0.1=х₀ln10=2.3x₀; (8.7)

х_0.01=х₀ln100=4.6x₀

На основании формул (8.6) и (8.7) для различных экранирующих материалов в литературе [1] приведены значения глубин проникновения. Эти же данные, с целью наглядности, приведем и мы в виде таблицы 8.1.

Из таблицы видно, что для всех высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5..1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует исходить не из электрических свойств материала, а руководствоваться соображениями механической прочности, жесткости, стойкости против коррозии, удобства стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобства пайки, сварки и пр.

Из данных таблицы следует, что для частот больше 10 МГЦ пленка из меди и тем более из серебра толщиной меньше 0.1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием.

Сталь можно использовать в качестве экранов, только нужно помнить, что из-за большого удельного сопротивления и явления гистерезиса экран из стали может вносить в экранирующие цепи значительные потери.

Фильтрация

Фильтрация является основным средством ослабления конструктивных помех, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного и переменного тока ЭС. Предназначенные для этой цели помехоподавляющие фильтры позволяют снижать кондуктивные помехи, как от внешних, так и от внутренних источников. Эффективность фильтрации определяется вносимым затуханием фильтра:

дБ,

где U₁ , I₁ – напряжение и ток нагрузки в исходном состоянии;

U₂ , I₂ – напряжение и ток помех на нагрузке в цепи с фильтром.

К фильтру предъявляются следующие основные требования:

- обеспечение заданной эффективности S в требуемом частотном диапазоне (с учетом внутреннего сопротивления и нагрузки электрической цепи);

- ограничение допустимого падения постоянного или переменного напряжения на фильтре при максимальном токе нагрузки;

-обеспечение допустимых нелинейных искажений питающего напряжения, определяющих требования к линейности фильтра;

- конструктивные требования – эффективность экранирования, минимальные габаритные размеры и масса, обеспечение нормального теплового режима, стойкость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность конструкции т.д.;

Элементы фильтра должны выбираются с учетом номинальных токов и напряжений электрической цепи, а также вызванных в них бросков напряжений и токов, вызванных нестабильностью электрического режима и переходными процессами.

Основные рекомендации по применению помехоподавляющих элементов и фильтров ЭС следующие.

Конденсаторы. Применяются как самостоятельные помехоподавляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Конструктивно помехоподавляющие конденсаторы делятся на:

- двухполюсные типа К50-6, К52-1Б, ЭТО, К53-1А;

- опорные типа КО, КО-Е, КДО;

- проходные некоаксиальные типа К73-21;

- проходные коаксиальные типа КТП-44, К10-44, К73-18, К53-17;

- конденсаторные блоки;

Основной характеристикой помехоподавляющего конденсатора является зависимость его импеданса от частоты. Для ослабления помех в диапазоне частот примерно до 10МГц можно использовать двухполюсные конденсаторы с учетом малой длины их выводов. Опорные помехоподавляющие конденсаторы применяются до частот 30-50 МГц. Симметричные проходные конденсаторы используются в двухпроводной цепи до частот порядка 100 МГц. Проходные конденсаторы работают в широком диапазоне частот примерно до 1000 Мгц.

Индуктивные элементы. Применяются как самостоятельные элементы подавления помех и как последовательные звенья помехоподавляющих фильтров. Конструктивно наиболее распространены дроссели специальных видов:

- витковые на ферромагнитном сердечнике;

- безвитковые.

Основной характеристикой помехоподавляющего дросселя является зависимость его импеданса от частоты. При низких частотах рекомендуется применение магнитодиэлектрических сердечников марок ПП90 и ПП250, изготовленных на основе м-пермалоя. Для подавления помех в цепях аппаратуры с токами до 3А рекомендуется использовать ВЧ- дроссели типа ДМ, при больших номинальных значениях токов – дроссели серии Д200.

Фильтры. Керамические проходные фильтры типа Б7, Б14, Б23 предназначены для подавления помех в цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов в диапазоне частот от 10 МГц до 10ГГц. Конструкции таких фильтров представлены на рисунке 8.17

Вносимые фильтрами Б7, Б14, Б23 затухания в диапазоне частот 10..100 МГц возрастает приблизительно от 20..30 до 50..60 дБ и в диапазоне частот свыше 100 МГц превышает 50 дБ.

