Главная » Мануалы

1 2 3 4 5 6 7 8 ... 11

мость. Например, листовая электротехническая сталь с малой начальной магнитной проницаемостью мало изменяет величину [х с повышением частоты, а пермаллой, имеющий большие начальные значения магнитной проницаемости, весьма чувствителен к повышению частоты магнитного поля; магнитная проницаемость у него резко падает с частотой.

2. В магнитных материалах, подверженных действию высокочастотного магнитного поля помех, заметно проявляется поверхностный эффект, т. е вытеснение магнитного потока к поверхности стенок экрана, вызьшая увеличение магнитного сопротивления экрана.

При таких условиях кажется, что почти бесполезно увеличивать толщину стенок экрана за пределы тех величин, которые заняты магнитным потоком при данной частоте. Такой вывод неправилен, ибо увеличение толщины стенок приводит к снижению магнитного сопротивления экрана даже при наличии поверхностного эффекта. При этом одновременно следует учитывать и изменение магнитной проницаемости.

Так как явление поверхностного эффекта в магнитных материалах обычно начинает сказываться заметнее, чем снижение магнитной проницаемости в области низких частот, то влияние обоих факторов на выбор толщины стенок экрана будет различным на разных диапазонах частот магнитных помех. Как правило, снижение экранирующих свойств с повышением частоты помехи сильнее проявляется в экранах из материалов с высокой начальной магнитной проницаемостью.

Указанные выше особенности магнитных материалов дают основание для рекомендаций по выбору материалов и толщины стенок магнитных экранов. Эти рекоме1адации могут быть сведены к следующим:

а) экраны из обычной электротехнической (трансформаторной) стали, обладающие малой начальной магнитной проницаемостью, можно применять при необходимости обеспечить малые коэффициенты экранирования (Кэ Ю); такие экраны обеспечивают почти неизменный коэффициент экранирования в достаточно широкой полосе частот, вплоть до нескольких десятков килогерц; толщина таких экранов зависит от частоты помехи, причем чем ниже частота, тем большая толщина экрана требуется; например, прн частоте магнитного поля помех 50-100 гц толщина стенок экрана должна быть приблизительно равна 2 мм; если требуется увеличение KOSilxjiH-циента экранирования или большая толщина экрана, то целесообразно применять несколько экранирующих слоев (двойных или тройных экранов) меньшей толщины;

б) экраны из магнитных материалов с высокой начальной проницаемостью (например пермаллой) целесообразно применять при необ-

, ходимости обеспечения большого ко2>ффициеита экранирования (Кэ > 10) в сравнительно узкой полосе частот, причем толщину каждой оболочки магнитного экрана нецелесообразно выбирать больше 0,3-0,4 мм; экранирующее действие таких экранов начинает заметно падать на частотах, выше нескольких сот или тысяч герц, в зависимости от начальной проницаемости этих материалов.

Все сказанное выше о магнитных экранах справедливо в отношении слабых магнитных полей помех. Если же экран находится вблизи от мощных источников помех и в нем возникают магнитные

потоки с большой магнитной индукцией, то, как известно,

приходится учитывать изменение магнитной динамической проницаемости в зависимости от индукции; необходимо также учитывать при этом потери в толще экрана. Практически же с такими сильными

Рис. 22. Магнитостатические экраны трансформаторов: а - общий вид экранов с щечками ; б - двойной экран; е - трансформатор с двойным экраном в собранном виде.

источниками магнитных полей помех, при которых надо было бы считаться с их действием на экраны, не встречаются, за исключением некоторых специальных случаев, не предусматривающих радиолюбительскую практику и нормальные условия работы радиотехнических устройств широкого применения.

Конструкции применяемых магнитостатических экранов чрезвычайно разнообразны и во многом определяются спецификой рейшма

4836

f работы и вида экранируемого радиоустройства, узла или детали. { В электромашиностроении наиболее широко распространенным маг-1. нитостатическим экраном является кожух маломощных электродвигателей, преобразователей и умформеров. В радиотехнике магнито-статические экраны наиболее широко применяются в усилителях низкой частоты для экранирования входных трансформаторов; в выпрямителях для экранирования (локализации помех) дросселей сглаживающих фильтров и преобразователей тока высокого напряжения; для экранирования электроннолучевых трубок и фокусирующе-, отклоняющих систем (ФОС) и ряда других элементов и блоков радиотехнических устройств.

