Магнитного поля

Принципы экранирования высокочастотного

Экранирование переменного высокочастотного магнитного поля производится с помощью экранов, изготовленных из немагнитных и ферромагнитных металлов. Оно основано на использовании того же явления магнитной индукции, которое приводит к возбуждению на­веденных ЭДС и токов. Таким образом, явление индукции, временно квалифицированное нами как нежелательное, делается опять полезным.

Поставим на пути равномерного переменного магнитного поля (рис. 10, а) медный цилиндр. В нем возбудятся переменные ЭДС, которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные

вихревые токи (токи Фуко). Магнитное поле этих токов (рис. 10, б) будет замкнутым; внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами - в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле (рис. 10, в) оказывается ослабленным внутри цилиндра и усиленным вне его, т. е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие. Очевидно, что оно будет тем больше, чем больше создаваемое цилиндром обратное магнитное поле и, следовательно, чем больше протекающие по нему вихревые токи. Этот вид экранирования называется электромагнитным или вытеснением магнитного поля экраном.

Вихревые токи в экранирующем цилиндре распределяются неравномерно по его сечению. Это вызывается явлением поверхностного эффекта («скин-эффекта»), сущность которого заключается в том, что переменное магнитное поле ослабляется по мере проникновения в глубь металла, так как внутренние слои экранируются вихревыми токами, циркулирующими в поверхностных слоях.

Из-за поверхностного эффекта плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в

а) гГ) т

Рис. 10. Вытеснение магнитного поля вихревыми токами в экране металл падает по экспоненциальному закону:

(7)

где J _х и J_o - плотность тока на глубине х и на поверхности соответ-ственно; 8 - показатель уменьшения поля и тока, который называют эквивалентной глубиной проникновения, м,

(8)

Здесь а - удельная проводимость материала экрана, См/м; м =Ц₀ I^х _г -магнитная проницаемость материала; Ц_о ⁼1,2566-10"⁶ - магнитная проницаемость вакуума, Гхм-¹; \i _r - относительная магнитная

проницаемость материала; (o=2nf - угловая частота; X - длина волны в воздухе, м.

Величиной эквивалентной глубины проникновения удобно характеризовать экранирующий эффект вихревых токов. Чем меньше 8, тем больший ток течет в поверхностных слоях экрана, тем больше создаваемое им обратное магнитное поле, вытесняющее из пространства, занятого экраном, внешнее поле источника наводки.

Если экран сделан из немагнитного материала, то в выражении
(8) м=Ц₀ и экранирующий эффект зависит только от удельной

проводимости материала и частоты экранируемого поля.

Если экран сделан из ферромагнитного материала, то при прочих равных условиях внешним полем в нем будет наводиться большая ЭДС благодаря большей концентрации магнитных силовых линий. При одинаковой удельной проводимости материала увеличатся вихревые токи, что приведет к меньшей глубине проникновения и к лучшему экранирующему эффекту. Этим объясняется наличие в знаменателе выражения (8) величины магнитной проницаемости ц. В результате экранирующее действие вытеснением магнитного поля, даваемое любым металлом магнитным и немагнитным, характеризуется произведением ца.

Из выражения (7) после подстановки в него значения х = 8 следует, что на глубине 8 плотность тока и напряженность магнитного поля падает в е раз, т. е. до величины 1/2,72,

составляющей 0,37 от плотности и напряженности на поверхности. Так как ослабление поля всего в 2,72 раза на глубине 8 недостаточно для характеристики экранирующего материала, то пользуются еще

двумя величинами глубины проникновения S₀,i и §_о,оь

характеризующими падение плотности тока и напряженности поля в 10 и 100 раз от их значений на поверхности.

Для определения этих величин на основании выражения (7) составим уравнения

решив которые, получим

(9)

Для всех высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого применяемого металла толщиной 0,5... 1,5 мм действует весьма эффективно.

При выборе толщины и материала экрана следует исходить не из электрических свойств материала, а руководствоваться соображениями механической прочности, веса, жесткости, стойкости против коррозии, удобства стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобства пайки, сварки и пр.

Для частот выше 10 МГц медная, и тем более серебряная, пленка толщиной около 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита.

Значения глубины проникновения для стали с относительной магнитной проницаемостью Ц. _г =50 показывают, что и на высоких частотах сталь дает больший экранирующий эффект, чем немагнитные металлы. Однако в случае применения экранов из стали необходимо учитывать то, что они могут вносить значительные потери в экранируемые цепи вследствие большого удельного сопротивления р и явления гистерезиса. Поэтому такие экраны применимы только в тех случаях, когда с вносимыми потерями можно не считаться.

Листовая сталь обычно не применяется в качестве сердечников высокочастотных катушек, так как вносит весьма большие потери. В этих случаях применяют сердечники из магнитодиэлектриков, которые имеют малые потери и малую относительную магнитную проницаемость ц _г.

В связи с этим существует ошибочное мнение о том, что f-i _r листовой стали резко падает с повышением частоты, в то время как малое изменение индуктивности при внесении листовой стали в катушку вызывается не столько малым fi _г, сколько размагничивающим действием вихревых токов. В диапазоне частот 10... 100 МГц магнитная проницаемость стали изменяется мало и не может упасть ниже 50 [2,9].

Для приближенного расчета учтем, что эффективность экранирования вихревыми токами определяется двумя факторами: обратным полем, создаваемым токами, протекающими в экране, и поверхностным эффектом в материале экрана. На низких частотах, когда толщина экрана d < 8, поверхностный эффект незначителен, действует практически только первый фактор и расчет производится по приближенному уравнению [2,5,9]

На высоких частотах, при относительно толстом материале экрана d > 8 действуют оба фактора и эффективность экранирования можно определить по приближенному уравнению [9]

(11)

В последних двух уравнениях d - толщина стенок экрана; D - ширина коробки прямоугольного экрана или диаметр цилиндрического и сферического экрана; т - коэффициент формы экрана, для прямоугольного т=\, для цилиндрического т=2, для сферического т=3.

На частотах 0,1... 1 кГц экранирование вихревыми токами почти не действует и получить ослабление магнитного поля можно только шунтированием его ферромагнитным материалом с большой ц _г. С по-вышением частоты увеличивается поверхностный эффект, вытесняющий магнитное поле из толщи ферромагнитного материала, уменьшается действующая толщина экрана и эффективность экранирования шунтированием поля падает, а вытеснением поля растет.

Получение большой эффективности экранирования магнитного поля в диапазоне частот 0,1... 1 кГц является труднейшей задачей. К конструированию экранов, действующих в этом диапазоне, прибегают в исключительных случаях, когда исчерпаны все другие способы ослабления паразитной индуктивной связи, включая отказ от применения трансформаторов и дросселей или перемещение их в удаленные блоки. Изредка пользуются многослойными экранами из различных материалов [9].

На частотах выше 10 кГц всегда можно подобрать материал и его толщину так, чтобы получить d > 8. Это позволяет пользоваться формулой (11), состоящей из произведения двух членов, из которых первый зависит только от отношения d I 8, а второй всегда больше единицы. Пренебрегая увеличением эффективности экранирования, даваемым вторым членом, получим выражение для минимальной эффективности

удобное для ориентировочных расчетов.

При правильно выбранной толщине и материале экрана рассчитанная эффективность экранирования магнитного поля почти всегда оказывается намного больше необходимой. Коэффициент паразитной индуктивной связи пропорционален паразитной взаимоиндуктивности Мпар. Очевидно, что подобно паразитной емкостной связи остаточная паразитная индуктивная связь после экранирования магнитного поля будет пропорциональна М' пар. Учитывая, что все другие величины при экранировании не изменяются, получим, что действительная эффективность экранирования магнитного поля

(13)

зависит исключительно от качества конструкции и выполнения экрана.

Дата добавления: 2014-01-07