Заземление и экранирование как способы обеспечения электромагнитной совместимости электронных устройств

Опубликовано в номере:
PDF версия
Существует два основных способа уменьшения влияния помех на электронные устройства: экранирование и заземление. Методы экранирования и заземления тесно связаны между собой. При правильном применении экраны могут значительно уменьшать взаимное влияние между устройствами по эмитированным помехам. Экраны можно устанавливать вокруг элементов схем и устройств, а также вокруг кабелей и линий передачи энергии и информации.

Самый простой способ добиться электромагнитной совместимости электронного устройства (ЭМС) — принять ее требования в расчет при проектировании. Последующие меры по обеспечению ЭМС будут, в общем, значительно обширнее. Они часто слишком дороги из-за недостатка места и требуют дополнительных расходов. Это также относится к модернизации и техническому обслуживанию имеющегося оборудования. И только соблюдение требований ЭМС на этапе проектирования обеспечивает достаточную помехоустойчивость системы и минимальную помехоэмиссию, что делает ее экономически выгодной. Одним из важнейших методов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) является правильный монтаж, кроме этого, важно с учетом ЭМС обеспечить цепями заземления проектируемое устройство, чтобы создать необходимые контуры сброса паразитной энергии помех.

 

Системы заземления

В соответствии с нормативными документами различают два вида заземления: защитное, выполняемое в целях электробезопасности, и функциональное, реализуемое для обеспечения работоспособности электроустановки (не в целях электробезопасности). В связи с этим все цепи заземления можно разбить на несколько групп. Они показаны в таблице.

Таблица. Обозначения и названия цепей заземления

Обозначение

Название

Цепи

Сигнальная «земля», или схемная «земля»

Сигнальная «земля», или схемная «земля»

Цепи возврата сигнальных токов

Силовая «земля»

Силовая «земля»

Цепи возврата постоянных токов

Корпусная «земля»

Корпусная «земля»

Цепи возврата переменных силовых токов
и экранирующие корпуса

При разработке системы лучше всего изолировать друг от друга цепи возврата сигнальных токов, цепи возврата постоянных токов питания и цепи возврата переменных токов питания и построить систему заземления из трех независимых контуров, сходящихся в одной точке. Такой подход позволяет оптимизировать каждую заземляющую цепь в отдельности. Например, цепи заземления схем распространения сигналов должны иметь низкий импеданс в диапазоне частот до нескольких мегагерц и выше (в зависимости от спектра сигналов), и по ним, как правило, течет малый ток. Заземляющая цепь источников питания постоянного тока должна быть рассчитана на низкий импеданс, но значительно более высокий ток. А заземления источников питания по сети переменного тока (корпусная «земля») должны иметь низкий импеданс вблизи частоты 100 Гц и выдерживать токи в сотни ампер.

В очень редких случаях различные контуры заземления могут не соединяться. Такие схемы с плавающим заземлением применяются для чрезвычайно чувствительных устройств. Они требуют хорошей изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и низкой емкости), иначе оказываются малоэффективны. Причем в качестве источников питания таких систем должны использоваться гальванически развязанные источники питания или солнечные элементы и батареи, а сигналы должны поступать и покидать схему через трансформаторы или оптроны.

Иногда точки сигнального и корпусного заземления соединяют высокоомным резистором, по которому стекают статические заряды.

 

Заземление по цепям питания

Широко используемые системы заземления предназначены для выполнения разно­образных задач. Они могут функционировать отдельно или вместе и обеспечивать одну или несколько функций:

  • защиту людей от поражения электрическим током;
  • защиту оборудования от повреждения электрическим током;
  • обеспечивать нулевую точку отсчета потенциала для слаботочных сигналов;
  • поддерживать требуемый уровень электромагнитной совместимости.

Правильно выполненное заземление по цепям питания играет особую роль в бесперебойном функционировании установки. Очень важно, чтобы компоненты установки как в низкочастотном, так и в высокочастотном диапазоне имели единое заземление. Поэтому еще при проектировании установки следует учитывать высокочастотный характер заземления. Все компоненты установки должны быть заземлены с низким электрическим сопротивлением — как для низких частот (НЧ), так и для высоких частот (ВЧ).

Система заземления обычно проектируется и устанавливается для обеспечения в этой цепи низкого сопротивления, способного отводить как токи короткого замыкания при срабатывании систем защиты, так и высоко­частотные токи помех от электронных устройств и систем. Правильно выполненная система заземления и уравнивания потенциалов значительно улучшает электромагнитную обстановку помещения и электромагнитную совместимость оборудования, тем самым обеспечивая:

  • улучшенную электромагнитную совместимость вычислительных и иных систем;
  • соответствие требованиям электромагнитной совместимости (по излучению помех и устойчивости к ним);
  • возможность надежной и безотказной работы различного электронного электрооборудования.