На рис. 22 показаны некоторые конструкции трансформаторов низкой частоты с магнитостатическими экранами (рис. 22, б, в) в том числе и конструкция двойного экрана, вдвигаемого один в другой. Конструкции различных других типов магнитных экранов, в том числе и для трансформаторов с ленточным или тороидальным магнитопроводами, легко представить себе на основании приведенных рисунков.

Независимо от конструкции магнитостатического экрана необходимо соблюдать следующие правила:

а) крепление самого трансформатора должно производиться на некотором расстоянии от крышки при помощи уголков, прокладок или лапок из немагнитного материала;

б) конструкция экрана должна обеспечивать наименьшее магнитное сопротивление силовым линиям, идущим вдоль оси катушки (обмотки) трансформатора, поэтому на этом пути нежелательны соединения отдельных частей экрана; если же они необходимы, то их следует выполнять не встык, а внакладку;

) в) экран может быть сделан из двух одинаковых штампованных , половинок, которые собираются встык прн условии, что плоскость стыка расположена вдоль оси катушки экранируемого трансформатора;

г) двойные экраны (при необходимости экранирования помех в широкой полосе частот) делаются комбинированными: между ферромагнитными экранами располагается дополнительный экран в виде короткозамкнутого витка с вихревыми токами (действие такого экрана описывается ниже).

Магнитостатические экраны дросселей сглаживающих фильтров, предназначенные для локализации создаваемых помех, по своему устройству весьма сходны с такими же экранами для низкочастотных трансформаторов. Как в трансформаторах, так и в дросселях, эти экраны должны быть изготовлены из материалов, обеспечивающих необходимую эффективность экранирования иа низких и высоких частотах.

Эффективность экранирования (коэффициент экранирования) однослойного магнитостатического экрана может быть определена как отношение напряженностей магнитного поля в отсутствии экрана и при его наличии, т. е. в виде

где - напряженность магнитного поля при отсутствии экрана;, п. э - напряженность магнитного поля помех при наличии экрана.

Величина Д , может быть определена н зависимости от свойств экрана следующим образом:

К,=1 + 0,22,1

или при учете того, что - <1, в виде

где (X - начальная магнитная проницаемость материала экрана; t толщина стенок экрана; - радиус сферы, имеющей тот же объем, что и объем наружной поверхности экрана.

SOODD

ЮОСО S000

500 ЮОгОО 500 WD0 5000 f

Рис. 23. Расчетные графики для определения коэффициентов экранирования.

Из этой формулы следует, что коэффициент экранирования повышается с толщиной стенок экрана, как об этом говорилось выше. Однако при больших заданных (необходимых) значениях /Q толщина стенок может оказаться настолько большой, что целесообразнее применить экран из нескольких слоев.

Для иллюстрации характера изменения эффективности экранирования цилиндрических экранов с одним слоем (А), двумя слоями (В) и тремя слоями (цилиндрами, кривая С) на рис. 23, а показаны зависимости коэффициенте экранирования от соотношения RJvi. Здесь /i - внутренний радиус 1-го цилиндра; /? - наружный радиус рассматриваемого цилиндра. Например, при наличии лишь одного цилиндра R = и отношение R /ri есть отношение радиусов внутренней и нарулсной частей цилиндра; при рассмотрении действия двух цилиндров отношение Я^/г^ есть отношение RJri, где Rz - наружный радиус второго цилиндра; при рассмотрении действия трех цилиндров отношение RJr есть отношение Яа/г^, где Кз - наружный радиус третьего цилиндра.

Ufa,:

Приведенные расчетные графики рис. 23, а определяют эффективность экранирования в зависимости от числа слоев (концентрических цилиндров) одного и того же материала. Как указывается в литературе, применение многослойных экранов с воздушными промежутками между ними целесообразно лишь в том случае, если необходимая толщина однослойного экрана t превышает 0,33 Го (1/3 радиуса сферы, имеющей тот же объем, что и объем наружной поверхности экрана).

Как указывалось выше, эффективность действия магнитных экранов резко повышается, если в воздушные промежутки между отдельными слоями экрана поместить короткозамкнутые тонкостенные экраны из материала с высокой удельной электрической проводимостью (например, из меди).

На рис. 23, б приведены графики зависимости , дб от частоты магнитной помехи для трех экранов, имеющих прямоугольную форму сечения: А - однослойный экран с закрытыми торцевыми концами из пермаллоя; В - двухслойный экран с закрытыми торцевыми концами из пермаллоя с воздушным промежутком; С - трехслойный .экран с закрытыми торцевыми концами из пермаллоя; причем в про- межутке между двумя экранами из пермаллря расположен коротко-замкнутый виток из листовой меди.

Приведенные графики и расчетные формулы для определения коэффициентов экранирования во многих случаях оказываются весьма сложными. Это тем более необходимо уче<:ть, что точный расчет экранирующего действия экранов представляет значительные математические трудности и требует точного знания параметров поля помех. Все методы расчета имеют ценность лишь как приближенные расчеты, позволяющие определить порядок величин для наиболее часто встречающихся случаев экранирования.

В качестве иллюстрации к сказанному можно напомнить, что все приведенные выше расчетные соотношения и графики рий 23 получены на основании того, что экран прямоугольной формы заменяется эквивалентной сферой. Этим объясняется, что в литературе рассчитанные экраны, например, цилиндрической формы условно называют сферическими.

Расчет коэффициента экранирования в применении к низкочастотным трансформаторам, когда можно пренебрегать эффектом экранирования высокочастотных полей помех, определяемым действием вихревых токов в толще экрана, упрощается настолько, что он представляет практический интерес. Более того, в целом ряде подобных расчетов допустимы предположения и допущения, сильно упрощающие расчет. В качестве иллюстрации подобных расчетов ниже приводится один из них.

Расчет эффекта экранирования или коэффициента экранирования в диапазоне частот от 10 до 200 гц при помощи магнитного экрана может быть выполнен в предположении, что внешнее поле помех по интенсивности и структуре не меняется за счет действия экрана и поле остается таким же, каким оно было до введения в него экрана. В действительности же, внесение экрана во внешнее поле помех существенным образом меняет его интенсивность и структуру.

С учетом сделанного предположения можно считать: а) при отсутствии магнитного экрана через трансформатор и В экран входит магнитный поток Ф„, одинаковый по величине;

б) при наличии экрана одна часть магнитного потока проходит через экран, а вторая его часть Ф^.э проходит через магнигопровод экранируемого трансформатора;

в) часть магнитного потока Ф„, попадающая в магнитопровод экранируемого трансформатора при наличии экрана, будет меньше потока в толще экрана во столько раз, во сколько раз магнитное сопротивление экрана э меньше магнитного сопротнвления воздушного промежутка между экраном и магнитопроводом трансформатора в- в результате коэффициент экранирования

Магнитное сопротивление экрана прямоугольной формы (рис. 24,а)

Рнс. 24. Определение основных величин для расчета коэффициента экранирования: а, б - эскизы трансформатора; в - эквивалентная схема.

можно приближенно определить в виде

где 4 - меньший полупериметр прямоугольного экрана в плоскости, параллельной потоку помехи; Рэ - периметр экрана в плоскости, перпендикулярной направлению потока помех; t - толщина стенки экрана; р. - начальная магнитная проницаемость материала экрана.

Магнитное сопротивление двойного воздушного промежутка (см. рис 24, б)

где / - длина во.здушного промежутка; / - длина ярма магнитопровода в направлении, перпендикулярном направлению потока помех (см. рис, 24, б); r/j - толщина набора магнитопровода трансформатора.

Подставляя полученные значения сопротивлений и У? . в в выражение, определяющее коэффициент экранирования, получим:

= 1 +

вРэ Ц 2/вРэ л [х

Практически коэффициент экранирования одинарных магнитных экранов для трансформаторов низкой частоты может быть получен

в пределах = 2,5 н- 50. Более точное представление о величинах Къ одинарных магнитных экранов'можно получить на основании следующих конкретных данных:

1. Экран нз листовой стали толщиной 2, мм с начальной проницаемостью р, 100, с воздушным промежутком 1в= 3 мм при магнито-проводе трансформатора Ш-12Х 12 обеспечивает = Ю.

2. Экран из пермаллоя толщиной 0,35 мм с начальной магнитной проницаемостью около 5000 с воздушным промежутком 1 мм при магнитопроводе Ш-12Х 12 обеспечивает Кв = 20.

3. Экран из пермаллоя толщиной 0,35 мм с начальной магнитной проницаемостью около 5000 с воздушным промежутком 3 мм при магнитопроводе Ш-12Х 12 обеспечивает Кэ = 50.

Необходимая величина коэффициента экранирования определяется особенностями режима работы экранируемого узла или всего радиоустройства. Например, в применении ко входному трансформатору усилителя низкой частоты необходимый коэффициент экранирования может быть определен на основании нижеследующего.

Пусть неэкранироваиный трансформатор подвергается магнитному полю помех с частотой = 100 гц (например, помеха, создаваемая силовым трансформатором при двухтактном выпрямлении тока промышленной частоты), и поток магнитного поля помехи создает в магнитопроводе входного трансформатора магнитную индукцию

где Яп - напряженность магнитного поля помех; й = 5 -ь 7 - коэффициент, учитывающий усиление напряженности магнитного поля помех в сердечнике трансформатора по сравнению с напряженностью поля в воздухе.

Напряженность магнитного поля помехи

Я

где - активное сечение магнитопровода трансформатора.

Если в первичной обмотке трансформатора имеется w витков, то s. д. с. помехи на первичной обмотке трансформатора

£п = 6,28 -f-w-k- Hn-ST:-10-8 g.

Как видно из эквивалентной схемы рис. 24, в, напряжение помех на выводах первичной обмотки трансформатора

(OnZ-i

R + R2

гяеЯ - внутреннее сопротивление источника усиливаемого сигнала, на которое замкнута первичная обмотка трансформатора; R - активное сопротивление нагрузки, пересчитанное в первичную обмотку с учетом коэффициента трансформации; 1 - индуктивность первичной обмотки трансформатора.

Для упрощения расчетных соотношений в приведенном случае не показаны значения активных сопротивлений обмоток трансформатора.

Для нормальной работы усилительного устройства низкой частоты можно считать соотношение UJU =5 ч- 20, где - минимальное напряжение усиливаемого сигнала на первичной обмотке входного трансформатора, U - напряжение помехи.

В таком случае, если напряжение помехи, индуктированное в первичной обмотке трансформатора, оказалось бы меньше (/смин =

= g-r) экранировать входной трансформатор не было бы

иужды. В противном случае нужен магнитный экран с коэффициентом экранирования

6,28--а>-А-Яп-5 -10-

А? - -=---

14 1 JJ

с мин

(OnZ-i

Например, при /п = ЮО гц; = 30 мкв; UJU = 5; S = = 2,5 см; il = 0,2 гн; R = 50 ом; Я'= 150 ом, 0,02 э;

k = Л п 0)= 225 витков - необходим экран с коэффициентом экранирования

6.28-/п- -Яп-Ш1-5ст-10~

Аа =--

conLi

6,28 100 225 4 0,02 2,5 1Сг

3.10-..,

628 0,2

37.5

13,4.

Такой коэффициент экранирования может быть обеспечен одинарным магнитным экраном, расположенным от магнитопровода (с воздушным промежутком) на расстоянии 5 мм при толщине экрана 3 мм, изготовленного из электротехнической стали. Если минимальный усиливаемый сигнал будет меньше принятого в примере расчета, или поле помех будет более интенсивным, то необходимый коэффициент экранирования будет больше чем Кд = 13,4 и одинарным экраном обойтись будет трудно. В таком случае можно предусмотреть применение двойного магнитного экрана.

§ 7. ЭКРАНИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПОМОЩИ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ

Как указывалось выше, экранирование магнитных полей псшех с использованием вихревых токов наиболее эффективно иа высоких частотах (радиочастотах) и весьма мало сказывается их действие при низкочастотных помехах. Как можно будет показать ниже, одновременно с экранированием магнитных полей помех происходит также экранирование электрических полей помех. Это дает основание этот способ экранирования называть электромагнитным экранированием.

Простейший электромагнитный экран,действце которого основано на использовании вихревых токов, имеющий вид замкнутого металлического кольца, помещенного в переменное магнитное поле, схе-

матйческн показан на рнс, 25, а. Здесь отмечен магнитный поток помех Фо, созданный внешними электромагнитными цепями, являющимися источниками помех. Такими цепями могут быть силовой трансформатор выпрямителя повышенной и высокой частоты, фер-рорезонансные стабилизаторы и т. п. Поле помехи действует на замкнутое кольцо и вызывает в нем возникновение вихревого тока /. Если кольцо обладает индуктивностью L, то в результате действия

<0

6)1.0

2 4 6 8 10 IS t4

Рис. 25. К пояснению действия экранов с вихревыми токами: а - замкнутое кольцо в переменном магнитном поле; б - зависимость эффективности экранирования на различных частотах, помех; в - структура поля в присутствии замкнутого кольца; г-структура поля в присутствии проводящего листа.

вихревого тока возникнет магнитный поток Ф^, направленный навстречу потоку помехи Фо. В результате мешающее действие магнитного потока помехи Фо снизится, что равносильно действию уменьшенного магнитного потока помех Ф.

Как показано на рис. 25, а, результирующий магнитный поток помех

Ф = Фо - Фх = Фо - Lf-

Отсюда можно определить величину вихревого тока в кольце и эффективность экран! рования кольца. Если магнитный поток помехи

Ф = Ф„С03(Сйп;+ф),

то э. д. с, наводимая в кольце потоком Ф.

Е = -]и) Ф.

Ток, протекающий в кольце под воздействием наведенной э. д с, Е Ф

где R - активное сопротивление кольца вихревым токам с частотой помехи сОп-

В этой формуле величина индуктивности L не учитывалась, так как создаваемое ею противо-э. д. с. является также и частью э. д. с. Е, поскольку оиа вызывается суммарным магнитным потоком, включающим в себя и поток Ф^, возникновение которого обязано деист вию индуктивности кольца.

Из соотношения

Фо = Ф+Ф1 = Ф + /Ф^ = ф(1+/)

следует, что при известном значении первоначального магнитного потока помехи Фд можно определить коэффициент экранирования в виде

Таким образом этот коэффициент определяет кратность ослабления магнитного поля помех за счет действия собственного поля кольца. Величина растет с повышением частоты и уменьшением активного сопротивления кольца. Эффективность экранирования тем большая, чем лучше проводимость кольца. Можно было бы говорить

о том, что Кд прямо пропорционален добротности кольца Q = .

Характер зависимости коэффициента экранирования замкнутого

кольца с вихревыми токами от отношения -j показан иа рис. 25, б.

Из этого графика видно, что на низких частотах (сОп - 0) коэффициент экранирования К^ стремится к единице, т. е. отсутствует эффект экранирования, как об этом упоминалось выше. С повышением частоты помех сй =6,28-/ растет коэффициент экранирования, т. е. увеличивается эффект экранирования, причем, начиная с не-

которого значения отношения -~, увеличение эффекта экраниро-

Н

вания идет не так резко, как в средней части графика.

Более того, при расчете графика рис. 25, б исходят вначале из предположения постоянства величин L к R. На самом же деле эти величины не остаются постоянными и зависят от частоты тока (см. например, § 8). Поэтому действительный характер изменения коэффициента экранирования с частотой несколько отличается от характера графика рис. 25, б. Общий характер изменения величины К^ остается таким, каким он был охарактеризован выше: малая эффективность экрана на низких частотах помехи и вьиюкая эффективность на высоких частотах (радиочастотах).

1 2 3 4 5 6 7 8 ... 11