Газизов - ЭСиУРС. Т. Р. Газизов Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронной аппаратуры Рекомендовано умо по образованию в области сервиса и туризма в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведени
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
1.7.8. Экранирующие прокладки Важным средством повышения эффективности экранирования корпусов РЭА является уменьшение влияния щелей и отверстий в корпусах. Для этой цели используются различные экранирующие прокладки [13]. Одним из основных видов экранирующих прокладок являются металлические прокладки, выполненные из бериллиевой меди (CuBe 2 ) в виде полосок из обычных и витых, а также выпуклых и скользящих контактов. Примеры последних показаны на рис. 1.52. Измеренные значения их ослабления составляют более 46 дБ на 14 кГц для магнитного поля и около 108 дБ на 10 ГГц для плоской волны. Они могут крепиться к корпусу посредством надевания, пайки, заклепок, винтов или двусторонней клеящей ленты. Примеры типовых применений показаны на рис. 1.53. Отметим, что контактные полоски выпускаются самых различных форм и размеров. Ширина полоски составляет от единиц до десятков миллиметров, а длина – сотни миллиметров, причем по длине полоска может легко изгибаться пользователем, как ему надо, например в кольцо. Кроме того, выпускаются экраны с контактным фланцем, надеваемые на самые различные соединители РЭА для уменьшения влияния отверстия в корпусе под соединитель. 75 а б Рис. 1.52. Поперечное сечение выпуклого (аи скользящего (б) контактов а б Рис. 1.53. Контактные полоски между дверью и корпусом (а, блоком и шкафом (б) Известны спиральные экранирующие прокладки, укладываемые, для предотвращения их сильной деформации или смещения, в специальные канавки в корпусе (табл. 1.4). Спирали изготавливаются из витков покрытой оловом бериллиевой меди или нержавеющей стали. Первая обеспечивает лучшее экранирование и является одним из немногих материалов, коррозионно-совместимых с алюминием, что важно, если есть проблемы с влажностью или соленой водой. Вторая используется, если важна коррозионная стойкость нержавеющей стали или если ниже требования к гибкости, экранирующим свойствами предпочтителен менее дорогой вариант. Спирали выпускаются в трёх вариантах жесткости (малая, средняя и стандартная, которые для сжатия спирали на 25% диаметра требуют усилия около 400, 1800 и 3400 г/см, соответственно. Для установки спирали не в канавке, а в произвольном месте корпуса, выпускают спираль с прикреплённой к ней полоской твердого или вспененного эластомера с липкой лентой (рис. 1.54). Для экранирования вентиляционных отверстий служат экранирующие вентиляционные панели. Они имеют сотовую структуру и изготавливаются из стали или алюминия. Панель толщиной 25 мм с диаметром соты 4,5 мм из листовой стали толщиной 0,15 мм, обеспечивая проход воздуха 88%, даёт ослабление 60 дБ на 10 кГц для магнитного поля, 110 дБ на 10 МГц для электрического поля, 100 дБ на 1 ГГц для плоской волны. Панели поставляются отдельно или уже установленными в проводящую раму с заземляющими контактами и крепёжными отверстиями. Для увеличения ослабления поля и предотвращения поляризационных эффектов используют сдвинутые двойные панели водной раме (рис. 1.55). Таблица Рекомендуемые варианты установки и установочные размеры для экранирующих спиралей разных диаметров Диаметр и установочные размеры, мм Варианты установки ∅ L G W 0,9 0,59 1,17 0,84 1,2 0,89 1,60 1,14 1,6 1,17 2,19 1,52 1,8 1,35 2,39 1,70 2,0 1,50 2,77 1,91 2,4 1,78 3,18 2,29 2,6 1,96 3,58 2,52 2,8 2,08 3,96 2,67 3,2 2,39 4,34 3,07 3,6 2,67 4,75 3,46 4,4 3,25 5,94 4,19 4,8 3,56 6,35 4,60 6,4 4,70 8,71 6,10 G L W G L 9,5 7,11 12,7 9,25 Крышка Вспененный неопрен с лентой Спираль А А А-А Рис. 1.54. Установка экранирующей спирали с прикреплённой к ней полоской твердого или вспененного эластомера с липкой лентой Экранирующие окна полностью