Экранирование от магнитных полей

Помехи от электростатических и электрических полей могут быть значительно сни­жены при применении соответствующих экранов. Гораздо сложнее защищаться от магнитных полей, поскольку они проникают внутрь проводящих материалов. Обыч­ный экран, размещенный вокруг проводника и заземленный на одном конце, очень слабо защищает проводник от наведенных магнитными полями напряжений. Ког­да магнитное поле В₀ проникает внутрь экрана, его амплитуда падает экспоненци­ально (рис. 5.52Б). Глубина проникновения поля δ внутрь экрана (скин-слой) соот­ветствует толщине слоя, в котором происходит ослабление магнитного поля на 37% по сравнению с его величиной в воздухе. В таблице 5.5 приведены типовые значения δ для нескоторых типов материалов, определенные на разных частотах. Из таблицы видно, что на высоких частотах для построения эффективных экранов можно использовать практически любой материал, тогда как в нижнем диапазоне — предпочтительнее применять сталь.

Таблица 5.5.Зависимость толщины скин-слоя (в мм) от частоты

Источник: [15]

Для построения эффективных магнитных экранов для работы на низких час­тотах рекомендуется использовать материалы, обладающие высоким коэффици­ентом магнитной проницаемости, например, мю-металлы. Однако защитные свой-

9-Дж Фрайдси

242 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

ства таких экранов значительно снижаются с ростом частоты и величины магнит­ного поля. Поэтому для работы на высоких частотах лучше применять магнитные экраны из толстой стали. Поскольку экранирование от магнитных полей всегда очень сложная задача, при работе на низких частотах всегда надо стремиться сни­жать магнитные поля; минимизировать площадь магнитного контура, особенно со стороны принимающих устройств; выбирать оптимальную геометрию проводни­ков. Приведем несколько полезных практических рекомендаций:

• Приемные устройства надо располагать, как можно, дальше от источников магнитных полей.

• Нельзя размещать провода параллельно силовым линиям магнитного поля, их следует располагать перпендикулярно.

• Необходимо использовать экран из материала, соответствующего рабочей ча­стоте и величине магнитного поля.

• Поскольку большой ток является источником магнитных полей, для его пере­дачи следует применять скрученные пары проводов. Если в двух проводах токи равны, но противоположно направлены, общее магнитное поле будет нуле­вым. Для того чтобы этот способ был эффективен, ток должен протекать толь­ко по этим проводникам и ни в коем случае не попадать на линии заземления (в противном случае, могут образоваться паразитные контуры заземления).

• Если использовать для подключения источника тока к нагрузке экранирован­ные провода, по их экранировке будет протекать обратный ток i₂ (рис. 5.52А). Если ток i₂ равен току i₁ протекающему в центральном проводнике, но имеет противоположное направление, созданные ими магнитные поля будут взаим­но уничтожаться, и суммарное поле будет равно нулю. В этом случае происхо­дит нарушение правила, гласящего, что по экрану не должен течь никакой ток. Однако это правило важно для борьбы с электростатическими помехами, здесь же кабель применяется для борьбы с магнитными наводками. Такой способ экранирования подходит при подключении устройств, для работы которых требуется большой ток, например, электрических моторов.

• Поскольку величина магнитных помех зависит от площади принимающего кон­тура, для уменьшения паразитных наводок из-за напряжений, возникающих за счет магнитной связи, эту площадь надо делать, как можно, более меньшей. Разберемся, что такое принимающий контур. На рис. 5.53 показан датчик,

подсоединенный к цепи нагрузки при помощи двух проводников длиной L, рас­положенных на расстоянии D друг от друга. Получившаяся прямоугольная об­ласть с площадью, равной а = LD, и есть принимающий контур. Напряжение, индуцируемое в этом контуре, пропорционально его площади и косинусу угла между проводниками и вектором магнитной индукции. Поэтому для снижения уровня помех провода следует ориентировать перпендикулярно магнитному полю, а площадь а между ними делать минимально возможной.

Площадь а уменьшается при снижении длины проводников и/или расстоя­ния между ними. Выполнение этих условий осуществляется при использовании скрученных пар проводов или проводников, близко прилегающих друг к другу. Применение скрученных пар предпочтительнее, поскольку их трудно разъеди­нить, и они всегда располагаются вместе. На первый взгляд — это несущественное

5.9. Шумы в датчиках и интерфейсных схемах

ронних лиц.

Из всего вышесказанного видно, что бороться с магнитными наводками го­раздо сложнее, чем с помехами от электрических полей.

Механический шум

Вибрации, вызванные ускорениями, также являются источниками внешних по­мех в датчиках, поэтому желательно их защищать от этих явлений. Помехи этого типа могут менять передаточные характеристики системы (мультипликативный шум) или приводить к появлению паразитных наводок в цепях датчика (аддитив­ный шум). Если в состав датчика входят механические компоненты, вибрации, совершаемые вдоль определенных осей с заданной частотой, могут привести к возникновению резонансных явлений. Поэтому для некоторых датчиков ускоре­ние является источником помех. Например, большинство пироэлектрических детекторов также обладают некоторыми пьезоэлектрическими свойствами. Хотя основным назначением таких датчиков является измерение перепадов темпера­тур, они реагируют и на резкое изменение некоторых свойств окружающей сре­ды, таких как сильные колебания атмосферного давления, ветер или механичес­кие вибрации. Иногда реакция на эти посторонние воздействия настолько силь­ная, что ее трудно различить от полезного сигнала.

5.9.7 Слои заземления

В течение многих лет слои заземления использовались инженерами—электронщика­ми и разработчиками печатных плат для борьбы с паразитными наводками [16]. Ос­новное назначение слоев заземления— снижение индуктивности схемы. Согласно ос­новным законам физики магнетизма (раздел 3.3 главы 3) ток /, протекающий в про­воднике, приводит к появлению магнитного поля, сила которого пропорциональна величине этого тока и обратно пропорциональна расстоянию г до проводника:

9*

244 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

Поэтому любой проводник с током всегда окружен магнитным полем. Индуктив­ность проводника — это мера энергии, накопленной им в индуцированном магнит­ном поле. Для определения индуктивности необходимо проинтегрировать поле вдоль всей длины проводника, от его поверхности до бесконечности. Однако если в двух близко расположенных проводниках протекают токи, равные по величине, но противоположно направленные, их магнитные поля взаимно уничтожаются. В этом случае мнимая индуктивность проводника становится гораздо ниже. Ток про­тивоположного направления называется обратным током. В этом и заключается основополагающая идея использования слоев заземления, которые создают путь для обратного тока непосредственно под сигнальными проводниками. Обратный ток уходит напрямую в землю, вне зависимости от количества ответвлений от про­водника. Ток по обратному пути всегда течет в сторону наименьшего импеданса. В корректно спроектированном слое заземления этот путь расположен прямо под сигнальными проводниками. Часто на практике применяются двухслойные мон­тажные платы, один слой которых является слоем заземления, а другой отдан под сигнальные линии. В многослойных платах слой заземления, как правило, распо­лагается между двумя или более сигнальными слоями. Кроме снижения индуктив­ности схемы слои заземления используются для уменьшения резистивных потерь за счет скин-эффекта, возникающего при протекании переменного тока по ровной поверхности проводящего слоя. В дополнение к этому они повышают устойчи­вость схем при работе на высоких частотах, направляя паразитные сигналы через емкостную связь на землю. Приведем практические рекомендации по использова­нию слоев заземления:

• Площадь слоев заземления должна быть, как можно, большей. Особенно это важно для частей схемы, работающих с высокими частотами или цифровыми сигналами

• Такие компоненты схем, как выходные резисторы, ИС, транзисторы, развязы­вающие конденсаторы, имеющие дело с быстро меняющимися токами, необ­ходимо монтировать, как можно, ближе к плате.

• Для подсоединения к общей линии заземления разных компонентов схемы надо использовать отдельные провода для опорных потенциалов и подсоеди­нять их все в одной точке на слое заземления. Это необходимо для предотвра­щения падения напряжения через токи заземления.

• Длину проводников надо делать, по возможности, очень короткой для макси­мального снижения индуктивности схемы.

Поиск по сайту: