Защита конструкции от воздействия помех

Помеха — непредусмотренный при проектировании ЭА сигнал, спо­собный вызвать нежелательное воздействие, выраженное в виде нарушения функционирования, искажения передаваемой или хранимой информации и т. п. Помехами могут быть напряжения, токи, электрические заряды, напря­женность поля и др. Источники помех весьма многообразны по физической природе и подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние помехи возникают внутри работающей аппаратуры. Источ­никами электрических помех являются блоки питания, цепи распределения электроэнергии, термопары, потенциалы, возникающие при трении. Источни­ками магнитных помех являются трансформаторы и дроссели. При наличии пульсаций выходного напряжения вторичных источников электропитания цепи распределения электроэнергии, тактирующие и синхронизирующие це­пи следует рассматривать как источники электромагнитных помех. Значи­тельные помехи создают электромагниты, электрические двигатели, реле и электромеханические исполнительные механизмы устройств ввода и вывода информации ЭА. Внутренними помехами являются помехи от рассогласова­ния волновых сопротивлений линий связи с входными и выходными сопро­тивлениями модулей, которые эти линии соединяют, а также помехи, возни­кающие по земле.

Под внешними помехами понимаются помехи сети электропитания, сварочных аппаратов, щеточных двигателей, передающей радиоэлектронной аппаратурой и пр., а также помехи, вызванные разрядами статического элек­тричества, атмосферными и космическими явлениями, ядерными взрывами.

Действие на аппаратуру внешних помех по физической природе аналогично действию внутренних помех.

Приемниками помех являются высокочувствительные усилители, ли­нии связи, магнитные элементы, характеристики которых изменяются под действием полей рассеивания источников помех. Помехи проникают в ап­паратуру непосредственно по проводам или проводникам (гальваническая помеха), через электрическое (емкостная помеха), магнитное (индуктивная помеха) или электромагнитное поле. Многочисленные проводники, входя­щие в состав любой аппаратуры, можно рассматривать как приемо­передающие антенные устройства, принимающие или излучающие электро­магнитные поля.

Гальваническая связь возникает в результате протекания токов и па­дения напряжений на электрических соединениях конструкций. На рис. 4.22 приведена схема, состоящая из М_n модулей с общим питающим напряжени­ем и общим нулевым потенциалом (землей).

Допустим, что из п модулей схемы функционирует последний модуль М_n,, а остальные находятся в режиме ожидания. При протекании тока к мо­дулю М_n на шинах питания и земле будет иметь место падение напряжений

Рис. 4.22. Принципиальная (а) и расчетная (б) схемы подвода питания и земли:

R₁ — выходное сопротивление вторичного источника питания; R_П R₃ — активное сопротивление участка шины питания и земли; L_П, L₃ — индуктивность участка шины питания и земли

U_П и U₃ (гальваническая помеха), которые могут сказаться на работоспособ­ности модулей М₁... M_n-1. При функционировании одновременно несколь­ких модулей схемы гальваническая помеха значительно возрастает. Поэтому проводники, объединяющие модули в единую систему, должны быть по возможности короткими, а их поперечные сечения возможно большими, что приводит к уменьшению активного сопротивления и индуктивности проводов. Радикальным способом устранения гальванической помехи является устранение цепей, по которым проходят совместные токи питания и земли как чувствительных к помехам схем, так и сравнительно не чувствительных мощных схем. Таким образом, по проводам, связывающим модули в систе­му, передаются как полезные сигналы, так и сигналы помехи. Эффективным схемным средством селективного ослабления помехи при отсутствии ослаб­ления и искажения сигнала является использование помехоподавляющих фильтров.

Фильтры характеризуются частотой среза f_cp и коэффициентом фильтрации К_ф, равным отношению сигнала на входе и выходе фильтра. В табл. 4.11 приведены электрические схемы и характеристики фильтров. Зная спектр частот полезного сигнала и помехи, задаваясь ослаблением помехи до приемлемых значений (в идеальном случае до нуля), по характеристикам выбирают схему фильтра или составляют многозвенный, состоящий из не­скольких фильтров.

Сетевые фильтры — полосопропускающие фильтры, передающие на выход только частоту сетевого напряжения и в то же время не допускающие передачи помех по проводам в сеть от источника электропитания. В схеме сетевого фильтра, приведенной на рис. 4.23, конденсатор C1 ослабляет про­тивофазные, а конденсаторы С2, С3 и трансформатор TV — синфазные по­мехи (симметрирующий трансформатор TV с одинаковым направлением намоток имеет высокое сопротивление синфазным помехам и низкое проти­вофазным). Сопротивление TV переменному току частоты сети фактически равно активному сопротивлению его обмоток. Для защиты аппаратуры от перенапряжений первичной сети в схему сетевого фильтра вводят газораз­рядники, варисторы, стабилитроны, предохранители (FU).

Рис. 4.23.Сетевой фильтр

Экраны включаются в конст­рукцию для ослабления нежелательно­го возмущающего поля в некотором ограниченном объеме до приемлемого уровня. Возможны два варианта защиты. В первом случае экранируемая аппара­тура размещается внутри экрана, а ис­точник помех — вне его, во втором — экранируется источник помех, а защищаемая от помех аппаратура распола­гается вне экрана. Первый вариант используют при защите от внешних по­мех, второй — внутренних. В обоих вариантах в качестве экранов исполь­зуются металлические оболочки.

Таблица 4.11. Избирательные однозвенные электрические фильтры

Наименование фильтра	Схема	Характеристика
Низкочастотный		i
Высокочастотный
Полосопропускающий
Полосоограничивающий

В ЭА функции экранов чаще всего выполняют кожухи, панели и крышки приборов блоков и стоек, при выборе материалов и расчете толщи­ны которых кроме соображений эффективности экранирования необходимо учитывать требования обеспечения механической прочности, жесткости, надежности соединения отдельных элементов, минимума массы.

Отверстия и щели в экранах уменьшают эффективность экранирова­ния, поэтому, конструируя экран, их необходимо исключать или свести к минимуму. Однако полностью от них избавиться невозможно. Щели возникают, если аппаратура защищается крышками и панелями (лицевыми, мон­тажными и др.), устанавливаемыми и закрепляемыми на каркасе.

Рис. 4.24. Модуль под воздействием электрического поля (а), защи­щенный экраном (б), экранированным проводом (в)

Отверстия вводятся в кожух для установки соединителей, элементов управления, ин­дикации, обеспечения нормального теплового режима. Эффективность эк­рана не ухудшится, если в его конструкции выполнены отверстия, макси­мальные размеры которых не превышают 1/2 минимальной длины волны экранируемого сигнала. Чтобы помеха не проникала через вентиляционные отверстия, на внутренних поверхностях кожухов с отверстиями закрепляет­ся металлическая сетка с размером шага не более 1/2 минимальной длины волны помехи.

Принцип действия электрического экрана рассмотрим на конкретном примере (рис. 4.24), когда между источником помехи И электрического поля (провод, по которому протекает ток) и входной-выходной линиями модуля имеет место емкостная связь на входную С_1и и выходную С_2и линии усили­теля (см. рис. 4.24, а), приводящая к искажению как входного, так и выход­ного сигнала. Результатом введения в конструкцию заземленного экрана Э высокой проводимости (см. рис. 4.24, б) будет появление паразитных емко­стей на экран источника помехи С_эи, входной С_1э и выходной С_2э линий. Ис­точник помех окажется подсоединенным на землю через емкость С_эи, а вход и выход схемы — нагруженными на емкости С_1э и С_2э, что должно учиты­ваться схемотехником при оценке параметров и характеристик схемы.

Тех же результатов для данного примера можно добиться, используя вместо общего экрана экранированные провода для входной и выходной линий (см. рис. 4.24, в). Более того, поскольку входной сигнал схемой уси­лителя увеличивается многократно, то чаще всего оказывается достаточным экранировать только входную цепь. Для устранения гальванической помехи по земле экраны проводов необходимо заземлять в одной точке, как это по­казано на схеме.

Рис. 4.25. Экранирование печатных про­водников платы

Рис. 4. 26. Экранирование печатных плат в блоке:

1 — проводящая пластина; 2 — монтажная панель; 3 — коробчатый экран; 4 — печат­ная плата с компонентами

При выполнении линий передачи схемы печатным способом (рис. 4.25) вводятся экранирующие трассы 1, коммутируемые с шиной нулевого потен­циала (землей) 2 и выполняющие функции экранов проводов. Если источник помехи И расположен на соседней плате, то защита схемы экранирующей трассой невозможна.

На рис. 4.26 показан блок из трех плат (незачерненных), установлен­ных в соединители монтажной панели 2. Левая и центральная платы защи­щены экранами в виде заземленной проводящей пластины 1. С правой сто­роны блока экранирующая пластина отсутствует, а защита чувствительной к помехе области платы с компонентами осуществляется заземляемым и фик­сируемым на плате коробчатым экраном 3.

В многослойных ПП (МПП) функции экрана выполняют сплошные слои фольги с нулевым потенциалом, поэтому в блоке, использующем МПП, необходимость в экранирующих пластинах отпадает.

Таким образом, защита от электрического поля сводится к введению в конструкцию заземленных металлических оболочек, пластин, трасс, сплош­ных металлических слоев МПП произвольной толщины и высокой электри­ческой проводимости. Заземляться экраны должны массивными короткими проводниками с минимальным индуктивным сопротивлением.

Экранные оболочки весьма разнообразны как по форме, так и по при­меняемым материалам. При выполнении экрана из отдельных конструктив­ных элементов необходимо особое внимание уделять электрической связи между элементами и общему заземлению. Чтобы конструктивные элементы кожуха блока (рис. 4.27) выполняли функцию экрана, детали 1 — 3, 6, 7 должны электрически объединяться между собой и с несущей конструкцией модуля, в который устанавливается блок. Для этого к элементам кожуха в легкодоступных местах с предвари­тельным удалением покрытия привари­ваются земляные лепестки 4, коммути­руемые между собой гибкими много­жильными проводами 5 пайкой.

Рис. 4.27. Электрическое объеди­нение деталей кожуха блока: 1 — передняя панель; 2 — крышка; 3 — стенка; 4 — контактный лепе­сток заземления; 5 — провод; б — задняя панель; 7 — дно

Легкосъемность конструкции обеспе­чивается заземлением под винт. Для надежного контакта под головку винта вводится пружинная шайба.

Задача экранирования магнитного поля сводится к уменьшению или полно­му устранению индуктивной связи меж­ду источником и приемником помехи. Если магнитный поток пересекает кон­тур, образуемый проводником (провод-

никами), то в контуре наводится помеха. Значение индуцируемого напряже­ния, В, помехи вычисляется по формуле

где В — магнитная индукция, Тл; S — площадь контура, м².

Для полного устранения или уменьшения напряжения помехи, наво­димой в контуре, необходимо:

• поместить контур в экран;

• ориентировать его так, чтобы магнитные силовые линии поля не пе­ресекали контур, а проходили вдоль него;

• уменьшить площадь контура.

Магнитные экраны выполняют как из ферромагнитных, так и немаг­нитных металлов. Ферромагнитные материалы с большой относительной магнитной проницаемостью (мю) обладают малым магнитным сопротивлением, в результате чего линии магнитного поля будут шунтированы материалом экрана, и пространство внутри экрана не будет подвергаться воздействию магнитного поля (рис. 4.28). Стрелками на рисунке показано направление воздействия магнитного поля.

Магнитное экранирование тем эффективнее, чем больше магнитная проницаемость экрана и толще экран. Однако, если напряженность магнит­ного экрана станет равной или превысит коэрцитивную силу материала эк­рана, то произойдет его намагничивание до насыщения. Когда насыщенный слой достигнет внутренней поверхности стенки экрана, магнитное поле поя­вится внутри экранируемого пространства. При выборе материала экрана необходимо помнить, что магнитная проницаемость с увеличением частоты поля уменьшается и это сказывается на эффективности экранирования.

Рис. 4.28. Ферромагнитный экран

Ферромагнитные материалы эффективно защищают аппаратуру в диапазоне частот от 0 до 10 кГц.

Рис. 4.29. Экранирование магнитного поля немагнитными металлами

Действие экрана из немагнитного металла основано на вытеснении внешнего магнитного поля из внутреннего пространства прибора материа­лом экрана. Внешнее переменное магнитное поле создает индукционные вихревые токи в экране, а те, в свою очередь, — магнитное поле, направ­ленное навстречу внешнему полю внутри экрана, а за экраном — совместно с направлением внешнего (возбуждающего) поля (рис. 4.29). У экранов из немагнитных металлов эффективность экранирования повышается с увели­чением толщины и проводимости материала экрана. Магнитное поле часто­той выше 10 МГц достаточно надежно экранируется, если на диэлектриче­ский кожух наносится медное или серебряное покрытие толщиной не более 100 мкм. Толщина немагнитного экрана может в несколько раз превысить толщину ферромагнитного, обеспечивающего на фиксированной частоте оди­наковое ослабление. Использование ферромагнитного материала позволяет

Рис. 4.30. Расположение сетевого трансформато­ра и дросселя фильтра: 1,3 — магнитопровод; 2,4 — обмотка

Рис. 4.31. Внешний контур — экран печатной платы: 1— печатная плата; 2 — печатная трасса контура; 3 — соединитель; 4 — провод контура

значительно снизить массу экрана. При экранировании магнитного поля за­земление экрана не обязательно, поскольку оно не влияет на качество экра­нирования.

Однако перед тем как конструировать экран, необходимо предусмот­реть все меры, чтобы избавиться от помехи более простым и дешевым спо­собом. Например, во вторичном источнике питания имеет место сетевой трансформатор TV и дроссель фильтра L (рис. 4.30), которые обычно распо­лагаются рядом. Поле рассеяния TV захватывается магнитопроводом дрос­селя и в дросселе будет наводиться значительная сетевая помеха (см. рис. 4.30, а), поскольку линии поля TV направлены ортогонально виткам обмотки L. Помеху можно уменьшить, разместив TV и L как можно дальше друг от друга или целиком устранить, ориентируя дроссель так, чтобы силовые линии поля TV проходили вдоль витков обмотки дросселя (см. рис. 4.30, б).

Уменьшение площади контура, пересекаемого силовыми линиями магнитного поля, получают укладыванием сигнальных проводников непо­средственно по заземленным монтажным панелям модулей.

Защитным контуром ТЭЗ от действия магнитного поля может служить печатная трасса по контуру платы, коммутируемая с крайними выводами соединителя, и провод 4, подпаянный к соответствующим выводам ответной части 3 соединителя (рис. 4.31). Возникающий в замкнутом контуре индук­ционный ток имеет такое направление, что создаваемый им магнитный по­ток стремится компенсировать изменение магнитного потока, которым вы­зывается данный ток. В результате схема на плате внутри контура не будет подвержена воздействию паразитного магнитного поля.

Электромагнитное экранирование охватывает диапазон частот от 1 кГц до 1 ГГц. Действие электромагнитного экрана основано на отражении элек­тромагнитной энергии и ее затухании в толще экрана. Как видно из рис. 4.32, электромагнитная энергия W отражается на границах диэлектрик-экран

Рис. 4.32. Электро­магнитный экран

W _дэ и экран-диэлектрик W _эд, затухает в толще экрана W_э и частично проникает в экранируемое пространст­во W _п.

Экранирование поглощением объясняется теп­ловыми потерями на вихревые токи в материале экра­на, экранирование отражением — несоответствием волновых параметров материала экрана и окружаю­щей среды. Для нижней границы частотного диапазо­на первостепенное значение приобретает отражение, для верхней границы — поглощение электромагнитной энергии. Электромагнитное экранирование выполня­ется как немагнитными, так и магнитными металла­ми. Немагнитные металлы высокой проводимости можно эффективно использовать в низкочастотной части спектра, ферромагнитные материалы высокой магнитной проницае­мости и электрической проводимости — во всем частотном диапазоне элек­тромагнитного поля. Толщина экрана должна быть по возможности наи­большей.

Можно дать следующие рекомендации по выбору материалов при электромагнитном экранировании. Для частот менее 1 МГц хорошие ре­зультаты дают медные и алюминиевые экраны, а при частотах выше 1 МГц — экраны из стали. Однако наилучшие результаты можно полу­чить при применении многослойных экранов — последовательно чере­дующихся слоев магнитных и немагнитных металлов. Возможны различ­ные варианты материалов слоев: медь—пермаллой—медь, пермаллой— медь, медь—сталь—медь и др. Введение воздушного промежутка между слоями в 20...40 % суммарной толщины экрана улучшит эффективность экранирования. При защите аппаратуры от внешнего поля материал с низкой магнитной проницаемостью помещают наружу, с высокой — внутрь. Если экран защищает источник электромагнитного поля, то мате­риал с низкой магнитной проницаемостью должен быть внутренним сло­ем, а с высокой — наружным.

В табл. 4.12 приведены свойства немагнитных, а в табл. 4.13 — магнитных металлов. Из немагнитных материалов с позиций минималь­ной стоимости и массы наилучшими свойствами обладает магний, но он легко корродирует, а образующийся слой окисла ухудшает контакт экра­на с корпусом изделия. Цинк дешевле меди, имеет меньшую плотность, но мягок. Латунь по своим параметрам занимает среднее положение в ряду материалов, но благодаря отличным антикоррозионным свойствам и стабильности сопротивления электрического контакта ее можно реко­мендовать для широкого применения в качестве материала экрана.

Таблица 4.12. Немагнитные материалы экранов

Материал	Плотность, кг/м^3	Удельное сопро­тивление, Ом • мм^2/м	Относительная стоимость
Алюминий Латунь Медь Магний Серебро Цинк		0,028 0,06 0,0175 0,042 0,018 0,059	0,29 0,85 0,6 0,36 34,0 0,17

Таблица 4.13. Ферромагнитные материалы экранов

Материал	Плот­ность, кг/м^3	Удельное сопротивление, Ом • мм^2/м	Магнитная про­ницаемость И,26-10-^б,Гн/м	Индукция, Тл	Напря­женность, А/м
Никель Железо Сталь ЭЗ10 Пермаллой 45Н 79НМ	8900 7880 7750   8180 8750	0,1 0,098 0,5   0,55 0,50		0,85 1,70 1,75   1,50 0,75

Железо, если бы не низкая его коррозионная стойкость, является наи­лучшим материалом для магнитных экранов. В ЭА получили распростране­ние экраны из стали и пермаллоев. Стальные экраны с малой начальной магнитной проницаемостью обеспечивают малое, но постоянное экраниро­вание как на низких, так и на частотах вплоть до десяти килогерц. Экраны из пермаллоев с высокой начальной проницаемостью позволяют получить эффективное экранирование, но в узком диапазоне частот от нуля до не­скольких сотен герц. С увеличением частоты возрастают вихревые токи эк­рана, которые вытесняют магнитное поле из толщи экрана и уменьшают его магнитопроводимость, а это сказывается на эффективности экранирования.

Расчеты экранов сводятся к определению ослабления нежелательного поля внутри экранируемого пространства при выбранном материале и тол­щины стенки экрана.

Дата добавления: 2014-01-04