Студент группы 2892б Налетов Д.А.

Студент группы 2892б Налетов Д.А.

 

____________________

(подпись)

 

Руководитель: преподаватель Гулин С.В.

 

____________________

(подпись)

 

 

Ханты-Мансийск – 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................. 3

1. ЭКРАНИРОВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ............................................................................... 4

2. ЭКРАНИРОВАНИЕ СИГНАЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ.............................................................. 6

3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКРАНИРОВАНИЯ........................................................................ 11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................... 12

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................................ 13

 

ВВЕДЕНИЕ

При протекании электрического тока в проводнике излучается электромагнитная энергия, которая зависит от амплитуды и частоты протекающего тока. В любом проводнике, помещенном в поле излучения, будет наводиться некоторая энергия, а следовательно, может возникать паразитная связь между различными частями схемы. В некоторых случаях этот эффект можно уменьшить, путем такого расположения элементов электронной схемы, при котором в проводнике индуцируются равные, но противоположные по знаку напряжения. Приведенная ранее рекомендация о скручивании двух проводников, по которым протекает переменный ток, базируется как раз на этом принципе. Такой метод эффективен на частотах до 5 кГц, и его эффективность зависит от равномерности и плотности скручивания проводов. Достаточно хорошие результаты дает удаление элементов схемы от источников излучения, так как с увеличением расстояния поток излучаемой энергии уменьшается. В тех случаях, когда перечисленные методы оказываются неэффективными, необходимо попытаться задержать излучаемое поле с помощью проводящего экрана.

 

 

1. ЭКРАНИРОВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ

Экранирование проводников осуществляет­ся гибким экраном - чулком. Для хорошего экранирования электрического поля необходимо минимизировать длину провода, выходящего за пределы экрана и обеспечить его хорошее заземление. Заземление экрана в одной точке дает хороший эффект для провода, длина которого не превышает 1/20 длины волны поля помехи. Для длинных проводов может потребоваться заземление экрана в нескольких точках. Напряже­ние помехи, наведенное полем на проводник, можно оценить из соотношения

(2.54)

где ω - частота сигнала источника помех; R - сопротивление приемника; U_Ш - напряжение источника помех (шума); С - ем­кость между источником помех и неэкранированной частью проводника.

При экранировании элементов и узлов экран представляет собой металлическую перегородку, разделяющую конструкцию СИ на области.

Эффективность экранирования можно определить как создавае­мое экраном уменьшение напряженности поля

(2.55)

где E₀ (Н₀) – напряженность падающей волны; E₁ (Н₁) - напря­женность прошедшей волны на выходе из экрана.

Для плоского экрана

(2.56)

где К_ПОГЛ, К_ОТР - потери на поглощение и отражение; К_М.ОТР - кор­ректирующий коэффициент.

Для электрического поля основным механизмом экранирования являются потери на отражение. Чем меньше полное сопротивле­ние экрана, тем больше потери на отражение. Сопротивление будет минимальным при изготовлении экрана из материала с высокой проводимостью и малой магнитной проницаемостью. Так как отражение электрических полей происходит главным образом от поверхности экрана, то даже очень тонкий экран обеспечивает хорошее экранирование.

Для магнитного поля низкой частоты основным механизмом экранирования являются потери на поглощение. Поэтому для такого экрана необходимо использовать магнитный материал с высокой магнит­ной проницаемостью и достаточной толщиной. Для уменьшения влияния на проницаемость напряженности магнитного поля, необходимо применять многослойный экран, делая первый экран из материала с высоким уровнем насыщения, а второй - из материала с высокой магнитной проницаемостью.

На практике эффективность экранирования мате­риала экрана значительно уменьшается за счет наличия в экране швов, соединений и отверстий. Проникновение помех через разрывы в экране зависит от трех факторов: а) максимального линейного размера (не площади) отверстия; б) волнового сопро­тивления; в) частоты сигнала источника. Величина щели в экране должна быть меньше 1/ 100 длины волны экранируемого поля.

