Лекции - Защита электронных устройств от воздействия электромагнитных помех
Подождите немного. Документ загружается.
(28)
Эффективность экранирования шарового магнитостатического экрана при том
же отношении r
2
/r
1
выше, чем цилиндрического
(29)
Эффективность прямоугольного экрана может быть вычислена по формуле (27),
если он имеет форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным
основанием, сторона которого принимается равной диаметру цилиндра.
В целом эффективность магнитостатических экранов не велика. Она зависти от
экрана (чем больше, тем лучше) и толщины экрана d (чем больше, тем лучше).
Так, например экран из материала “Армко” (специальный сплав с =3000),при
радиусе 40 см. и толщине 1 см. обеспечивает эффективность 37,5. Такой экран
сложен в изготовлении и имеет большой вес.
Для повышения эффективности экранирования в ряде случаев применяют
многоступенчатые магнитостатические экраны, составленные из нескольких
слоев более тонкого материала. Требуемая эффективность экранирования может
быть получена уже у 2-х или 3-х слойного экрана.
Простейший из многослойных экранов – 2-х слойный должен быт
сконструирован так, чтобы обеспечить замыкание в наружной оболочке тех
силовых линий поля, которые выйдут за толщу стенок первого внутреннего
слоя. Для этой цели должны быть правильно выбраны как толщина стенок
оболочек, так и расстояние между ними. На практике расстояние между
оболочками делают больше толщены оболочек. В первом приближении
расстояния между оболочками принимают равными расстоянию между 1-ой
оболочкой и ближайшим краем экранируемого объекта, а толщину каждой
оболочки берут не более 1-1,5 мм. В этих условиях эффективность
многослойного экрана равна:
, (30)
где n – число оболочек, d – толщина оболочки, r
2
– радиус 1-ой оболочки.
Таким образом при экранировании постоянных магнитных полей следует:
- применять материалы с возможно более высокой начальной магнитной
проницаемостью;
- в конструкции экрана избегать стыков и швов с большим магнитным
сопротивлением на пути магнитных силовых линий поля помех;
- не допускать крепления экранируемого элемента и оболочек стальными
деталями, которые могут образовывать пути с малыми магнитными
сопротивлениями для магнитных силовых линий помехи;
- эффективность экранирования повышать не увеличением толщины материала,
а применением нескольких тонких экранов, расположенных на возможно
большем расстоянии друг от друга.
2.4. Электромагнитное экранирование.
Экранирование с использованием вихревых токов обеспечивает одновременное
ослабление как магнитных, так и электрических полей. Это дает основание этот
способ экранирования называть электромагнитным. Эффективность
экранирования такого экрана в ближней зоне (зоне индукции) будет не
одинакова для составляющих поля. Поэтому, как правило, для ближней зоны
следует вычислять каждый из компонентов поля в отдельности, принимая при
этом, что в дальней зоне (зоне излучения) эффективности экранирования
составляющих окажутся одинаковыми.
Физическая сущность электромагнитного экранирования, рассматриваемая с
точки зрения теории электромагнитного поля и теории электрических цепей,
сводится к тому, что под действием источника электромагнитной энергии на
стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенках –
токи, поля которых во внешнем пространстве по интенсивности близки к полю
источника, а по направлению противоположны ему и поэтому происходит
взаимная компенсация полей. Такое рассмотрение является упрощенным и
природа электромагнитного экранирования гораздо сложнее.
С точки зрения волновых представлений эффект экранирования проявляется 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 больше это несоответствие, чем больше отличаются волновые
сопротивления экрана и диэлектрика, тем интенсивнее частичный эффект
экранирования определяемый отражением электромагнитных волн.
Эффективность электрически замкнутого экрана т.е. способного ограничивать
проникновение силовых линий электрического поля вне и внутри
экранируемого пространства, определяется формулой:
(31)
где Э
отр.
– ослабление энергии падающей волн за счет отражения на границе
сред, Э
погл.
– ослабление вследствие затухания энергии в толще экрана, Э
вн. отр.
–
ослабление из-за внутренних отражение в самом экране.
Обычно, если Э
погл.
10 дБ, то Э
вн.
отр.