Керамические проходные фильтры типа Б23Б построены на основе дисковых керамических конденсаторов и безвитковых ферромагнитных дросселей (рисунок 8.18).

Безвитковые дроссели представляют собой трубчатый ферромагнитный сердечник из феррита марки 50 ВЧ-2 , одетый на проходной вывод. Индуктивность дросселя составляет 0.08…0.13 мкГн. Корпус фильтра выполнен из керамического материала УФ-61, имеющего высокую механическую прочность. Корпус металлизирован слоем серебра для обеспечения малого переходного сопротивления между наружной обкладкой конденсатора и заземляющей резьбовой втулкой, с помощью которой осуществляется крепление фильтра. Конденсатор по наружному периметру припаян к корпусу фильтра., а по внутреннему – к проходному выводу. Герметизация фильтра обеспечивается заливкой торцов корпуса компаундом.

Для фильтров Б23Б:

номинальные емкости фильтров – от 0.01 до 6.8 мкФ,

номинальное напряжение 50 и 250В,

номинальный ток до 20А,

Габаритные размеры фильтра:

L=25мм, D= 12мм

Вносимое фильтрами Б23Б затухание в диапазоне частот от 10 кГц до 10 МГц возрастает приблизительно от 30..50 до 60..70 дБ и в диапазоне частот свыше 10 МГц превышает 70 дБ.

Для бортовых ЭС перспективным является применение специальных помехоподавляющих проводов с ферронаполнителями, имеющими высокую магнитную проницаемость и большие удельные потери. Так у проводов марки ППЭ вносимое затухание в диапазоне частот 1…1000 МГц возрастает с 6 до 128 дБ/м.

Известна конструкция многоштыревых разъемов, в которых на каждый контакт устанавливается по одному П-образному помехоподавляющему фильтру.

Габаритные размеры встроенного фильтра :

длина 9.5 мм,

диаметр 3.2 мм.

Вносимое фильтром затухание в 50-омной цепи составляет 20 дБ на частоте 10МГц и до 80 дБ на частоте 100МГц.

Фильтрация цепей питания цифровых РЭС.

Импульсные помехи в шинах питания, возникающие в процессе коммутации цифровых интегральных схем (ЦИС), а также проникающие внешним путем, могут приводить к появлению сбоев в работе устройств цифровой обработки информации.

Для снижения уровня помех в шинах питания применяются схемно-конструкторские методы:

- уменьшение индуктивности шин «питание», с учетом взаимной магнитной связи прямого и обратного проводников;

- сокращение длин участков шин «питания», которые являются общими для токов для различных ЦИС;

- замедление фронтов импульсных токов в шинах «питание» с помощью помехоподавляющих конденсаторов;

- рациональная топология цепей питания на печатной плате.

Увеличение размеров поперечного сечения проводников приводит к уменьшению собственной индуктивности шин, а также снижает их активное сопротивление. Последнее особенно важно в случае шины «земля», в которая является обратным проводником для сигнальных цепей. Поэтому в многослойных печатных платах желательно выполнить шины «питание» в виде проводящих плоскостей, расположенных в соседних слоях (рисунок 8.19).

Навесные шины питания, применяемые в печатных узлах на цифровых ИС, имеют большие поперечные размеры по сравнению с шинами, выполненными в виде печатных проводников, а следовательно, и меньшую индуктивность и сопротивление. Дополнительными преимуществами навесных шин питания являются:

- упрощенная трассировка сигнальных цепей;

- повышение жесткости ПП за счет создания дополнительных ребер, выполняющих роль ограничителей, которые предохраняют ИС с навесными ЭРЭ от механических повреждений при монтаже и настройке изделия (рисунок 8.20).

Высокой технологичностью отличаются шины «питания», изготовленные печатным способом и крепящиеся на ПП вертикально (рисунок 6.12в ).

Известны конструкции навесных шин, установленных под корпус ИС, которые располагаются на плате рядами (рисунок 8.22).

Рассмотренные конструкции шин «питания» обеспечивают также большую погонную емкость, что приводит к уменьшению волнового сопротивления линии «питания» и, следовательно, снижению уровня импульсных помех.

Разводка питания ИС на ПП должно осуществляться не последовательно (рисунок 8.23а), а параллельно (рисунок 8.23б)

Необходимо использовать разводку питания в виде замкнутых контуров (рис.8.23в). Такая конструкция приближается по своим электрическим параметрам к сплошным плоскостям питания. Для защиты от влияния внешнего помехонесущего магнитного поля по периметру ПП следует предусмотреть внешний замкнутый контур.

Заземление

Система заземления – это электрическая цепь, обладающая свойством сохранять минимальный потенциал, являющийся уровнем отсчета в конкретном изделии. Система заземления в ЭС должна обеспечивать сигнальные и силовые цепи возврата, защитить людей и оборудование от неисправностей в цепях источников питания, снимать статические заряды.

К системам заземления предъявляют следующие основные требования :

1) минимизация общего импеданса шины «земля»;

2) отсутствие замкнутых контуров заземления, чувствительных к воздействию магнитных полей.

В ЭС требуется как минимум три раздельные цепи заземления:

- для сигнальных цепей с низким уровнем токов и напряжений;

- для силовых цепей с высоким уровнем потребляемой мощности (источники питания, выходные каскады ЭС и т.д.)

- для корпусных цепей (шасси, панелей, экранов и металлизации).

Электрические цепи в ЭС заземляются следующим способами: в одной точке и в нескольких точках, ближайших к опорной точке заземления (рисунок 8.24)

Соответственно системы заземления могут быть названы одноточечной и многоточечной.

Наибольший уровень помех возникает в одноточечной системе заземления с общей последовательно включенной шиной «земля» (рисунок 8.24 а).

Чем дальше удалена точка заземления, тем выше её потенциал. Её не следует применять для цепей с большим разбросом потребляемой мощности, так как мощные ФУ создают большие возвратные токи заземления, которые могут влиять на малосигнальные ФУ. При необходимости наиболее критичный ФУ следует подключить как можно ближе к точке опорного заземления.

Одноточечная параллельная система заземления (рисунок 8.24 б) исключает паразитную связь через импеданс, и уменьшается вероятность образования низкочастотного паразитного контура с замыканием на шину «земля». Она может эффективно использоваться для частот до 1 Мгц.

Многоточечную систему заземления (рисунок 8.24 в) следует использовать для высокочастотных схем (f≥10Мгц), подключая ФУ РЭС в точках, ближайших к опорной точке заземления.

Для чувствительных схем применяется схема с плавающим заземлением (рисунок 8.25). Такая заземляющая система требует полной изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и низкой емкости), в противном случае она оказывается малоэффективной. В качестве источников питания схем могут использоваться солнечные элементы или аккумуляторы, а сигналы должны поступать и покидать схему через трансформаторы или оптроны.

Пример реализации рассмотренных принципов заземления для девятидорожечного цифрового накопителя на магнитной ленте показан на рисунке 8.26.

Здесь имеются следующие шины земли: три сигнальные, одна силовая и одна корпусная. Наиболее восприимчивые к помехам аналоговые ФУ (девять усилителей считывания) заземлены с помощью двух разделенных шин «земля». Девять усилителей записи, работающих с большими, чем усилители считывания, уровнями сигналов, а также ИС управления и схемы интерфейса с изделиями передачи данных подключены к третьей сигнальной шине «земля». Три двигателя постоянного тока и их схемы управления, реле и соленоиды соединены с силовой шиной «земля». Наиболее восприимчивая схема управления двигателем ведущего вала подключена ближе других к опорной точке заземления. Корпусная шина «земля» служит для подключения корпуса и кожуха. Сигнальная, силовая и корпусная шины «земля» соединяются вместе в одной точке в источнике вторичного электропитания. Следует отметить целесообразность составления структурных монтажных схем при проектировании РЭС.