 

 

 

2. ЭКРАНИРОВАНИЕ СИГНАЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ

Для устранения паразитной емкостной связи и электростатических зарядов используют электростатический экран в виде проводящей трубки (чулка), охватывающей экранируемые провода, а для защиты от магнитного поля используют экран из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Рассмотрим заземление экранов при передаче сигнала по витой экранированной паре, поскольку этот случай наиболее типичен для систем промышленной автоматизации.

 

Рис. 2.1. Пример неправильного заземления экрана кабеля на низких частотах (с двух сторон)   Рис. 2.2. Пример неправильного заземления экрана кабеля - со стороны приемника сигнала

Если частота помехи не превышает 1 МГц, то кабель нужно заземлять с одной стороны. Если его заземлить с двух сторон (рис. 2.1), то образуется замкнутый контур, который будет работать как антенна, принимая электромагнитную помеху (на рис. 2.1 путь тока помехи показан штриховой линией). Ток, протекающий по экрану, является источником индуктивных наводок на соседних проводах и проводах, находящихся внутри экрана. Хотя магнитное поле тока оплетки внутри экрана теоретически равно нулю, но вследствие технологического разброса при изготовлении кабеля, а также ненулевого сопротивления оплетки наводка на провода внутри экрана может быть значительной. Поэтому экран нужно заземлять только с одной стороны, причем со стороны источника сигнала.

Если точки заземления концов кабеля разнесены на большое расстояние, между ними может существовать разность потенциалов, вызванная блуждающими токами в земле или помехами в шине заземления. Блуждающие токи наводятся электрифицированным транспортом, (трамваями, поездами метрополитена и железных дорог), сварочными агрегатами, устройствами электрохимической защиты, естественными электрическими полями, вызванными фильтрацией вод в горных породах, диффузией водных растворов и др.). Особенно большие токи возникают при ударе молнии. Блуждающие токи вызывают разность потенциалов между концами оплетки кабеля и паразитный ток, который также наводит в центральных жилах помеху вследствие взаимной индукции.

Рис. 2.3. Правильное заземление экрана. Конденсатор используется для ослабления высокочастотных помех Рис. 2.4. Заземление экрана длинного кабеля на высоких частотах

Оплетку кабеля надо заземлять со стороны источника сигнала. Если заземление сделать со стороны приемника (рис. 2.2), то ток помехи будет протекать по пути, показанному на рис. 2.2 штриховой линией, т.е. через емкость между жилами кабеля, создавая на ней и, следовательно, между дифференциальными входами, напряжение помехи. Поэтому заземлять оплетку надо со стороны источника сигнала (рис. 2.3). В этом случае путь для прохождения тока помехи отсутствует.

Если источник сигнала не заземлен (например, термопара), то заземлять экран можно с любой стороны, т.к. в этом случае замкнутый контур для тока помехи не образуется.

На частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана и токи емкостной наводки создают на нем большое падение напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через емкость между оплеткой и жилами. Кроме того, при длине кабеля, сравнимом с длиной волны помехи (длина волны помехи при частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц - 30 м) возрастает сопротивление оплетки (см. раздел Модель «земли»), что резко повышает напряжение помехи на оплетке. Поэтому на высоких частотах оплетку кабеля надо заземлять не только с обеих сторон, но и в нескольких точках между ними (рис. 2.4). Эти точки выбирают на расстоянии 1/10 длины волны помехи одна от другой. При этом по оплетке кабеля будет протекать часть тока , передающего помеху в центральную жилу через взаимную индуктивность. Емкостной ток также будет протекать по пути, показанному на рис. 2.2, однако высокочастотная компонента помехи будет ослаблена. Выбор количества точек заземления кабеля зависит от разницы напряжений помехи на концах экрана, частоты помехи, требований к защите от ударов молнии или от величины токов, протекающих через экран в случае его заземления.

В качестве промежуточного варианта можно использовать второе заземление экрана через емкость (рис. 2.3). При этом по высокой частоте экран получается заземленным с двух сторон, по низкой частоте - с одной. Это имеет смысл в том случае, когда частота помехи превышает 1 МГц, а длина кабеля в 10…20 раз меньше длины волны помехи, т.е. когда еще не нужно выполнять заземление в нескольких промежуточных точках. Величину емкости можно рассчитать по формуле , где - верхняя частота границы спектра помехи, - емкостное сопротивление заземляющего конденсатора (доли Ома). Например, на частоте 1 МГц конденсатор емкостью 0,1 мкФ имеет сопротивление 1,6 Ом. Конденсатор должен быть высокочастотным, с малой собственной индуктивностью.

Рис. 2.5. Двойное экранирование длинного кабеля

Для качественного экранирования в широком спектре частот используют двойной экран (рис. 2.5) [Zipse]. Внутренний экран заземляют с одной стороны, со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение емкостной помехи по механизму, показанному на рис. 2.2, а внешний экран уменьшает высокочастотный наводки.

Во всех случаях экран должен быть изолирован, чтобы предотвратить случайные его контакты с металлическими предметами и землей.

Напомним, что частота помехи - это частота, которую могут воспринимать чувствительные входы средств автоматизации. В частности, если на входе аналогового модуля имеется фильтр, то максимальная частота помехи, которую надо учитывать при экранировании и заземлении, определяется верхней граничной частотой полосы пропускания фильтра.

Поскольку даже при правильном заземлении, но длинном кабеле помеха все равно проходит через экран, то для передачи сигнала на большое расстояние или при повышенных требованиях к точности измерений сигнал лучше передавать в цифровой форме или через оптический кабель. Для этого можно использовать, например, модули аналогового ввода RealLab! серии NL с цифровым интерфейсом RS-485 или оптоволоконные преобразователи интерфейса RS-485, например типа SN-OFC-ST-62.5/125 фирмы НИЛ АП.

Нами было проведено экспериментальное сравнение различных способов подключения источника сигнала (терморезистора сопротивлением 20 КОм) через экранированную витую пару (0,5 витка на сантиметр) длиной 3,5м. Был использован инструментальный усилитель RL-4DA200 с системой сбора данных RL-40AI фирмы НИЛ АП. Коэффициент усиления канала усиления был равен 390, полоса пропускания 1 КГц. Вид помехи для схемы рис. 2.6-а представлен на рис. 2.7.

Как следует из рис. 2.6, отказ от экранирования увеличивает величину помехи в 4 раза (рис. 2.6-б, переход к одиночному включению вместо дифференциального (рис. 2.6-в увеличивает помеху в 5 раз, а если еще и отказаться от экрана, то помеха увеличивается в 230 раз (рис. 2.6-г.) На рисунках приведено среднеквадратичное значение напряжения помехи в полосе частот 0,01...5 Гц, полученное на выходе приемника сигнала.

a) величина помехи - 15 мкВ		б) величина помехи - 61 мкВ
в) величина помехи - 78 мкВ		г) величина помехи - 3584 мкВ

Экран, защищающий от паразитных индуктивных связей, сделать гораздо сложнее, чем электростатический экран. Для этого нужно использовать материал с высокой магнитной проницаемостью и, как правило, гораздо большей толщины, чем толщина электростатических экранов. Для частот ниже 100 КГц можно использовать экран из стали или пермаллоя. На более высоких частотах можно также использовать алюминий и медь.

Рис. 2.7. Вид помехи, соответствующий схеме включения по рис. 2.6-а

В связи со сложностью экранирования магнитной составляющей помехи особое внимание следует уделить уменьшению индуктивности сигнального провода и использовать балансные цепи передачи сигнала или оптический кабель.

3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКРАНИРОВАНИЯ

Коэффициент экранирования коаксиального кабеля — это способность его внешнего проводника (фольга + оплетка) в той или иной мере снижать уровень электромагнитного сигнала, воздействующего на него и проникающего в него из внешней среды

Эта величина, измеряемая в дБ, показывает, насколько затухают в кабеле сигналы внешних помех. Аналогично защищаются сигналы, передаваемые по кабелю. Хорошо экранированные кабели не излучают во внешнюю среду. Наилучший и наиболее экономичный метод - это экранирование фольгой с оплеткой. С увеличением толщины и плотности покрытия внешнего проводника коэффициент экранирования улучшается.

Есть мнение, что чем гуще оплетка, тем лучше кабель. Это не совсем так! Внешний проводник, каким является фольга + оплетка, выполняет функцию экрана и не влияет на потери сигнала в кабеле. Другими словами одинаковые кабели, но с разной плотностью оплетки, например 40% и 90%, будут иметь одинаковое затухание. Основные экранирующие функции выполняет слой фольги. Оплетка же играет вторичную экранирующую функцию (в кабелях с фольгой) и больше предназначена для передачи тока и придания гибкости кабелю. Т.е. чем больше плотность оплётки, тем больший ток можно передать (например при дистанционном питании усилителей). При увеличении плотности оплётки с 40% до 70% коэффициент экранирования возрастает всего на 5 Дб, при этом стоимость кабеля возрастает.

Необходимо отметить, что при передаче по кабелю цифровых сигналов телевидения, на первый план выдвигаются именно коэффициент экранирования, а также параметр кабеля, называемый Structural Return Loss, эквивалентный коэффициенту отражения на внутренних "неоднородностях" волнового сопротивления.

Минимальное экранирование — естественно у кабелей, имеющих в качестве экрана одну только оплетку.

Максимально возможное экранирование — у кабелей с тройным экраном (фольга + оплетка + фольга).

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экранировать электрические поля намного легче, чем магнитные. Помещение проводников в немагнитные экраны само по себе не обеспечивает магнитного экранирования. Экран, заземленный в одной или нескольких точках, дает защиту от электрических полей. Основой магнитного экранирования от внешнего магнитного поля является уменьшение площади контура. Для этого используют витую пару или коаксиальный кабель, чтобы ток возврата проходил через экран, а не через шасси заземления. В коаксиальном кабеле, заземленном с обоих концов, на частотах выше пятикратной частоты среза экрана фактически весь ток возврата течет по экрану.

В цепи, заземленной с обоих концов, можно обеспечить лишь частичное экранирование от вешнего магнитного поля, поскольку в этом случае образуется контур заземления. Экран, по которому протекают токи шумов, не должен быть частью сигнальной цепи. На низких частотах необходимо использовать экранированную витую пару или триаксиальный кабель. На высоких частотах коаксиальный кабель вследствие скин-эффекта действует как триаксиальный. Эффективность экранирования витой пары повышается с увеличением числа витков на единицу длины. Рассмотренные здесь эффекты экранирования от вешнего магнитного поля справедливы для цилиндрического экрана, ток в котором равномерно распределен по окружности. Для предотвращения излучения поля проводником на частоте выше частоты среза экрана применяется экран, заземленный с обоих концов. В симметричных системах должны быть сбалансированы как активные, так и реактивные сопротивления.

Чем лучше баланс, тем меньше шумов будет проникать в систему. Для обеспечения дополнительного шумоподавления симметрирование можно применять совместно с экранированием. Чем меньше волновое сопротивление цепи разводки питания постоянного тока, тем меньше связь по шумам через эту цепь. Поскольку большинство шин питания не обеспечивает малого полного сопротивления, каждая нагрузка должна быть шунтирована развязывающим конденсатором. С точки зрения шумов рассеивающий фильтр предпочтительнее реактивного. С целью минимизации шумов полосу пропускания системы следует ограничивать до полосы, необходимой для передачи сигнала. Быстродействующие цифровые логические схемы из-за высокой скорости их переключения могут быть источником магнитных полей, создающих помехи. Цифровые логические схемы со столбовой конфигурацией выхода во время переключения создают для источника питания цепь с малым импедансом.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: Энергия, 1975.-109с.:(Библиотека по радиоэлектронике; Вып.58)

2. Воробьев Е. А. Экранирование СВЧ-конструкций. - М.: Сов. радио, 1979, 136 с., ил. (Библиотека радиоконструктора)