=I, поэтому этой составляющей
пренебрежем, и тогда:
(32)
или в децибельном исчислении:
(33)
Расчет электромагнитных экранов с достаточной точностью пока возможен
только в некоторых в идеализированных случаях. К ним относятся:
- бесконечно плоский экран на пути распространения плоской волны;
- размещение точечного источника в центре герметичного идеального
проводящего экрана сферической формы;
- бесконечно длинный идеально проводящий цилиндр с излучателем в виде
бесконечной нити, расположенной на оси этого цилиндра.
Все эти случаи не отражают реальных условий работы экрана, поскольку не
учитывают соотношения между длиной волны и линейными размерами экрана,
характера источника, неравномерности распределения поля внутри экрана,
неоднородности материала и конструкции самого экрана и главным образом
возможности проникновения поля через щели и отверстия, имеющиеся в
реальном экране.
Однако, выше перечисленные случаи позволяют получить многие общие
зависимости. Вот и мы пойдем по тому же пути. Рассмотрим падение плоской
волны на бесконечный плоский экран. В этом случае величины потерь на
отражение и поглощение определяются одинаково, т.к. в толще материала
экрана как падающая, так и отраженная волны рассматриваются как плоские.
Найдем значение составляющей эффективности экранирования, определяющей
влияние поглощения электромагнитной энергии. В металле электромагнитная
волна затухает по экспоненциальному закону. Мерой скорости этого процесса
является глубина проникновения волны или толщина поверхностного слоя .
При прохождении волны через толщину поверхностного слоя она ослабевает в
e раз. Если же толщина будет равной d, она будет ослабевать в e
d/
раз. Тогда
(34)
Глубина проникновения представляет собой постоянную величину,
характеризующую материал экрана и зависящую от частоты:
(35)
где – удельное сопротивление материала экрана Ом мм
2
/м, - длина волны в
воздухе, м, - частота, МГц,
r
– относительная магнитная проницаемость
материала экрана, - определяется в м.
Определение усложняется тем, что
r
зависит от частоты. Кроме того
ослабление поля в e=2,72 раз на глубине недостаточно. Поэтому для
характеристики экранирующего материала пользуются еще двумя величинами
глубины проникновения
0,1
и
0,01
, характеризующие падение напряженности
поля в 10 и 100 соответственно от их значения на поверхности.
В таблице 3 из приведены и
0,01
для нескольких материалов на разных
частотах. Для частоты 0,1 МГц максимальная глубина проникновения не
превышает 2 мм.
Эффективность экранирования согласно (32) только за счет поглощения в
соответствии с (34) и (35) будет:
(36)
где d – толщина материала экрана в м.
Из (36) видно, что затухание волны из-за поглощения с повышением частоты
растет. Аналогичную зависимость можно наблюдать из табл. 3.
Учитывая и отражение (коэффициент ослабления будет равен ), получим:
(37)
где Z
м
и Z
д
– волновые сопротивления металла и среды, z
м
, z
д
– модули
сопротивлений Z
м
и Z
д
соответственно.
Из табл. 3 видно, что на частотах, равных 10
7
, для меди толщина проникновения
поля не превышает 21 мкм, т.е. уже на этих частотах допустимы экраны из
фольгированных материалов. С этой же целью применяется двухсторонний
фольгированный материал для печатных плат, и в качестве экрана используется
одна из сторон, которая для получения хорошего экранирующего эффекта
припаивается к кожуху.
Экраны из стали, не смотря на большой экранирующий эффект, могут лишь
применяться в тех случаях, когда вносимые потери (т.е. величина большая)
можно не учитывать. Кроме того, в таких экранах наблюдаются явления
гистерезиса.
Таблица 3.
Некоторые характеристики листов.
Металл
Удельное
сопротивление
Ом мм
2
/м
Частота,
Гц
Глубина
проникновения ,
мм.
6
6
Медь 0,0175 1
10
5
10
6
10
7
10
8
0,21
0,067
0,021
0,0067
0,98
Латунь 0,06 1
10
5
10
6
10
7
10
8
0,39
0,124
0,039
0,0124
1,5
Алюминий 0,03 1
10
5
10
6
10
7
10
8
0,275
0,088
0,0275
0,0088
1,28
Сталь 0,1 50
10
5
10
6
10
7
10
8
0,023
0,007
0,0023
6
Сталь 0,1 200
10
2
10
3
10
4
10
5
1,1
0,35
0,11
0,036
6
6
0,16
Пермаллой 0,65 12000
10
2
10
3
10
4
10
5
0,38
0,12
0,038
0,012
1
6
1,7
J
6
Из выражения (8) видно, что эффективность экранирования только за счет
поглощения в соответствии с (10) и (11) будет:
, (42)
где d – толщина материала экрана в метрах.
Из (12) видно, что затухание волны из-за поглощения с повышением частоты
растет, что видно из табл. 3
Учитывая и отражение (коэффициент ослабления будет равен ),
получим:
(43)
где Z
м
и Z
д
– волновые сопротивления металла и среды;
z
м
, z
д
– модули сопротивлений Z
м
и Z
д
соответственно.
Предположим теперь, что по экранированному витку протекает не постоянный,
а переменный ток. Переменное магнитное поле этого витка, пронизывая экран,
индуктирует в нем переменную ЭДС, вследствие чего по экрану протекает
переменный ток. Экран ведет себя как короткозамкнутый виток, помещенный в
переменное магнитное поле. Магнитное поле вихревых токов, протекающих по
экрану, во внешнем пространстве накладывается на поле экранируемого витка
со сдвигом фаз, близким к 180
0
, и ослабляет его.
Чем меньше сопротивление стенок экрана и чем больше их толщина, тем
меньше разница между напряженностью поля вихревых токов,
протекающих по экрану, и напряженностью поля экранируемого витка,
создаваемого вне экрана. При этом, чем ближе разность фаз между этими
полями к 180
0
, тем больше их взаимная компенсация, меньше остаточное
поле вне экрана, а значит, больше эффективность экранирования.
С повышением частоты возрастает явление неравномерного
распределения вихревых токов в сечении материала экрана, т.е.
наблюдается поверхностный эффект, который сопровождается
сосредоточением этих токов экрана.
Из табл. 1 видно, что на частотах 10
7
для меди толщина проникновения
поля не превышает 21 мкм, т.е. уже на этих частотах допустимы экраны
из фольгированных материалов. С этой же целью применяется
двухсторонний фольгированный материал для печатных плат, и в
качестве экрана используется одна из сторон, которая для получения
хорошего экранирующего эффекта припаивается к кожуху.
Экраны из стали, не смотря на большой экранирующий эффект, могут
лишь применяться в тех случаях, когда вносимые потери (т.е. величина
большая) можно не учитывать. Кроме того, в таких экранах
наблюдаются явления гистерезиса.
Изложенное выше позволяет сделать вывод: что с увеличением размеров
магнитостатического экрана и возрастанием частоты вносимое им
затухание падает т.к. действие этих факторов эквивалентна уменьшению
магнитной проницаемости . В самом деле с ростом частоты возрастает
роль вихревых токов в экране, уменьшается глубина проникновения, а
следовательно, уменьшается его магнитопроводность, которая является
функцией габаритных размеров и магнитной проницаемости материала
экрана. В этих условиях магнитостатический экран будет себя вести как
магнитный экран, т.к. из-за резкого уменьшения эквивалентной толщены
стенок экрана исчезает явление шунтирования магнитного потока поля
помех.
В практике магнитного экранирования используются и плоские не
замкнутые экраны. В случае воздействия одной магнитной цепи на другу
при близком их взаимном расположении значительное ослабление
взаимной индуктивной связи можно получить, поместив между ними
плоский металлический экран (Рис. 6)
Рис. 6. Cхема расположения экрана между катушками.
Ослабление связи между катушками рекомендуется характеризовать
коэффициентом:
а). для медного экрана
K
осл
=10∙lg((6,35∙D
ср
∙d∙f)
2
+1) дБ (44)
б). для алюминиевого экрана
K
осл
=10∙lg((4∙D
ср
∙d∙f)
2
+1) дБ (45)
D
ср
– средний диаметр катушки, см.
d – толщина экрана, в см.
f – частота, кГц.
Эти выражения справедливы при условии, что ширина экрана
(перпендикулярно плоскости рисунка) превышает D
ср
или А
1
+А
2
, смотря по
тому, какая из этих величин больше.
2.6. Материалы для экранов
Металлические материалы :
Металлические материалы выбирают из условия:
o достижения заданной величены ослабления
электромагнитного поля и его составляющих в рабочем
диапазоне частот при соответствующих ограничениях
размеров экранов и его влияния на экранируемый объект;
o устойчивости против коррозии и механической прочности;
o технологичности конструкции экрана и получения требуемых
его конфигурации и высоко габаритных характеристик.
Первому требованию удовлетворяют практически все применяемые в настоящее
время листовые материалы (сталь, медь, алюминий, латунь), так как при
соответствующей их толщине обеспечивают достаточно высокую
эффективность экранирования.
Но в различных диапазонах рабочих частот при одинаковой толщине экрана
эффективность экранирования магнитных и немагнитных материалов будет
различной. То есть, пока экран работает как магнитостатический,
эффективность магнитных материалов значительно выше немагнитных. В
электромагнитном режиме в полосе частот, где эффективность экранирования
за счет отражения больше эффективности поглощения, немагнитные материалы,
обладающие большой проводимостью по сравнению с магнитными,
обеспечивают более высокую эффективность.
Однако в реальных экранах указанные свойства магнитных и немагнитных
материалов проявляются слабо. Ввиду экономических и конструктивных
соображений предпочтение отдается стальным конструкция экранов. И лишь
преимущества стали, теряются при экранировании токонесущих элементов,
критичных к вносимым в них потерям, (т.е. применение стальных экранов
ограничено из-за больших потерь, вносимых ими).
Применение стали для экранов обусловлено еще тем, что при монтаже такого
экрана можно широко использовать сварку.
Толщина стали, выбирается исходя из вида и назначения конструкции, условий
ее монтажа и из возможности осуществления сплошных сварных швов. При
сварке на переменном токе толщину берут примерно 1,5-2 мм, на постоянном
токе – около 1 мм, при газовой сварке – 0,8 мм.
К недостаткам листовых металлических экранов можно отнести :
высокую стоимость (бронза, серебро и т.д.)
значительный вес и габариты.
сложность пространственного решения конструкции.
низкую эффективность самого металла, реализуемую лишь на 10-
20% из-за несовершенства конструкции.
6
Сеточные материалы :
Сеточные материалы нашли широкое применение в экранировании из-за своих
преимуществ перед листовыми.
Металлические сетки значительно легче листовых материалов, проще в
изготовление, удобны в сборке и эксплуатации, обеспечивают достаточный
обмен воздуха, светопроницаемы, они обладают достаточной эффективностью
экранирования во всем диапазоне радиочастот. Однако, сетки имеют не
высокую механическую прочность, быстро теряют эффективность
экранирования из-за старения (эта потеря происходит за счет коррозии сеток,
поэтому сетки специально покрывают антикоррозийным лаком).
Экранирующие свойства металлических сеток проявляются главным образом в
результате отражения электромагнитные волны от их поверхности.
Параметрами сетки, определяющими ее экранирующие свойства, являются шаг
сетки S, равный расстоянию между соседними центрами проволоки, радиус
проволоки r и удельная проводимость материала сетки.
Различают густые и редкие сетки. К первым относятся сетки, для которых: S/
r 8. при S/r>8 – редкие сетки.
Фольговые материалы:
К ним относятся электрически тонкие материалы толщиной 0,01…0,05 мм. В
сортамент фольговых материалов входят в основном диамагнитные материалы –
алюминий, латунь, цинк. Стальные фольговые материалы промышленность не
выпускает.
Монтаж фольговых экранов несложен, т.к. крепление фольги к основе экрана
проводится приклепыванием. Выбор клея должен производится с учетом
условий эксплуатации экрана, к которым относятся температура, влажность,
вибрационные нагрузки и др. Выбор толщины материала должен производиться
с учетом возможностей возникновения резонансных явлений. Существуют
графики для различных материалов, где указывается для самой низшей
резонансной частоте экрана зависимость толщины от частоты при различной
эффективности экранирования.
Эффективность экранирования фольговыми материалами достаточно высока
для электромагнитного поля и электрической составляющей. Магнитную
составляющую такие материалы ослабляют сравнительно мало и тем меньше,
чем больше длина волны.
Токопроводящие краски:
Использование токопроводящих красок для электромагнитного экранирования
является весьма перспективным направлением, т.к. их применение исключает