прозрачны, но обеспечивают эффективное электромагнитное экранирование. Они состоят из двух слоев стекла, поликарбоната или акрила, между которыми есть тонкая металлическая сетка, выходящая на края окна с хорошим контактом к проводящей раме. Характеристики экранирующих окон с сеткой из меди, бронзы и нержавеющей стали приведены в табл. 1.5. Рис. 1.55. Фрагмент двух сдвинутых экранирующих вентиляционных панелей водной раме Таблица Характеристики экранирующих окон с сеткой из разных металлов Ослабление, дБ поле Металл сетки ∅ провода сетки, мкм Ячейка сетки, мкм Прозрачность, поле 100 кГц 400 МГц 1 ГГц Поверхность Медь 50 150 204 350 56 65 77 48 29 21 70 65 61 69 62 54 Затемнение Бронза 71 355 144 69 45 37 40 57 60 54 65 Затемнение Нержавеющая сталь 50 25 204 229 65 81 - - 70 80 60 60 Покрытие серебром и затемнение Другая большая группа экранирующих изделий – прокладки из электрически проводящих эластомеров. Они состоят из эластомерной (силиконовой или флюоросиликоновой) основы и серебряного наполнителя. В зависимости от технических требований наполнителем могут быть покрытые серебром медные или алюминиевые частицы, покрытые серебром стеклянные шарики или частицы чистого серебра. Кроме того, в качестве наполнителя используют также никель, никель/графит и уголь. Эластомерные прокладки имеют объёмное сопротивление 0,002– 0,2 Ом ⋅см и дают хорошее затухание (от 50 до 120 дБ, в зависимости от материалов и длины волны) и защищают от пыли и влаги. Они выпускаются в листах, влитых или экструдированных отрезках, которые можно прикреплять к поверхности. Для внешних применений, в частности в морском климате, важно уменьшать гальваническую коррозию, которая происходит при соприкосновении в электролите (соленой воде) двух металлов с разными электрохимическими свойствами. Выбору типа наполнителя эластомерных прокладок для различных металлов корпусов может помочь табл. 1.6. Таблица Гальваническая совместимость типа наполнителя эластомерных прокладок и различных металлов корпусов Материалы корпуса Гальваническая совместимость • – хорошая – удовлетворительная × – плохая Тип наполнителя Сплавы алюминия Сплавы магния Нержавеющая сталь Сплавы меди Покрытие кадмием Покрытие оловом Покрытие никелем Покрытие серебром Покрытие хромом Гальваническая сталь Титан Серебро/Никель × × • • × • • • × • Серебро/Медь × × • • × × • • × • Серебро/Алюминий Инертный алюминий • • • • • • • • Серебро/Стекло Серебро × × • • × • • • × • Никель/графит Никель Используются и сеточные прокладки – деформируемые электромагнитные экраны, сделанные из вязаного провода в виде мелкой сетки. Они изготавливаются прямоугольного или круглого поперечного сечения, сплошными или полыми, имеют отличную эластичность, очень адаптивны и обеспечивают хороший контакт и экранирование. Материалом сеточных прокладок, как правило, являются Монель (медно-никелевый сплавили стальной провод с медным слоем, покрытым оловом, а также могут быть нержавеющая сталь, алюминий или бериллиевая медь. Полые сеточные прокладки из последней сочетают в себе повышенные механические характеристики бериллиевой меди и эффективность экранирования на 20 дБ больше, чем из традиционных материалов. Эти прокладки обладают отличной упругостью, обеспечивая постоянный контакт в каждой точке (100% восстановления исходной высоты при сжатии допри очень малых усилиях на сжатие (на 80% меньше, чему эластомеров, малом весе (на 75% меньше, чем традиционная оплётка) и длительном сроке службы. Варианты установки трёх видов прокладок показаны на рис. 1.56. Рис. 1.56. Варианты установки сеточных прокладок (слева направо) полый стержень в паз под плоскую крышку полый стержень в паз под крышку с загнутым краем полый стержень на ребре с липкой лентой (возможны дополнительные фиксаторы два полых стержня на ребре с липкой лентой (возможны дополнительные фиксаторы или резьбовое крепление) Используются также деформируемые экранирующие прокладки, состоящие из улучшающего эластичность и контакт круглого или прямоугольного стержня из вспененного неопрена или силикона (или силиконовой трубки, на который надета обеспечивающая электропроводность одно- или двухслойная оплётка из вязаного провода. Помимо электромагнитного экранирования, такие прокладки защищают от пыли и воды. Наконец, выпускаются комбинированные экранирующие прокладки в виде оплётки из вязаного провода просто или с силиконовым стержнем, которая присоединена с одной стороны к полоске из вспененного или твердого эластомера с липкой лентой для крепления или без не. Частотные зависимости эффективности экранирования типовых комбинированных прокладок приведены на рис. 1.57. 10 3 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Ослабление, дБ Монель Al Сталь, Cu/Sn Сталь, Cu/Sn Монель поле Плоская волна Частота, МГц 10 2 10 1 10 0 10 –1 Рис. 1.57. Частотные зависимости эффективности экранирования типовых комбинированных прокладок 80 1.8. Фильтрация Основным средством ослабления кондуктивных эмиссий, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного и переменного токов аппаратуры, является фильтрация. Предназначенные для этой цели поме- хоподавляющие устройства или фильтры позволяют снижать кондуктив- ные эмиссии, как от внешних, таки от внутренних источников. По своему назначению помехоподавляющие фильтры – это широкополосные фильтры нижних частот (ФНЧ). Фильтры в цепях питания строятся как индуктивно- или резистивно-ёмкостные. Типовые схемы включения ФНЧ показаны на риса б в где ж Рис. 1.58. Схемы помехоподавляющих ФНЧ: ёмкостного (а индуктивного (б ёмкостно-индуктивного (в индуктивно-ёмкостного (г Т-образного (д П-образного (е, многозвенного (ж) Фильтр можно рассчитать с помощью справочной литературы, а его работу с учётом паразитных параметров компонентов можно смоделировать средствами схемотехнического моделирования. Отметим, что эффективность фильтрации существенно зависит от импеданса источника и нагрузки, которые в реальных условиях могут изменяться и сильно зависеть от частоты. Первым элементом фильтра при малом импедансе источника выбирается катушка индуктивности, а при большом – конденсатор. Аналогично выбирается и последний элемент фильтра, предшествующий нагрузке. Полезно учесть, что конструкция катушек индуктивности проще, дешевле и надёжнее для малых токов, а конструкция конденсаторов для малых напряжений. Поэтому при большом токе и низком напряжении следует применять в фильтре катушки с малыми индуктивностями и конденсаторы с большими ёмкостями, при высоком напряжении и малом токе – конденсаторы с небольшими ёмкостями и катушки с максимально допустимыми индуктивностями или резисторы. В изделии фильтр должен размещаться непосредственно на выходе сетевого кабеля питания из изделия, а источник вторичного питания – как можно ближе к фильтру. Это уменьшит влияние эмиссий, излучаемых внутри изделия, на кондуктивные эмиссии от него, а также помехи в обратном направлении (рис. 1.59). Фильтр Источник питания Внутренние сигналы а Фильтр Источник питания Внутренние сигналы б Рис. 1.59. Неправильное (аи правильное (б) размещения фильтра и источника питания 82 1.8.1. Синфазный и противофазный токи В ЭМС широко используются понятия синфазного и противофазного токов, помогающие определить причины помехи выработать пути их уменьшения. Рассмотрим пару проводов, по которым протекают токи I 1 и I 2 , как показано на рис. 1.60. Можно разложить эти токи на две составляющие, называемые синфазными противофазным I D (differential-mode) токами, как I 1 =I C +I D I 2 =I C –I D I D =(I 1 –I 2 )/2 I C =(I 1 +I 2 )/2 Противофазные токи I D в этих двух проводах равны по амплитуде, но противонаправлены. Это обычно полезные или функциональные токи. Синфазные токи С равны по амплитуде, но сонаправлены. Казалось бы, их вовсе не должно быть, нов реальных системах они существуют. Их часто называют антенными (antenna-mode) токами ив стандартной теории цепей с сосредоточенными параметрами не рассматривают. I 1 I C I D I 2 I C I D Рис. 1.60. Разложение токов I 1 и I 2 на компоненты синфазного Си противофазного I D токов Рассмотрим качественно вклад каждого из этих токов в излучаемые эмиссии от этой пары проводников. Результирующая напряженность электрического поля E в точке наблюдения складывается из полей, создаваемых каждым из этих токов. Противофазные токи противонаправлены. Следовательно, создаваемые ими электрические поля будут также проти- вонаправленными и будут взаимно вычитаться и компенсироваться. Но поскольку проводники не совпадают, и расстояние от каждого из них до точки наблюдения различно, тополя от них не будут компенсироваться полностью, и останется их небольшая разность. С другой стороны, поскольку синфазные токи в каждом из проводов сонаправлены, то создаваемые ими поля будут складываться, давая много больший вклад в результирующее поле, чем противофазные токи. Таким образом, даже малый синфазный ток может создать такой же уровень излучаемого электрического поля, как и большой противофазный ток. Поэтому основной причиной излучения электрических полей от реальных изделий является протекание в их проводниках синфазных токов. 83 1.8.2. Синфазный дроссель Одним из самых эффективных методов уменьшения синфазных токов является использование синфазных дросселей (common-mode chokes). Их называют также синфазными фильтрами, симметрирующими или нейтрализующими трансформаторами. Рассмотрим их работу. Пусть два провода стоками и I 2 намотаны на ферромагнитное кольцо так, как показано на риса. Допустим, что обмотки идентичны, так что L 1 =L 2 =L. Импеданс одной обмотки Z 1 =V 1 /I 1 =(pLI 1 +pMI 2 )/I 1 . Рассмотрим, чему равен этот импеданс отдельно для синфазного и противофазного токов. Для синфазного тока Си Си их подстановка в формулу для импеданса даёт Z C =p(L+M). Для противофазного тока I 1 =I D и I 2 =–I D , и тогда аналогично получаем Z D =p(L–M). Если обмотки симметричны, и весь магнитный поток сосредоточен в сердечнике, те. поток одной обмотки полностью пронизывает вторую обмотку, то L=M и тогда Z D =0. Следовательно, в идеальном случае синфазный дроссель не влияет на противофазные токи, но для синфазных токов каждая его обмотка представляет собой импеданс 2L. Это иллюстрирует рис. 1.61. Таким образом, синфазные дроссели могут эффективно блокировать синфазные токи. Для этого провода должны наматываться вокруг сердечника так, чтобы потоки в сердечнике от двух синфазных токов складывались, а от противофазных – вычитались. На практике часто используют витки из обоих проводов, что особенно удобно, если эти провода находятся водном кабеле (рис. 1.62). В заключение обратим внимание ещё на одну замечательную особенность синфазного дросселя магнитные потоки, создаваемые большими противофазными токами, взаимокомпенсируются в сердечнике и не насыщают его. Это особенно важно, поскольку именно противофазные токи являются полезными, функциональными токами, обычно большими по величине. M а б в Рис. 1.61. Моделирование влияния синфазного дросселя на токи в двух проводах (а противофазные (б синфазные (в) Рис. 1.62. Синфазный дроссель, навитый двумя проводами 1.8.3. Фильтр сетевого питания В данном разделе рассматривается стандартный фильтр сетевого питания в качестве средства уменьшения кондуктивных эмиссий от изделия рис. 1.63). Измерения производятся с помощью LISN (рис. 1.12). Измеряются напряжения «фаза–земля» и «нейтраль–земля» на 50-омных резисторах, которые затем переводятся в напряжения противофазной и синфазной моды. На рис. 1.64 показано, как последовательное добавление элементов стандартного фильтра сетевого питания уменьшает кон- дуктивные эмиссии от реального изделия до уровня 48 дБ по стандарту FCC. 85 C C C D C C C C C C C D M З L + Н – + Ф – 50 Ом 50 Ом Ф Фаза Нейтраль Земля ИЗДЕЛИЕ Фильтр Рис. 1.63. Схема включения сетевого фильтра 1 10 30 20 40 50 60 70 80 48 Частота (МГц) V, дБ 0,4 а 1 10 30 20 40 50 60 70 80 48 Частота (МГц) 3300 пФ 3300 пФ 0,4 б V, дБ 86 1 10 30 20 40 50 60 70 80 48 Частота (МГц) 0,1 мкФ 3300 пФ 3300 пФ 0,4 в V, дБ 1 10 30 20 40 50 60 70 80 48 Частота (МГц) 0,1 мкФ 3300 пФ 3300 пФ 1 мГн 0,4 г V, дБ 1 10 30 20 40 50 60 70 80 48 Частота (МГц) 0,1 мкФ 3300 пФ 3300 пФ 28 мГн 1 мГн 0,4 д V, дБ Рис. 1.64. Влияние элементов фильтра на напряжение (на резисторе 50 Ом в LISN) кондуктивных эмиссий от изделия нейтраль–земля (—); противофазная мода (– ⋅ –); синфазная мода (– ⋅ ⋅ –) 87 1.8.4. Использование ферритов с потерями Должно отметить, что деление эмиссий на излучаемые и кондуктив- ные весьма условно. Ведь источниками излучаемых эмиссий являются, собственно, токи, протекающие по проводникам. Например, от кабеля, действующего как антенна, на частотах больше 30 МГц энергия может эффективно излучаться. Контроля помех излучения от проводников можно достичь правильным размещением на них компонента, вносящего потери, типа ферритового сердечника. Для удовлетворения большой потребности промышленности в области ЭМС были разработаны разрезанные пополам ферриты, устанавливаемые просто фиксацией вокруг проводки, даже после того, как она завершена. Они имеют следующие достоинства высокие характеристики адаптивность характеристик малый разброс параметров легкость увеличения вносимого ослабления за счет изменения размера или количества витков легкую модификацию удобную установку встроенное крепление дешевизну малое насыщение сердечника в режиме постоянного тока. Воздушный зазор в разрезанных ферритах увеличивает максимальный ток, лишь незначительно уменьшая импеданс, по сравнению со сплошными ферритами такого же размера. Ферритовые экранирующие материалы широко распространены, так как обеспечивают самое простое, удобное и рентабельное решение проблемы радиочастотных помех в кабелях и соединителях. Более того, они обеспечивают подавление нежелательных высокочастотных колебаний, не ослабляя сигналы постоянного тока или низкой частоты. Основной состав ферритовых материалов – комбинация оксида железа и одного или нескольких других порошковых металлов, чаще всего марганца, цинка, кобальта и никеля. Имеется широкий выбор форм и размеров ферритов, а на заказ могут быть изготовлены ферриты специальной геометрии. Существуют множество разновидностей формул и возможных уровней характеристик ферритов, определяющих электрические, магнитные и механические свойства ферритов. Самая известная характеристика ферритов выражается магнитной проницаемостью μ – отношением величины магнитной индукции к напряжённости магнитного поля. Материалы обычно отличаются по начальной проницаемости Например, фирма FerriShield выпускает три основных вида ферритов, которые совместно перекрывают весь спектр радиочастотных помех для частот от 10 МГц до 1 ГГц рекомендуется феррит #28; для верхних частот этого диапазона и ещё более высоких частот – феррит #25; для частот от 1 МГц до 30 МГц – феррит #33 (рис. 1.65) Рис. 1.65. Типичные частотные характеристики импеданса А (высокочастотный феррит #25, μ i =125); В (стандартный феррит #28, μ i =850); С (низкочастотный феррит #33, μ i =2700) Ферриты эффективны в подавлении электромагнитных помех из-за изменения их потерь с частотой. Через феррит, установленный как по- давитель, более низкие частоты пройдут без существенных потерь. Но выше частоты, с которой потери резко возрастают, сигнал взаимодействует с ферритом, и импеданс участка с ферритом становится значительно выше, по сравнению с остальной частью цепи. Именно этот большой резистивный импеданс позволяет этому, по существу пассивному и совершенно простому, материалу подавлять многочисленные сигналы в разнообразных случаях применения. Для практического использования ферритов полезно провести инженерный расчёт ожидаемых результатов. Главными факторами для конкретной задачи являются следующие – частота, на которой требуется максимальное ослабление – величина необходимого ослабления – начальная магнитная проницаемость феррита – ожидаемое изменение ослабления – среда установки и требования к механической установке. Выбор типа феррита должен быть согласован с частотным диапазоном, в котором требуется ослабление (рис. 1.65). Оптимальным был бы ферриту которого частота максимального ослабления совпадает с частотой, на которой требуется максимальное ослабление. Эффективность фильтра оценивается отношением напряжений вцепи без фильтра и с фильтром, называемым вносимыми потерями (дБ, вычисляемыми как 89 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + B A F B A Z Z Z Z Z lg 20 , где А, Z B , Z F – импедансы источника, нагрузки и феррита. Если импеданс цепи (Z A +Z B ) равен 1 Ома импеданс феррита – 500 Ом, то вносимые потери будут 20lg(501)/l)=54 дБ. Даже если используется тот же самый феррит, обеспечиваемое им ослабление может существенно отличаться при изменении импедансов цепи. Ферриты наиболее эффективны, когда импеданс цепи низок. Например, использование того же феррита на 500 Ом в 50-омной цепи даст 20lg(550/50)=21 дБ. Для увеличения вносимых потерь вцепи с высоким импедансом можно увеличить объём феррита, что увеличивает импеданс почти пропорционально объёму (риса, или увеличить число витков либо проходов через феррит, что увеличивает импеданс почти пропорционально квадрату этого числа, но уменьшает частоту максимального затухания рис. 1.66 баб Рис. 1.66. Увеличение вносимых потерь за счёт увеличения объёма феррита от 2,16 см до 4,32 см (а числа витков 1, 2, 4 (б) Ферриты размещают на кабеле вблизи его выхода из корпуса изделия, которое может быть источником высокочастотных кондуктивных помеха если кабель соединяет изделия, каждое из которых может быть источником помех, то ферриты нужны на каждом конце кабеля (рис. 1.67). Источник ВЧ-помех Источник ВЧ-помех Периферийное оборудование или источник питания Источник ВЧ-помех или Рис. 1.67. Размещение ферритов на кабеле Отметим, что, кроме надевания на кабели, используется накрывание только одной половиной феррита, обеспечивающее 30–40% импеданса полного кольца. Варианты такой установки феррита на печатную плату и непосредственно на корпус микросхемы показаны на риса б Рис. 1.68. Варианты установки феррита на печатную плату (аи непосредственно на корпус микросхемы (б) Выпускается целый спектр изделий из ферритов для других применений. Это, например, тонкая ( ≈1 мм) ферритовая прокладка (с отверстиями под контакты, вставляемая между гнездом и вилкой многоконтактного разъёма. Кроме того, выпускаются готовые для автоматизированного монтажа на печатную плату компоненты в виде проводника, продетого в удлинённую (5 –10 мм) ферритовую шайбу многослойного ферритового чипа, очень похожего на безындуктивные конденсаторы для поверхностного монтажа сборки из нескольких таких компонентов. Все они работают на том же принципе малый импеданс в доли и единицы омов на постоянном токе и низких частотах, который, начиная с 1–10 МГц, резко возрастает до сотен и тысяч омов до частот 50–1000 МГц за счёт роста магнитных потерь в феррите, а затем спадает. В результате, энергия высокочастотных токов, протекающих поэтому импедансу, рассеивается в виде тепла, Причём максимум этого эффекта сосредоточенна определён- ной частоте. Пример частотных характеристик импеданса и его составляющих для многослойного ферритового чипа конкретной марки показан на рис. 1.69. Из него ясно видно, что рост импеданса из-за индуктивной составляющей, теза счёт высокой магнитной проницаемости феррита, имеет место лишь на низких частотах, а на основной частоте импеданс феррита определяется потерями. Более детальную информацию по ферритовым компонентам можно найти у их производителей, например на сайте www.ferrishield.com или в каталоге фирмы KITAGAWA. |