Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА РЭС

Евстафьев В. В., Енгибарян И. А., Сахаров И. А.,

4.5. Учет электромагнитной совместимости (ЭМС)

ЭМС РЭС – способность функционировать совместно и одновременно с другими техническими средствами в условиях возможного влияния непреднамеренных электромагнитных помех, не создавая при этом недопустимых помех другим средствам.

Уровни решения задач обеспечения ЭМС:

– межсистемный;

– внутрисистемный;

– внутриаппаратный (внутри блока).

Основные способы:

– экранирование – установка проводящей конструкции (экрана) уменьшающая непреднамеренные (можно и преднамеренные) помехи на рецептор (рис. 4.2, 4.3);

– заземление – электрическая цепь, обладающая свойством сохранять минимальный потенциал в данном изделии.

Рис. 4.2. Эквивалентная электрическая схема без экранирования

Влияние паразитных электромагнитных излучений осуществляется за счет возникновения паразитной емкости CCB. В результате на активном сопротивлении образуется напряжение помехи

Рис. 4.3. Эквивалентная электрическая схема при применении экранирования

При экране возникает емкость , состоящая из двух последовательно включенных емкостей Сэп и Сэр:

где Сэп – емкость между источником помех и экраном; Сэр – емкость между экраном и рецептором.

Экраны включаются в конструкцию для ослабления нежелательного возмущающего поля в некотором ограниченном объеме до допустимого уровня. Возможны два варианта защиты. В первом случае экранируемая аппаратура размещается внутри экрана, а источник помех – вне его. Во втором случае экранируется источник помех, а защищаемая аппаратура располагается вне экрана. В обоих вариантах в качестве экранов используются металлические оболочки.

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

Эффективность экрана не ухудшится, если в его конструкции выполнены отверстия, max размеры которых не превышают 1/2 min длины волны экранируемого сигнала. Чтоб помеха не проникала через вентиляционные отверстия, на внутренних поверхностях кожухов с отверстиями закрепляется металлическая сетка с размером шага не более 1/2 min длины волны помехи.

Принцип действия электрического экрана состоит в том, что конструкция заземленного экрана высокой проводимости обеспечивает появление паразитных емкостей на экран источника помехи, входной и выходной линий и источник помех окажется подсоединенным на землю. Таких результатов можно достигнуть используя вместо общего экрана экранированные провода для входной и выходной линий.

При выполнении линий передачи схемы печатным способом вводятся экранируемые трассы, коммутируемые с шиной нулевого потенциала (землей) и выполняющие функции экранов проводов. В 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.

Задача экранирования магнитного поля сводится к уменьшению или полному устранению индуктивной связи между источником и приемником помехи. Для полного устранения или уменьшения напряжения помехи, наводимой в контуре, необходимо:

– поместить контур в экран;

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

– уменьшить площадь контура.

Магнитные экраны выполняются как из ферромагнитных, так и не магнитных материалов. Ферромагнитные материалы с большой относительной магнитной проницаемостью μ обладают малым магнитным сопротивлением, в результате чего линии магнитного поля будут шунтированы материалом экрана и пространство внутри экрана не будет подвергаться воздействию 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. Ферромагнитные материалы эффективно защищают аппаратуру в диапазоне частот от 0 до 10 кГц.

Действие экрана из немагнитного металла основано на вытеснении внешнего магнитного поля из внутреннего пространства прибора материалом экрана. Внешне 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. 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 значительно снизить массу экрана. При экранировании магнитного поля заземление экрана не обязательно, поскольку оно не влияет на качество экранирования.

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.

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. 4.2 приведены свойства немагнитных, а в табл. 4.3 – магнитных металлов. Из немагнитных материалов с позицией 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 4.2

Немагнитные материалы экранов

Материал	Плотность, кг/м3	Удельное сопротивление, Ом∙мм2/м	Относительная стоимость
Алюминий	2700	0,028	0,29
Латунь	8700	0,06	0,85
Медь	8890	0,0175	0,6
Магний	1740	0,042	0,36
Серебро	10500	0,018	34,0
Цинк	7140	0,059	0,17

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.

Таблица 4.3

Ферромагнитные материалы экранов

Материал	Плотность, кг/м3	Удельное сопротивление, Ом мм2/м	Магнитная проницаемость μ∙1,26∙10–6, Гн/м	Индукция, Тл	Напряженность, А/м
Никель	8900	0,1	20000	0,85	30
Железо	7880	0,098	1000	1,70	27
Сталь ЭЗ10	7750	0,5	1000	1,75	10
Пермаллой 45H 79HM	8180 8750	0,55 0,50	2000 10000	1,50 0,75	20 5

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