Существуют различные системы заземления, но для всех из них требуется соблюдение специальных условий, однако эти условия не всегда соблюдаются в стандартных промышленных и бытовых электросистемах, особенно когда идет речь о высокочастотном заземлении.

Использование отдельной «чистой» системы заземления для электронного оборудования и «грязной» системы заземления для силового оборудования не рекомендуется с точки зрения обеспечения требуемой электромагнитной совместимости, так как при разряде молнии в электросистеме возникнут высокочастотные возмущения, токи короткого замыкания и переходные токи между этими «землями». Возникшие в результате переходные напряжения могут привести к повреждению или выходу из строя электронного оборудования.

В типовой электросистеме для много­этажного здания каждый этаж должен иметь собственную сеть заземления (обычно в виде сетки), и все сетки должны быть соединены между собой и присоединены к заземлению.

Для обеспечения защиты от обрыва одного из проводников (чтобы ни одна из секций сети заземления не оказалась отсоединенной) требуются не менее двух соединений с этой сеткой (избыточное резервирование).

На практике для получения более равномерного распределения токов используется более двух соединений. Это сглаживает различия в потенциалах и общем сопротивлении между различными этажами здания и другими контурами заземления. Каждое помещение в здании должно иметь проводники системы заземления для эквипотенциального соединения устройств, систем, кабелепроводов и конструкций. Эту систему можно усилить с помощью металлических труб, лотков, опор, подставок и др. В специальных случаях, например в аппаратных серверных или в компьютерных помещениях, для выравнивания потенциалов при соединении устройств коммуникационными кабелями можно усилить существующую сеть заземления дополнительными заземляющими проводниками или шинами и создать специальную зону.

Параллельные контуры заземляющего тока, как правило, имеют разные резонансные частоты. Если один из контуров отличается большим сопротивлением, он наверняка шунтируется другим контуром, имеющим другую резонансную частоту. В целом, в широком спектре частот (от десятков герц до мегагерц) наличие большого количества параллельных контуров с различными частотными параметрами статистически приводит к системе с низким полным сопротивлением.

  • Есть и различные технические способы, чтобы обеспечить низкоомную цепь заземления, такие как:
  • соединение с широким поверхностным контактом, которое с двух концов имеет достаточный поверхностный контакт с общим выводом;
  • создание соединений из большого количества отдельных, изолированных друг от друга, проводников (заземляющий литцентрат);
  • применение экранированного провода, так как экран является для НЧ и ВЧ очень низкоомным соединением.

Все указанные варианты имеют низкую индуктивность и, следовательно, обладают малым высокочастотным сопротивлением, что способствует обеспечению ЭМС.

 

Конструкция

При конструировании очень важным мероприятием становится функциональная разбивка прибора на узлы и блоки с учетом требований ЭМС.

Влияние помех на соединительные провода различных групп может быть сильно снижено при хорошо спланированной трассировке этих проводников. Причем во многих случаях возможна эксплуатация и с неэкранированными проводами. При скручивании информационных проводов также может быть сильно снижено воздействие помех. Скручивание становится тем эффективнее, чем больше витков приходится на единицу длины провода (приблизительно 75 витков на один 1 п. м). При малом воздействии помех расстояние между проводами должно быть тем больше, чем дольше провода идут параллельно. Пересечение между собой токонесущих проводников должно осуществляться под прямым углом между ними.

Хорошим местом для установки фильтра по цепи питания является место непосредственно в приборе. В этом случае может представлять проблемы лишь линия между фильтром и местом ввода кабеля в корпус, так как теперь только на этот участок линии могут воздействовать помехи.

Заземление фильтра

Рис. 1. Заземление фильтра

Поскольку почти во всех фильтрах используются конденсаторы утечки заряда на «землю» C, то эффективность фильтра существенно зависит от качества заземления фильтра. Плохое заземление можно представить с помощью сопротивления R и индуктивности L (рис. 1). Эти элементы препятствуют закорачиванию напряжения помехи на конденсаторах утечки при высоких частотах. Так как фильтр закорачивает напряжение помехи, чтобы направить ток помехи на ее источник, то полное сопротивление соединения между фильтром и источником помехи должно быть как можно меньше. Причем правильный выбор структуры и параметров фильтра возможен только после проведения специализированных расчетов, исследований и измерений.

 

Типы электромагнитных помех

Рассмотрим отдельно четыре основных типа помех, от которых можно избавиться с помощью правильно выполненного заземления:

  • кондуктивные;
  • индуктивные;
  • емкостные;
  • электростатические.

Кондуктивные помехи распространяются при наличии непосредственного электрического контакта между электрическими цепями и делятся на два вида (рис. 2):

  1. Помехи типа провод-«земля», напряжение которых приложено между каждым из проводников и «землей», которые еще называются несимметричными, или синфазными.
  2. Помехи типа провод-провод, напряжение которых приложено между отдельными электрическими цепями или между элементами одной и той же электрической цепи, которые еще называются симметричными, противофазными или дифференциальными.
 Виды кондуктивных помех

Рис. 2. Виды кондуктивных помех

В отличие от дифференциальных синфазные помехи в процессе работы не приводят к сбоям электронного оборудования. Однако могут полностью вывести из строя такое оборудование из-за электрического пробоя внутренней изоляции (или p-n-переходов) в микросхемах и микропроцессорах в случае воздействия помех высокой энергии. С другой стороны, если электронное оборудование полностью изолировано от «земли», то импульсные помехи и перенапряжения относительно «земли» (синфазные несимметричные помехи общего вида) никак не могут повлиять на это оборудование, подобно тому как высокое напряжение относительно «земли» не мешает птицам спокойно сидеть на высоковольтных проводах. Дифференциальные же помехи вообще не имеют отношения к наличию или отсутствию заземления, их можно рассматривать как пульсации по цепям питания.

Что касается индуктивных помех, распространяющихся посредством электромагнитных полей, то, как известно, эффективная защита от помех данного типа осуществляется размещением чувствительной электронной аппаратуры внутри замкнутых металлических оболочек (клетка Фарадея), роль которых призваны выполнять корпуса электронных приборов или экраны. Как известно, заземление клетки Фарадея никак не влияет на эффективность ослабления ею индуктивных помех.

С емкостными помехами дело обстоит несколько сложнее, поскольку помехи этого типа распространяются через емкостные связи между находящимися рядом проводами, между близко расположенными металлическими корпусами, а также между перечисленными элементами и «землей». Заземление экранов проводов и металлических корпусов (впрочем, так же, как и снижение емкости) позволяет устранить емкостные помехи синфазного типа и практически не влияет на емкостные помехи дифференциального типа.

Статические помехи могут появляться в результате накопления статического заряда на изолированном от «земли» корпусе и возникающих в результате этого периодических пробоев на «землю». Заземление корпуса позволяет предотвратить накопление статического заряда. Однако для устранения электростатических (и даже частично емкостных) помех синфазного типа вовсе не требуется наличие низкоомного заземления, достаточно соединить корпус с системой заземления высокоомным резистором. Иногда, для чувствительной электроники используют отдельный контур заземления, соединенный в одной точке с общим контуром заземления (Signal Reference Subsystem), что принципиально не меняет сущности заземления. При этом предполагается, что многочисленные электронные устройства, имеющие электрические и информационные связи между собой, будут обладать общим нулевым (опорным) потенциалом, предотвращающим сбои в работе высокочувствительной электроники из-за электромагнитных помех, создающих дополнительную разность потенциалов между цепями нулевого потенциала, если их не заземлить.

Обеспечение опорного потенциала помогает защитить оборудование и персонал от мощных высокочастотных воздействий. Это общепринятый подход и общая практика обеспечения ЭМС электронной аппаратуры. Считается, что если между всеми электронными устройствами будет сохраняться общий потенциал системы заземления, то есть не будет возникать разность потенциалов между цепями нулевого потенциала различных устройств, то повышение общего потенциала и отличие его от нуля, происходящее одновременно во всех устройствах, не способно вызвать нарушения в работе этих устройств.

 

Ближняя и дальняя зоны эмиссии помех

В решении задач ЭМС и экранирования в частности важно правильно определить характер поля источника излучения помех.

На практике при характеристике электромагнитной обстановки при работе разно­образной электронной аппаратуры используют термины «электрическое поле», «магнитное поле», «электромагнитное поле». Кратко поясним, что это означает и какая связь существует между ними.

Электрическое поле создается зарядами. Например, во всем известных школьных опытах по электризации эбонита присутствует как раз электрическое поле. Для характеристики величины электрического поля используется понятие «напряженность электрического поля», имеющая обозначение Е. Электрическое поле Е создается между двумя проводниками с различными потенциалами. Оно измеряется в вольтах на метр и пропорционально подаваемому напряжению, деленному на расстояние между проводниками.

Магнитное поле Н образуется вокруг провод­ника, по которому протекает электрический ток. Оно измеряется в амперах на метр и пропорционально току, деленному на расстояние до проводника (рис. 3).

Магнитное поле

Рис. 3. Магнитное поле

Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. При этом оба компонента, Е и Н, непрерывно изменяясь во времени, воздействуют друг на друга и создают электромагнитные волны (рис. 4).

Электромагнитные поля, виды

Рис. 4. Электромагнитные поля:
а) электрическое поле;
б) магнитное поле;
в) электромагнитная волна

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны (l), единица измерения — метр. Источник энергии, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуется частотой (f), единица измерения — герц, а соответственно и электромагнитное поле (ЭМП) этой же частоты.

Важное свойство электромагнитного поля — его разделение на так называемую ближнюю и дальнюю зоны. В ближней зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника излучения меньше длины волны r< l, ЭМП можно считать квазистатическим. Здесь оно быстро убывает с расстоянием, обратно пропорционально кубу или квадрату расстояния. В ближней зоне излучения электромагнитная волна еще не полностью сформирована, поэтому для характеристики ЭМП оценку переменного электрического поля Е и переменного магнитного поля Н проводят раздельно. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущих составляющих полей (электромагнитной волны), ответственных за излучение. Дальняя зона — это зона сформировавшейся электромагнитной волны, начинается с расстояния r > 3l. В дальней зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника помех.

Характеристики поля определяются параметрами источника, величиной Z = E/H и окружающей средой, а также расстоянием от источника до точки наблюдения. Вблизи источника свойства электромагнитного поля обусловлены в основном характеристиками источника, а вдали зависят главным образом от среды, в которой оно распространяется (воздух, вакуум или материал).

Если в источнике протекает значительный ток при малом напряжении, то в ближней зоне преобладает магнитное (низкоомное) поле. Если же в источнике протекает малый ток при относительно большом напряжении, то в ближней зоне преобладает электрическое (высокоомное) поле. Поле в дальней зоне от любого источника называют электромагнитным, или плоской волной; для него Z = 120p 377 Ом (рис. 5).

Волновое сопротивление электрического и магнитного полей

Рис. 5. Волновое сопротивление электрического и магнитного полей

Таким образом, определение зоны и характера источника поля позволяет принимать более эффективные меры для уменьшения помех. Например, учитывая, что электрическое поле ближней зоны влияет на рецептор через паразитную емкостную связь с источником, а магнитное поле — через паразитную индуктивную связь, на основании этих данных выбирают соответствующий этому полю экран.

В ближней зоне узлов и элементов радио­электронной аппаратуры, с большими напряжениями и малыми токами генерируются электромагнитные поля с преобладанием электрической составляющей. При этом помехи создаются электрической индукцией, приближенно определяемой эквивалентной емкостью связи. Для ослабления этой связи можно:

  1. Максимально разносить цепи рецептора и источника помех.
  2. Компоновать цепи источника и рецептора помех, минимизируя емкость связи, например располагая помехонесущие и помеховосприимчивые провода под углом, близким к 90°.
  3. Уменьшать размеры цепей источника и рецептора помех.
  4. Применять дифференциальное включение рецептора помех, что практически позволяет значительно ослабить влияние емкостных синфазных помех.
  5. Применять компенсацию помех путем включения дополнительного источника противофазного сигнала помехи.
  6. Если возможность применения указанных мер при проектировании аппаратуры ограничена, то для обеспечения требуемого ослабления помех необходимо прибегнуть к экранированию электрического поля. Конструкции, реализующие это ослабление, называют экранами.

Экранирование электрического поля основано на замыкании силовых линий помехонесущего электрического поля на металлический экран, соединенный с корпусом аппаратуры или землей. Экранирующий эффект заземленного металлического экрана заключается в замыкании большей части емкости связи между экранируемыми элементами конструкции на корпус прибора.

 

Устранение емкостной связи

Для уменьшения электрической связи между цепями применяется электростатическое экранирование.

Например, между двумя проводниками образуется паразитная емкость, вследствие чего через сопротивление Z2 проходит переменный ток, создаваемый переменным напряжением U. Это событие нарушает режим работы цепи, в которую включено сопротивление Z2, и поэтому нежелательно. Для устранения паразитной емкости между проводниками помещается заземленная пластина Э, называемая электростатическим экраном (рис. 6).

Защита цепи резистора Z2 электростатическим экраном

Рис. 6. Защита цепи резистора Z2 электростатическим экраном

Экран шунтирует часть тока источника переменного тока, тем самым снижается нежелательный ток сопротивления Z2. Таким образом, возникает емкостная связь между проводником цепи Z1 и экраном Э. Благодаря этому ток в цепи сопротивления Z2 устраняется.

Каждая катушка индуктивности, кроме индуктивности, обладает и некоторой емкостью. Под влиянием этой емкости возле катушки создается электрическое поле, которое может вызвать паразитные связи. Для того чтобы экранировать не только магнитное, но и электрическое поле катушки, экран делают закрытым со всех сторон и заземляют (соединяют с корпусом установки).

В катушках трансформаторов, кроме желаемой индуктивной связи между обмотками, как правило, возникает нежелательная емкостная связь, то есть между обмотками образуется паразитная емкость. Для сокращения этого явления между катушками помещают электростатический экран (рис. 7), который в данном случае не имеет замкнутых цепей для электрического тока и не оказывает воздействия на магнитные поля катушек.

Устранение емкостной связи между катушками

Рис. 7. Устранение емкостной связи между катушками

Для снижения такой паразитной емкости (емкостной связи) еще используют увеличенное расстояние между обмотками, решая при этом дополнительную задачу обеспечения предельно допустимого напряжения между обеими обмотками. При использовании указанных методов следует не забывать о снижении коэффициента связи между данными обмотками.

