2.3.5. Экранирование катушек индуктивности

Для того чтобы уменьшить нежелательное влияние электромагнитного поля катушки на другие элементы РЭА, а также влияние внешних полей на катушку, ее помещают внутри металличе­ского экрана. Экран (фр. ecran - заслон, щит) является существенной частью конструкции практически любого радиотехнического устройства. Он выполняет функции защиты не только катушек, но и отдельных каскадов и цепей, а также устройства в целом от нежелательных взаимных связей через электромагнит­ное поле. Эти нежелательные связи в радиоэлектронике называ­ют паразитными.

Между двумя или несколькими деталями или электрическими цепями, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, могут возникнуть не предусмотренные принципом работы следую­щие паразитные виды связи: через электрическое, магнитное, электромагнитное поле, а также через общие цепи питания.

Качество экранирования может быть различным. Некоторые сложные экраны могут обеспечить полное экранирование источ­ника излучения в том смысле, что за пределами экрана его из­лучение не будет обнаруживаться известными способами, так как интенсивность этого излучения будет ниже уровня собственных шумов обнаруживающих приборов. Однако такое полное экраниро­вание, которое может быть обеспечено двойными и тройными эк­ранами сложной конструкции, применяется довольно редко и лишь в особо ответственной аппаратуре. Очевидно, что полное экра­нирование может быть обеспечено лишь при подавлении всех че­тырех видов перечисленных выше паразитных связей. В большин­стве же практических случаев такие жесткие требования не вы­двигаются и задачей экрана является частичное ослабление этих связей.

Напряженность ближнего электрического (магнитного) поля убывает в свободном пространстве обратно пропорционально квадрату расстояния от источника поля. Напряженность элек­тромагнитного поля убывает обратно пропорционально первой степени этого расстояния. При малых расстояниях между дета­лями или электрическими цепями действуют все четыре вида па­разитной связи. По мере увеличения расстояния между ними в первую очередь практически исчезают связи через ближние поля, затем перестает существенно влиять электромагнитное поле и на больших расстояниях, если не приняты специальные меры (напри­мер, постановка развязывающих фильтров в цепях питания), ос­тается только паразитная связь через общие цепи питания.

Экранирование элект­рического поля. Пусть в точке А (рис.2.3.8) рас­положен источник элект­рического поля (какая-ли­бо деталь иди схема), ко­торый оказывает нежела­тельное воздействие на элементы устройства, на­ходящиеся в точке В. Предположим, что источник А развивает ЭДС E_H , наво­дящую в точке В напряже­ние U_H, Нежелательная связь между точками А и В возникает из-за нали­чия между ними паразитной емкости C_ПАР. Точка В имеет собственную емкость по отношению к корпусу устройства, равную C_B. В этом случае напряжение, наводимое в точке В,

U_H = E_H  C_ПАР  /  (C_ПАР + C_B). (2.3.5)

Полученное выражение описывает работу емкостного делителя, состоящего из емкостей C_ПАР и C_B . Напряжение U_H  можно уменьшить удалением точки В от источника А (однако на практи­ке это удаление ограничивается габаритами устройства) или при­ближением точки В к корпусу. Последнее означает, что монтаж схемы, расположенной в точке В, должен производиться как мож­но ближе к корпусу (шасси) устройства с учетом необходимой электрической прочности монтажа. Однако только уменьшением емкости C_ПАР и увеличением емкости C_B существенно ослабить нежелательное влияние точки А на точку В не удается.

Поместим между точками А и В (рис.2.3.86) в качестве экра­на металлический лист Э, соединив его в точке К с корпусом устройства. В этом случае емкость C_ПАР   разделится на две по­следовательно соединенные емкости C₁  и C₂   . Если экран не под­соединен в точке К к корпусу, то он по отношению к нему имеет определенное конечное значение емкости C_Э. Тогда аналогично формуле (2.3.5) напряжение на экране U_Э  окажется равным

U_Э = E_H  C₁  /  (C₁ + C_Э).

и уже это напряжение вместо напряжения E_H в точке А будет играть роль источника наводок в точке В. Тогда напряжение U_HЭ, наведенное в точке В от незаземленного экрана, станет как результат выходного эффекта двух последовательно соеди­ненных емкостных делителей)

U_HЭ  = E_H  C₁ C₂ /  (C₁ + C_Э) (C₂ + C_B). (2.3.6)

Из этого выражения следует, что для обеспечения U_HЭ = 0 необ­ходимо беспредельно увеличивать емкость экрана C_Э. Если по­нимать емкость как способность проводника вместить в себя оп­ределенное количество зарядов, то можно предположить, что при подсоединении экрана в точке К к корпусу емкость C_Э ®¥, ибо экран будет способен принять относительно неболь­шое количество зарядов источника E_H._.

Для реальных случаев рассмотренная нами модель является приближенной. Всегда будет иметь место, даже при помещении листового экрана между точками А и В или при защите точки В металлическим кожухом, остаточная паразитная связь через ем­кость C’_ПАР << C_ПАР. В реальной конструкции устройства эта связь будет иметь место между проводами, подводящими сигнал и питающее напряжение к точкам А и В. Учитывая сказанное и имея в виду, что при наличии экрана емкости C₂ и C_B соединены параллельно, получаем

U_HЭ = E_H  C’_ПАР  /  (C’_ПАР + C_B + C₂),

а так как емкость  C_ПАР мала, то ею в знаменателе можно пренебречь и тогда

U_HЭ = E_H  C’_ПАР  /  (C_B + C₂). (2.3.7)

Ввиду того, что C’_ПАР « C_ПАР, из формул (2.3.6) и (2.3.7) следует, что U_HЭ « U_H , т.е. экран существенно уменьшает не­желательное влияние точки А на точку В. Однако в действитель­ности величина U_HЭ  будет больше ее значения, определяемого фор­мулой (2.3.7). Выше предполагалось, что сопротивление экрана чисто емкостное, и не учитывалось активное сопротивле­ние его материала и переходное сопротивление контакта в точке К. Поэтому источником наводимого на экране напряжения U_Э бу­дет напряжение на последовательном соединении указанных соп­ротивлений и емкостного сопротивления X_C = 1 / w C_Э.

Следовательно, для уменьшения напряжения U_Э необходимо выбирать материал экрана с малым значением r и обеспечивать хороший электрический контакт экрана с корпусом путем пайки или сварки. Наилучшим экраном будет серебряный или медный, однако на практике применяются более дешевые алюминиевые экраны. Эффективность экранирования электрического поля практически не зависит от толщины экрана, которая из соображений механической прочности выбирается равной 0,5...1,5 мм. Эта независимость обусловлена, с одной стороны, весьма малыми значениями токов, протекающих по экрану, а с другой - не­ большой глубиной проникновения токов высокой частоты в алюминий, которая на частоте 0,1 МГц составляет 1,5 мм, на частоте 1 МГц - 0,4 мм, а на частоте 100 МГц - 0,04 мм. Узкие щели и отверстия в экране не ухудшают экранирование электрического поля, если их размеры малы по сравнению с длиной волны колебаний источника поля А. Это объясняется тем, что щели и отверстия лишь незначительно изменяют емкости C’_ПАР, C₂ и C_B, определяющие значение наведенного напряжения в точке В.

Экранирование магнитного поля. Задачей экранирования магнитного поля является устранение или уменьшение паразитной магнитной (индуктивной) связи между источником магнитного по­ля и защищаемой деталью или электрической цепью.

С помощью ферромагнитных экранов (из стали, пермаллоя) осуществляется защита деталей от постоянных и медленно изме­няющихся магнитных полей. При наличии такого экрана (рис. 2.3.9) магнитные силовые линии в основном проходят по его стенкам, которые имеют значительно меньшее магнитное сопротивление (так как значение m велико) по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного пространства внутри экрана. Качество экранирования будет тем выше, чем толще экран и чем меньше в нем стыков и швов, идущих поперек магнитных силовых линий. Этот вид экранирования называют шунтированием магнитного поля экраном.

Экранирование магнитной составляющей высокочастотного поля осуществляется с помощью немагнитных экранов (обычно из алюминия), так как ферромагнетики на высоких частотах вносят большие потери в экранируемую цепь и, кроме того, их магнитная проницаемость с повышением частоты поля существенно уменьшается. Принцип такого экранирования основан на явлении магнитной индукции и иллюстрируется рис.2.3.10 для фиксированного момента времени в процессе изменения магнитной составляющей высокочастотного поля.

Пусть немагнитный цилиндр помещен в равномерном перемен­ном поле. Под действием поля в цилиндре возбуждается переменная ЭДС, которая вызывает появление индукционных вихревых токов. Магнитное поле этих токов будет замкнутым. В рассматриваемый фиксированный момент времени внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за пределами цилиндра - в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Резуль­тирующее поле оказывается ослабленным внутри цилиндра и усиленным вне его. Таким образом, происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие. Этот вид экранирования называют вытеснением магнитного поля экраном. Эффективность такого экранирования будет тем выше, чем меньше r материала, т.е. чем выше интенсивность вихревых токов. Однако эффективность такого экранирования на низких частотах невелика, ибо интенсивность вихревых токов пропорциональна квадрату частоты поля. Толщину экрана из алюминия выбирают также из соображений механической прочности. Если возникает необходимость экранирования магнитного поля начиная с низких частот (десятки ‑ сотни герц) до частот в несколько мегагерц, то применяют двухслойные экраны, один из которых ферромагнитный, а другой - неферромагнитный.

Конструкция высокочастотных экранов для катушек индуктивности. При экранировании высокочастотных катушек приходится учитывать не только полезный эффект экрана, но и его вредное действие, заключающееся в увеличении потерь в катушке и уменьшении ее индуктивности. Вносимые экраном потери возрастают с увеличением r его материала и уменьшением расстояния между экраном и катушкой, а это приводит к снижению ее добротности. В результате влияния экрана на катушку увеличивается ее собственная емкость, так как появляются дополнительные емкости между витками катушки и экраном. Это увеличение собственной емкости не компенсирует уменьшение индуктивности катушки. Поэтому экранированная катушка, входящая в колебательный контур, всегда имеет подстроечных сердечник. Индуктивность экранированной катушки можно вычислить по формуле

L_ЭК = L (1 - c (D /D_ЭК) ³)

где L - индуктивность катушки без экрана; D - диаметр катушки; D_ЭК - диаметр экрана; c‑ конструктивный коэффициент, зависящий от формы каркаса и типа обмотки.

На рис. 2.3.11 показаны некоторые конструкции высокочастотных экранов. Наибольшее распространение получили цилиндрические экраны и экраны квадратного сечения. Если длина экранов b_ЭК превышает длину намотки катушек l _КАТ, то оба эти экрана будут эквивалентны при соблюдении соотношения D_ЭК =1,2 а, где а - сторона квадрата.

Размеры цилиндрического экрана целесообразно выбирать так, чтобы зазор между экраном и катушкой со всех сторон был не менее половины диаметра катушки, т.е. чтобы минимальные раз­меры экрана удовлетворяли условиям D_ЭК MIN = 2D, l _ЭК MIN =  l _КАТ +D. Если длина катушки лежит в пределах 3 D >D > D , то ее помещение в экран с минимальными размерами уменьшает индуктивность на 15...18 %. Влияние экрана на катушку с броневым сердечни­ком невелико и поэтому размеры экрана для нее выбирают близкими к размерам сердечника.

Катушки индуктивности создают магнитный поток, направленный определенным образом, что следует учитывать при установке экранов и проектировании в них щелей, если они необходимы. Все щели должны быть расположены так, чтобы они в высокочастотных экранах не препятствовали прохождению вихревых токов, определяющих экранирующий эффект. Экранирование электрического поля в высокочастотных экранах осуществляется попутно. При этом необходимо обеспечить надежный электрический контакт экрана с корпусом устройства.

. Помимо традиционных ферромагнитных и алюминиевых экранов в современной РЭА находят применение экраны из фольговых материалов (алюминия, латуни, цинка), токопроводящих красок (на основе графита или ацетиленовой сажи), электропроводных клеев (эпоксидной смолы с тонкодисперсными порошками железа, никеля или кобальта), специальных тканей (например, из капро­новых и медных посеребренных нитей), стекол с токопроводящим покрытием и т.д. Для высокостабильных катушек применяют экраны с малым значением ТКЛР (инвар, омедненная, посеребренная или оцинкованная керамика и др.). Находят применение и металлические экраны в виде сетки.

Иногда возникает необходимость осуществить экранирование только электрической составляющей. Такая необходимость возникает, например, при конструировании некоторых специальных высокочастотных трансформаторов, в которых должна отсутствовать емкостная связь между обмотками. Решение этой задачи состоит в принятии мер для существенного уменьшения в экране вихревых токов. Существует много вариантов такого экранирования. Так, например, даже в некоторых низкочастотных силовых трансформаторах выпрямителей переменного тока в постоянный между отдельными рабочими обмотками размещают дополнительную одно-рядовую обмотку», один конец которой присоединяют к корпусу устройства. К числу наиболее удачных относится конструк­ция экрана, показанная на рис. 2.3.11е. Экран состоит из параллельно уложенных на ткань или пленку тонких изолированных проводников, соединенных друг с другом и с корпусом устройства только в одной точке.