 

Экранирование электромагнитных полей в устройствах промышленной и силовой электроники

Экранирование служит основным средством ослабления электромагнитных помех, вызванных излучением. Экраны применяются для отдельных элементов, узлов, блоков и устройств, которые могут быть либо источниками, либо рецепторами помех. Как правило, экранирование удорожает изделие, поэтому необходимость экранирования должна быть обоснована и рассматриваться только после того, как полностью исчерпаны схемотехнические решения и методы оптимальной компоновки аппаратуры.

Основным назначением электромагнитных экранов является локализация поля помех, создаваемых источником питания, в местах их возникновения с целью ослабления влияния помех на элементы источника питания, чувствительные к помехам. Эффективность экранирования, электрической и магнитной составляющих поля определяется отношением напряженности поля в любой точке пространства, в отсутствие экрана и при его наличии. В общем случае экран не только локализует, но и искажает поле источника в защищаемой области пространства, а также оказывает побочное влияние на параметры паразитной индуктивности и другие паразитные параметры цепей электропитания, находящиеся в зоне действия экрана. Экран устанавливается между источником и приемником помех и снижает напряженности воздействующих полей от Е0 и Н0 до сниженных значений Е1, Н1 за экраном.

Для представления вопросов экранирования рассматривается связь между двумя схемами в виде сосредоточенных емкости и индуктивности между проводниками, поэтому такую схему можно анализировать при помощи обычной теории цепей. При этом надо помнить ряд постулатов:

  • Первое — экраны в преобразовательных устройствах выполняются из немагнитных материалов, а на экранируемых частотах их толщина намного меньше глубины скин-слоя этих частот.
  • Второе — приемник помех не настолько сильно связан с источником, чтобы служить для него нагрузкой.
  • Третье — индуктивные токи в схемах приемников сигналов малы и не искажают первоначальное поле.

Экраны служат 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. Также для того, чтобы подавить исходящие от электрических и электронных промышленных средств и устройств помехи, обусловленные полями.

Диапазон частот, определяющий электромагнитный режим работы экрана, как правило, соответствует условиям ближней зоны и излучения для частот порядка сотен мегагерц, поэтому принципы и особенности действия электромагнитного экрана необходимо рассматривать применительно к электрической и магнитной составляющей поля в отдельности. Различают следующие режимы работы: магнитостатику, электромагнитный режим и волновой.

Физическая сущность электромагнитного экранирования сводится к тому, что под действием источника электромагнитной энергии со стороны экрана, обращенной к источнику помехи, возникают заряды, а в его стенках — токи, поля которых во внешнем пространстве по интенсивности близки к полю источника, а по направлению противоположны ему, в результате чего происходит взаимная компенсация полей. В основу электромагнитного режима работы экрана положена теория ослабления электрического и магнитного полей за счет действия вихревых токов в толще материала экрана. Особенностью электромагнитного экрана является наличие электрических потерь мощности в толще экрана, вследствие чего экран нагревается. При относительно низких частотах вихревых токов мощность потерь прямо пропорциональна квадрату частоты. Поэтому при проведении экранирования выбирают материалы экрана с наибольшей удельной проводимостью или с большой магнитной проницаемостью.

С точки зрения волновых представлений эффект экранирования проявляется и из-за многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания энергии волн в его металлической толще. Отражение электромагнитной энергии обусловлено несоответствием волновых характеристик диэлектрика, в котором расположен экран, и материала экрана. Чем сильнее это несоответствие, чем больше отличаются волновые сопротивления экрана и диэлектрика, тем интенсивнее частичный эффект экранирования, определяемый отражением электромагнитных волн. Такое рассмотрение является упрощенным, природа же электромагнитного экранирования гораздо сложнее.

Эффективность волнового экранирования aэ может быть записана как сумма потерь отражения R, переотражения A и поглощения B:

aэ = R + A+ B, дБ.

Это выражение известно как «модель линии передачи» для эффективности экранирования, и среди других моделей она выделяется важнейшим предположением, что связь между токами экрана и источника падающих волн ничтожно мала.

На эффективность экранирования оказывают существенное влияние частота поля, электропроводность и магнитная проницаемость материала экрана, конфигурация, размеры и толщина экрана. Принципиально следует иметь в виду, что эффективность экранирования зависит от наличия дефектов и отверстий в стенке экрана (трещин, дверных, вентиляционных и оконных проемов, кабельных вводов и отверстий для элементов обслуживания и сигнализации), а также от того, что внутри экранированных объемов могут возникать резонансные эффекты.

Эффективность экранирующих устройств ориентировочно может быть оценена величиной коэффициента экранирования aэ следующим образом:

  • – aэ < 10 дБ — выполнено недостаточное экранирование;
  • – 10 < aэ < 30 дБ — выполнены минимальные требования по экранированию;
  • – 30 < aэ < 60 дБ — проведено достаточное экранирование;
  • – 60 < aэ < 90 дБ — осуществлено хорошее экранирование;
  • – 90 < aэ < 120 дБ — экранирование проведено предельно возможное.

Для изготовления экранов используются два типа материалов:

  1. Радиопоглощающие материалы (резины, поглощающие покрытия, ферритовые пластины). Эти материалы не относят к экранирующим материалам, хотя некоторые из них выпускаются на металлической основе, которая при тщательном соединении ее отдельных частей и элементов может служить экраном. Однако монтаж таких экранов очень сложен, а потому поглощающим материалом экран покрывают внутри с целью уменьшения отражения радиоволн. Они используются для защиты от СВЧ-излучений, но имеют ограниченное применение из-за высокой стоимости и узости спектра поглощения.
  2. Радиоотражающие материалы (металлы), которые получили очень широкое применение. Их выбирают исходя из следующих условий:
    • достижение заданной величины ослабления электромагнитного поля и его составляющих в рабочем диапазоне частот при соответствующих ограничениях размеров экранов и его влияния на экранируемый объект;
    • устойчивость против коррозии и обеспечение требуемой механической прочности;
    • технологичность конструкции экрана, его конфигурации и массогабаритных характеристик.

Первому требованию удовлетворяют практически все применяемые в настоящее время листовые материалы (сталь, медь, алюминий, латунь и др.), так как при соответствующей толщине они обеспечивают достаточно высокую эффективность экранирования.

Для экранирования используются как немагнитные материалы, так и ферримагнитные материалы. Экранирующее действие немагнитных материалов происходит из-за магнитных полей, созданных вихревыми токами. При этом постоянное магнитное поле совсем не экранируется, а низкочастотное переменное ослабляется незначительно. Напротив, электрические поля очень хорошо демпфируются такими экранами.

Экраны из магнитных материалов ослабляют электрические поля в области низких частот хуже, чем экраны из немагнитных, однако вызывают определенное ослабление постоянных магнитных полей. С повышением частоты демпфирующее действие в отношении электрических и магнитных полей возрастает. Ввиду экономических и конструктивных соображений предпочтение отдается стальным конструкциям.

Ферритовые экранирующие материалы широко распространены, так как обеспечивают самое простое, удобное и рентабельное решение проблемы радиочастотных помех в кабелях и соединителях. Более того, они подавляют нежелательные высокочастотные колебания, не ослабляя сигналы постоянного тока или низкой частоты.

Основной состав ферритовых материалов — это комбинация оксида железа и одного или нескольких порошковых металлов, чаще всего марганца, цинка, кобальта и никеля. Имеется широкий выбор форм и размеров ферритов, а на заказ могут быть изготовлены ферриты специальной геометрии.

Ферриты эффективны в подавлении электромагнитных помех из-за изменения их потерь с частотой. Через феррит, установленный как подавитель, более низкие частоты пройдут без существенных потерь. Но выше частоты, с которой потери резко возрастают, сигнал взаимодействует с ферритом, и импеданс участка с ферритом становится значительно выше по сравнению с остальной частью цепи. Именно большой резистивный импеданс позволяет этому, по существу пассивному и совершенно простому, материалу подавлять многочисленные сигналы в разнообразных случаях применения.

 

Экранирование электромагнитного поля катушек

В радиотехнических устройствах часто возникают нежелательные паразитные связи между отдельными цепями или деталями схемы. Они объясняются емкостным и индуктивным взаимодействием между близко расположенными проводами и элементами устройства. Особенно велика вероятность паразитных связей при наличии в схемах катушек индуктивности, магнитный поток которых пересекают витки других катушек или монтажные провода, расположенные поблизости. Паразитные связи в катушке или проводах могут нарушить нормальную работу радиотехнического устройства. Для устранения паразитных связей применяется как экранирование катушек, так и экранирование отдельных цепей или деталей устройства.

Для экранирования катушки ее заключают в экран из материала, обладающего хорошей проводимостью (медь, латунь, алюминий). Экран выполняется в виде кожуха. Соединения экрана должны иметь надежный электрический контакт, а в ответственных случаях должны быть пропаяны. Экран ограничивает объем, занимаемый магнитным полем катушки. В то же время экран защищает катушку от влияния внешних полей и его можно рассматривать как короткозамкнутый виток, окружающий катушку. Переменное магнитное поле катушки возбуждает в экране переменную ЭДС и переменный ток. Магнитное поле этого тока вне экрана противофазно магнитному полю катушки и компенсирует его.

Необходимо отметить, что экраны из меди, алюминия и других диамагнитных материалов защищают только от магнитных полей высокой частоты, при низких частотах токи, наводимые в экране, весьма незначительны и экранирующее действие экрана ничтожно. Поэтому при низких частотах экраны выполняются из материала с большой магнитной проницаемостью (сталь, специальные сплавы), и такие экраны называют магнитными.

Введение экрана существенно изменяет параметры катушки, а следовательно, и контура, в который включена катушка. Токи, возбуждаемые катушкой в экране, действуют на катушку принципиально так же, как и вторичный контур на первичный при индуктивной связи. Можно считать, что экран вносит в катушку активное и реактивное сопротивление. Влияние экрана на параметры катушки зависит от соотношения размеров катушки и экрана. Чем меньше экран катушки по сравнению с ее размерами, тем сильнее влияние экрана на параметры катушки.

Экранирование устройств промышленной и силовой электроники достаточно дорогое техническое решение в улучшении электромагнитных параметров изделий.

Для эффективной практической защиты цепей преобразователя от индуктивных помех необходимо наличие возвратного пути для паразитных токов. Полностью замкнутый экран обеспечивает подобный путь, а также защиту технического средства от непосредственного воздействия нежелательного электромагнитного поля на внутренние цепи и проводники. Экранирование заключается в установке проводящей поверхности вокруг критических узлов в схеме преобразователя таким образом, чтобы электромагнитное поле, которое создает наводки на них, ослаблялось бы комплексом эффектов отражения и поглощения паразитной электромагнитной энергии. Экран (в основной части или полностью) должен быть в виде металлического кожуха.

Ослабление низкочастотных магнитных полей определяется только материалом экрана и его толщиной, причем для эффективного ослабления магнитных полей материал экрана должен быть обязательно ненасыщенным. Для предотвращения насыщения экрана желательно, чтобы между экраном и защищаемыми компонентами был зазор не менее 6 мм. При этом, если экраны изготовлены из тонкой фольги, перекрытие в месте шва должно составлять более 13–20 мм, а радиусы кривизны должны по крайней мере вдвое превышать толщину материала экрана.

Следует отметить, что магнитные поля с низким характеристическим сопротивлением (|Zw| ≤ 376,7 Ом) легко проникают сквозь границу раздела воздух-экран, но отражаются на границе раздела экран-воздух. При этом часть энергии волны, которая не поглощается в экране после многократных внутренних отражений, в конечном итоге рассеивается, превращаясь в тепло. Поэтому экраны, эффективно защищающие от магнитных полей, должны быть толстыми (по сравнению с толщиной скин-слоя d), а также иметь высокую магнитную проницаемость m и низкое удельное сопротивление r.

В общем случае, когда толщина материала экрана обеспечивает его необходимую механическую прочность, данный экран, как правило, защищает от всех видов электромагнитного излучения, кроме магнитных полей низкочастотного диапазона.

В ближней зоне узлов и элементов электронной аппаратуры, с большими токами и малыми напряжениями, создаются электромагнитные поля с преобладанием магнитной составляющей. Хорошее экранирование плоской металлической пластиной статического или низкочастотного магнитного поля, создающего помеху, выполнить очень трудно. Между тем в некоторых применениях это возможно. Источниками таких полей могут быть, например, индуктивные элементы аппаратуры или силовые кабели с большими токами промышленной частоты.

В этих случаях прежде всего надо постараться ослабить влияние магнитной связи, что достигается следующими действиями:

  1. Компоновать цепи рецепторов помех в плоскости, параллельной направлению воздействующего на них помехового магнитного потока.
  2. Максимально разносить цепи рецепторов и источников помех, что снижает напряженность помехового магнитного поля в местах расположения восприимчивых цепей аппаратуры.
  3. Уменьшать площадь контура рецептора помех.
  4. Применять витые пары прямого и обратного проводников, где компенсируются токи, наводимые магнитным полем в соседних витках.

Если применение указанных мер ограничено, то требуемое ослабление помех достигается магнитостатическим экранированием.

При магнитостатическом экранировании (то есть магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами или токами) происходит замыкание магнитного поля экраном вследствие его повышенной магнитной проводимости. Экран из немагнитного материала (медь, латунь, алюминий) не оказывает на магнитостатическое поле никакого влияния, поэтому эффективность экранирования будет равна нулю.

Экран из ферримагнитного материала (пермаллой, сталь) с большим значением mr замыкает основную часть магнитного потока на стенки экрана, имеющего меньшее магнитное сопротивление, чем воздушное пространство, занятое экраном. При этом эффективность магнитостатического экранирования будет тем выше, чем выше mr и толщина экрана, а также чем меньше в нем стыков, швов и разрезов поперек направления линий магнитной индукции. Поэтому если они есть, то должны быть параллельны линиям магнитной индукции. Заземление экрана не влияет на эффективность его магнитостатического экранирования.

Действие металлического экрана в переменном высокочастотном магнитном поле основано на использовании явления электромагнитной индукции, приводящего к образованию ЭДС, вызывающей вихревые токи в экране, которые создают вторичное магнитное поле, направленное встречно полю помехи в защищаемой экраном области. Тогда, согласно закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС, которая создает переменный ток, чье магнитное поле направлено встречно, а за его пределами — в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным внутри экрана и усиленным вне его, то есть происходит вытеснение поля из защищаемой экраном области во внешнюю область пространства, а следовательно, и экранирование.

 

Конструкции и разновидности экранов

В зависимости от назначения экраны представляют собой самостоятельную конструкцию или часть конструкции экранизируемой радиоэлектронной аппаратуры. Назначение экрана соответствующим образом определяет и требования, предъявляемые к нему, поскольку выбор типа и конструкции экрана неразрывно связан с исследованием помех, создаваемых электронным устройством, основным источником поля. Причем сначала применяются экраны, предназначенные для ослабления электромагнитного поля в источниках помех.

Сплошные замкнутые экраны в виде кожуха аппаратуры используют, когда с помощью местных экранов не удается снизить уровень помех. Однако часто при экранировании разнообразной электронной аппаратуры применяют сетчатые экраны, обладающие незначительной массой и обеспечивающие хороший теплообмен, удобные в сборке и эксплуатации. Экранирующие свойства таких экранов обусловлены в основном эффектом отражения электромагнитного поля. К недостаткам сетчатых экранов следует отнести их невысокую механическую прочность.

В устройствах силовой электроники часто применяется установка специальных элементов для подавления кондуктивных помех, возникающих при работе активных помехообразующих элементов источников питания. При установке экранов между силовым транзистором и теплоотводящим радиатором, на котором помещен транзистор, происходит уменьшение уровня помех и предотвращение распространения их на корпус источника, а затем на «землю». Возврат помехи к помехообразующим элементам, а также уменьшение емкости между силовым транзистором и теплоотводящим радиатором — актуальные задачи.

В большинстве случаев металлический корпус сам по себе не является частью электронной системы и разрабатывается отдельно конструкторами механической части изделия. Они предусматривают в корпусе отверстия, необходимые, например, для прокладки кабелей, вентиляции, установки кнопок управления, динамиков, датчиков и дисплеев. Все это может привести к заметному ухудшению экранирующего эффекта. При наличии отверстий в металлическом корпусе, а также при соединении его частей невозможно обеспечить полную герметизацию без применения специальных накладок, в результате чего появляются пути для прохождения радиочастотных излучений. Поэтому при соединении двух частей металлического корпуса между ними не образуется непрерывное соединение. Следовательно, в месте сочленения экран прерывается неоднородностями, и с точки зрения высокочастотной техники данную область можно считать чрезвычайно уязвимой.

 

Экраны кабелей

Кабельные экраны предназначены для снижения влияния напряжений помех на кабели и излучение помех кабелями и проводами, а также для того, чтобы обеспечить развязку помехосодержащих и чувствительных к помехам проводов при их прокладке в общих кабельных трассах, каналах или жгутах, если это необходимо по каким-либо внешним условиям. Кабельные экраны из хорошо проводящих материалов (медные или алюминиевые оплетки) позволяют ослабить напряжения противофазных и синфазных помех, однако при этом существенную роль играет заземление экрана. Если экран заземлен только с одной стороны, снижается противофазное напряжение помехи. При двустороннем заземлении экрана возникает замкнутый контур, в котором при изменении магнитного поля индуцируется ток. Синфазное напряжение при этом уменьшается. Если затухание недостаточно, используют два экрана, наложенных друг на друга и изолированных друг от друга

Для металлических кабелепроводов (лотков) именно форма (плоская, U-образная, трубчатая), а не поперечное сечение определяет импеданс. Замкнутые формы лотков предпочтительней, чем открытые, поскольку в них снижаются несимметричные помехи. Кабелепроводы часто имеют пазы для крепления кабеля, и чем они меньше, тем лучше. Пазы, вызывающие минимальные проблемы, — это те, которые вырезаются параллельно и на некотором расстоянии от кабелей. Если металлический кабелепровод состоит из нескольких коротких секций, следует обеспечить его непрерывность надлежащим соединением различных секций. Желательно, чтобы секции сваривались по всем кромкам. Клепаные, болтовые или резьбовые соединения разрешаются в том случае, если контактные поверхности проводят ток (отсутствует краска или изолирующие покрытия) и защищены от коррозии. Причем если выбрана конкретная форма кабелепровода, она должна использоваться по всей его длине. Все внутренние соединения (между секциями кабелепровода) должны иметь низкое полное сопротивление. Соединение секций кабелепровода с помощью одного провода (перемычки) создает большое местное сопротивление, которое резко ухудшает характеристики электромагнитной совместимости системы кабельных линий.

Литература
  1. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. Пер. с нем. Кужекина И. П. Под ред. Максимова Б. К. М.: Энергоатомиздат, 1995.
  2. Дьяков А. Ф., Максимов Б. К., Борисов Р. К., Кужекин И. П., Жуков А. В. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. Под ред. Дьякова А. Ф. М.: Энергоатомиздат, 2003.
  3. Кармашев В. С. Электромагнитная совместимость технических средств. Справочник. М.: НОРТ, 2001.
  4. Селяев А. Н. Электромагнитная совместимость устройств промышленной электроники. Учебное пособие. Томск, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2007.
  5. Барнc Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. Пер. с англ. М.: Мир, 1990.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *