Главная » Мануалы

1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 11

Показанное на рис. 25, а соотношение еиешнего поля помех н собственного поля кольца остается верным. Вие кольца оба магнитных поля будут складываться и общая структура поля внутри и снаружи кольца будет такой, какой она изображена на рис. 25, е. Благодаря действию вихревых токов кольца через него не проходит магнитное поле помех; это поле как бы вытесняется и огибает кольцо снаружи. Внутри кольца может быть расположен экранируемый элемент схемы радиоустройства.

Все сказанное относительно экранирующего действия кольца с вихревыми токами равным образом относится и к замкнутым проводящим поверхностям. Если на пути магнитного поля поместить лист проводящего материала (например, медный лист), то в ием появятся вихревые токи и этот лист будет действовать как множество отдельных колец, замкнутых между собой накоротко.

Как и в случае действия одиночного кольца, так и при действии проводящего ток металлического листа, скажется его экранирующее действие, т. е. лист будет препятствовать магнитным силовым линиям проходить через него. Характер структуры магнитного поля помех при наличии листового экрана в переменном магнитном поле показан иа рис. 24, г.

При высоких частотах поля помех вихревые токи в металле протекают в поверхностном слое, а более глубокие слои металла листа будут как бы экранированы поверхностными слоями и переменное магнитное поле помех не будет проникать в его толщу. В этом случае наблюдается явление, аналогичное поверхностному эффекту (скин-эффекту).

Уменьшение напряженности магнитного поля помех и плотности вихревых токов в толще экрана происходит по экспоненциальному закону, т. е. в виде 6

где А - плотность тока или напряженность магнитного поля на глубине 6 от поверхности экрана; А^ - плотность тока или напря-, жениость магнитного поля помех на поверхности экрана; 6 - глубина проникновения, на которой плотность тока или напряженность магнитного поля помех убывает в 2,72 раза по сравнению с плотностью тока на поверхности. Как показано выше, глубина проникновения тока или магнит- ного поля помех мала. Например, для меди при частоте 100 кгц толщина проникновения равна 0,22 мм; при более высоких частотах эта величина еще меньше (см. рис. 11). Отсюда следуют основные выводы:

электромагнитные экраны, действующие на основе использования вихревых токов, можно изготовлять из весьма тонких проводящих материалов, причем эффективность экранирования от этого ие уменьшится;

для электромагнитных материалов целесообразнее применять хорошо электрически проводящие материалы (медь, алюминий), поскольку сопротивление экранов желательно уменьшать.

Описанный эффект защиты от внешнего магнитного поля помех с использованием вихревых токов пригоден и для защиты внешних элементов цепей от магнитного поля, создаваемого элементом электрической цепи, помещенном внутри экрана, т. е. для локализации магнитных полей помех.



Электромагнитные экраны описанного типа по своей конструкции почти не отличаются от описанных выше электростатических экранов, как это можно видеть из рис. 26. В таких экранах магнитное поле помех не проникает наружу и не может пройти сквозь толш,у экрана.

Все сказанное выше относительно отверстий и швов замкнутых экранов для экранирования электрических полей и магнитных полей помех остается в силе и для электромагнитных экранов. На рис. 26, б показано, что линия а - а' не приводит к снижению эффективности экранирования, а линия б - б' вызывает снижение эффекта экранирования.

Очевидно, что отсутствие верхней и нижней крышек экранов, показанных на рис. 26, приводит к тому, что эти экраны перестают дей-


Рис. 26. Вид цилиндрических экранов: а - расположение экранируемой индуктивности; б - прорези в экране ( а-а - правильно, б-б - неправильно).

ствовать как экраны с вихревыми токами, они перестают быть замкнутыми. С помощью таких незамкнутых экранов можно (лишь при известных условиях поляризации электрической волны помех) осуществлять эффект экранирования электрического поля.

Существенной особенностью электромагнитных экранов с вихревыми токами является наличие в них потерь мощности, рассеиваемой в толще экрана, в результате чего он нагревается. Величина потерь электромагнитной энергии в описываемых экранах может быть определена на примере расчета потерь в кольцевом экране. При этом из приведенных выше соотношений следует, что ток в толще

Мощность потерь в кольце

R J i



Отсюда следует, что при относительно низких частотах вихревых токов, когда > toi, мощность потерь Р меняется пропорционально квадрату частоты помех (ш^); на более высоких частотах, когда R < п^ , мощность Потерь мало зависит от частоты помех. Характер изменения мощности потерь в экране от частоты помех показан иа рис. 27, а.

Мощность потерь в зависимости от величины активного сопротивления экрана может быть также установлена на основании приведенного выше уравнения, определяющего величину мощности потерь. При малых значениях R, когда R f-J величиной R в знаменателе можно пренебречь, потери будут расти пропорционально Rl&L или R. Прн больших значениях R, когда R > потери

будут уменьшаться обратно пропорционально R. Потери будут максимальными при R = cu Z,. Общий характер зависимости мощности потерь от сопротивления экрана показан на рис. 27, б.

л

Рис. 27. Зависимость мощности потерь в экране от частоты (я) и от активного сопротивления (б).

На основании приведенных соотношений можно с полньпи основанием утверждать, что уменьшение сопротивления R будет способствовать улучшению экранирующих свойств и уменьшению потерь в экране. Этим можно объяснить, что электромагнитные экраны обычно делают из меди или алюминия. Иногда иа поверхность экрана наиссят слой серебра, улучшающий экранирующие свойства и уменьшающий потерю энергии в экране благодаря тому, что удельное сопротивление серебра приблизительно на 10% меньше удельного сопротивления технической меди. Кроме того, слой серебра в меньшей мере подвергается окислению и не покрывается так быстро слоем плохо проводящих электричество окислов, как это наблюдается в медных экранах. Из соображений наименьшего окисления поверхностного слоя экрана применяется и латунь.

Описываемые электромагнитные экраны могут быть одинарными и двойными. В последних предполагается, что часть энергии помех проникает в толщу металла экрана и создает в нем вихревые токи, вызывающие частичное ослабление поля помех. Если толщина такого экрана мала, то часть энергии помех попадает во внутрь экрана и Может оказать мешающее действие работе той части схемы радио-Устройства, которая там помещается. Если же между этим экраном и экранируемым элементом схемы расположить еще один экран, то Ффект экранирования несомненно усилится.



Можно показать, что эффективность экранирования при применении нескольких слоев экрана из одного и того же материала будет больше, чем при применении одинарного экрана двойной толщины. В еще большей мере увеличивается -эффективность экранирования многослойных экранов, если применять правильно подобранные комбинированные экраны, в которых слои сделаны из различных металлов, например, медь-сталь, сталь, покрытая с обеих сторон цинком и др.

О характере изменения эффективности экранирования экранов I 3 различных материалов, разной толщины при различных частотах I омех можно судить по графикам рис. 28.

1000


Г-0,(5Мец

m гоо 300 400 m г.кгч о 0,4 as /.2 1,6 г,о 2.4 z8t.m

Рис. 28. Характеристики экранов из различных металлов.

Согласно с графиками рис. 28, а можно определить коэффициент экранирования однослойного электромагнитного экрана из меди толщиной 1 мм иа частотах f = 200 кгц равным Кэ= Ю 200; сети же толщину двухслойного экрана из биметалла медь-сталь оставить равной толщине однослойного медного экрана в 1 мм при fxt = 100, можно получить /Сэ от 12 до 1000 на частотах 20 и 400 кгц.

На рис. 28, б показана зависимость /Сэ одинарного экрана от толщины стенок для разных металлов на частоте помех 0,15 Мгц.

Практически применение двухслойных экранов целесообразно при их массовом промышленном изготовлении. В этом случае для получения наибольшей эффективности экранирования выбирают металлы с наибольшей электрической проводимостью, ибо в таких условиях сильнее проявляется действие вихревых токов: они более интенсивные при меньшем сопротивлении экрана. Однако нельзя исходить лишь нз условия получения наилучшей электрической проводимости, ибо для эффективности экранирования существенно важна и магнитная проницаемость материала экрана. Например,



эффективность медного экрана может оказаться ниже, чем стального хотя проводимость меди приблизительно в 6 раз больше проводимости стали; здесь сказывается большая магнитная проницаемость стали.

Так как магнитная проницаемость стали меняется с частотой в достаточно широких пределах, то эффективность экранирования стального экрана иа разных частотах неодинакова: на низких частотах Ks велика, а при повышении частоты помех значение Кэ уменьшается. При частотах выше 1 Мгц экранирующее действие стальных экранов может увеличиваться за счет уменьшения глубины проникновения тока в толщу экрана. В общем случае можно считать, что толщина экранов из магнитных материалов может быть меньшей, чем у экранов из диамагнитных материалов при условии получении

(одного и того же зиачеиия Кэ в диапазоне частот помех 20 -ь 500 кгц. 1 В заключение описания всех видов экранов можно отметить следующее: а) в радиолюбительской практике находят применение три Ьсновиых типа экранов: электростатические, магнитостатические и Впектромагнитные; б) первые два типа экранов обладают экранирующим действием лишь для определенного типа помех электрических или магнитных полей; в качестве побочной задачи такие экраны могут оказаться эффективно действующими при наличии того и другого поля, т е. электростатический экран частично экранирует действие магнитного поля, а магнитные экраны частично защищают от помех электрического поля; в) электромагнитные экраны, дей-/ ствие которых основано на возникновении вихревых токов, применимы, главным образом, при высокочастотных помехах; эти экраны также обладают частичным действием экранирования электрических полей; г) во веех типах экранов обязательно качественное заземление, правильное расположение отверстий и соответствующий выбор материала и толщины стенок экрана.

§ 8. РАСЧЕТ ЭКРАНОВ

Приведенные выше описания экранов не исчерпывают необходимых сведений для наилучшего использования их. В большинстве случаев решающее значение в выборе экранов имеет расчет экранируемых элементов схем и узлов радиоустройства. Это обусловлено тем, что экранирование сводится ие только к защите или локализации помех, но связано также с изменением параметров экранируемого элемента цепи, поскольку само по себе экранирование обусловливает перехват электрических или магнитных силовых линий , т. е. с возникновением емкостной или индуктивной связи между цепью экранируемого элемента и самим экраном,который тоже представляет собой ту или иную электромагнитную систему.

Как правило, при экранировании уменьшается индуктивность, увеличивается активное сопротивление и собственная емкость экранируемого элемента цепи. Одновременно с изменением указанных первичных параметров меняются и вторичные параметры экранируемого элемента цепи: резонансные свойства контура, добротность, полоса пропускания частот, коэффициент связи между отдельными Цепями.

Из существующих методов электрического расчета экранов Различного вида наибольшее применение нашли :ге, которые



сравнительно просты и наиболее .часто встречаются. Получаемые при этом неточности не играют существенной роли, ибо даже самые точные расчеты экранов, сопряженные со сложным математическим аппаратом, также не обеспечивают абсолютную точность.

Трудно отдать предпочтение тому или иному методу расчета. Также нелегко определить, какие наиболее часто встречающиеся экраны следует тщательно рассчитывать. Выше были приведены некоторые расчеты для иллюстрации эффективности действия экранов, и поэтому они были ограничены определением лишь величии и служили для ориентировки выбора материалов экранов и толщины их стенок. Приводимые ниже расчеты экранов по-разному удовлетворяют тем или иным требованиям, предъявляемыми к расчетным методам. В зависимости ог конкретной задачи экранирования может быть выбран тот или иной метод расчета. С целью возможности сопоставимости результатов расчета различными методами одна и та же задача расчета решена по-разному.

1. Расчет экранированной катушки иидуктивиости

Расчет предусматривает использование электростатического экрана из немагнитных материалов (алюминий, латунь или медь). Схематическое изображение экранируемой катушки индуктивности и экрана приведено на рис. 29, а.



1А 1,8 2,2 2,6 3

Рнс. 29. К расчету индуктивйости однослойной экранированной катушки: а - размеры экрана; б - графики зависимости относительного изменения индуктивности экранированной катушки.

Уменьшение индуктивности экранированной катушки при установке экрана может быть определено на основании упрощенной расчетной формулы

в = о

где Lg - индуктивность сдиослойной катушки в экране; Ц - индуктивность этой же катушки при отсутствии экрана; DJD -



отношение диаметров катушки индуктивности и экрана; /0/2/9 - отношение длины намотки в катушке к удвоенной длине экрана.

Согласно приведенной формуле на рис. 29, б показаны графики зависимости уменьшения индуктивлости каг\шки в % от соотношения DjDf, при разных значениях /0/2/3. При этом под относительным

уменьшением индуктивности принята величина! - ~ 100.

Приведенная на графике рис. 29, б зависимость уменьшения индуктивности катушки при /э/о = 1 нереальна для практических случаев, ибо такие экраны ие применимы. Вполне реальны отношения /э о == 2 -!- 3. Большего отношения IJIq, чем три, ие требуется.

Увеличение активного сопротивления катушки индуктивности при ее экранировании можно определить так:

в случае относительно низких рабочих частот, когда поверхностным эффектом (скин-эффектом) можно пренебречь:

21000-/-л*

в случае относительно -высоких частот, когда поверхностный эффект должен быть учтен,

33Обо-л*

где R - активное сопротивление, вносимое в обмотку катушки индуктивности при экранировании, ом; N - число витков катушки; А - площадь поперечного сечения катушки, см; f - рабочая частота, кгц; р- удельное сопротивление материала экрана, ом мл? 1м; t - толщина стенок экрана, см; г - радиус эквивалентного шарового экрана, см.

Таблицу 8

! 0

1,000

1,000 0,818

1,000

33,115

0,030

16,573

, 0,2

1,221

1,020

54,598

0,018

27,308

L 0.4

1,492 .

0.670

1,081

90,017

0.011

45,014

0,6

1,822

0.549

1,855

109,95

0,009

54,978

- 0,8

2,225

0,449

1,337

148,41

0.006

74,210

ii,o

2,718

0,368

1,543

200,34

0,005

100.17

11,5

4,482

0,223

2,352

244,69

0,005

122,35

2,0

7,389

0,135

3,762

298,87

0,003

149.44

12,182 20.086

0,082

6,132

33030

0,003

165,15

Рз,о

0,049

10,068

403,43

0,002

201,72

Коэффициент экранирования

(рг\

VsFJ И ch2p-cos2p.



t - толщина стенок экрана, см; f - рабочая частота тока в катушке, кгц; р - удельное сопротивление материала экрана, ом мм/м; г - радиус эквивалентного шарового экрана, см.

Здесь гиперболический косинус chx = / (е + е -) может быть определен при помощи обычных таблиц. Для удобства расчета по приведенной формуле в табл. 8 даны некоторые значения величии е^, е~, ch X. Для промежуточных значений <а можно брать и промежуточные значения определяемых величин, т. е. производить интерполяцию линейную, не считаясь с погрешностями в определении этих величин.

2. Расчет одиослойиой и миогоолойиой катушек иидуктивиости

Достаточно длинный электростатический экран можно рассматривать как одновитковую короткозамкиугую катушку индуктивности, связанную индуктивно с однослойной катушкой, находящейся внутри экрана. Это основное положение дает основание определить индуктивность экранированной однослойной катушки в виде

где Z-o - индуктивность неэкранированной катушки; К^в - коэффициент связи между катушкой и экраном.

Величину экранированной однослойной катушки индуктивности можно также определить в виде

где D(, я Dg - диаметры катушки и экрана, как обозначено на рис. 29, а; х\ - коэффициент, зависящий от отношения IJDo катушки.

Значения коэффициента т] = ф (УЩ приведены на рис. 30, а.

Индуктивность однослойной катушки с точностью до It 3% можно определить равной

где А - коэффициент, зависящий от соотношения IJD; Dg - диаметр катушки; N - число витков обмотки.

Расчет индуктивности многослойных экранированных катушек ведется на основании соотношения

где

К'-

св

0 = Ф Uo/Do) и Лоэ = ф (и^э) - коэффициенты, определяемые по графикам рис. 30, б, в; t - толщина намотки; £> = / {С^ пкс+ + мин)> а D -- ес1Б приведенный диаметр катушки; Оомин - ми-



нимальный диаметр катушки; омакс - максимальный диаметр катушки; /э и Dg - длина и диаметр экрана.

Из приведенных соотношений следует, что чем ближе экран расположен к катушке индуктивности, тем сильнее меняется ее индуктивность. Практически не допускается уменьшение индуктивности катушки больше, чем на 20% от ее номинального значения. Отсюда вытекают практические правила выбора длины и диаметра экрана при заданных размерах катушки.

а) 77

1,Z(-

Рис. 30. Графики для расчета индуктивности экранированных катушек.

0,5 op 09 1,-f 1,3 1,5 1,7 1,9


as 0,6 0,7 0.8 0,3 1,0

Наряду с приведенной формулой для определения индуктивности жранированной катушки можно воспользоваться также графиками рис. 31. Эти графики построены на основании следующей формулы:

де rjrg - отношение радиусов катушки индуктивности и экрана; k - постоянная, определяемая по графику рис. 31, б.

По графикам рис. 31, а можно определить отношение IJl достаточно точно для длинных экранов и при экране конечной длины, если зазоры между краем катушки и экраном равны по крайней мере радиусу катушки и если длина экрана превышает размер его диаметра. Коэффициент k в формуле, на основе которой построены графики рис. 31, а, учитывает возможные неточности расчета.



Увеличение активного сопротивления экранированной катушки индуктивности можно рассматривать как сопротивление потерь, включенное последовательно с активным сопротивлением обмотки катушки. Это сопротивление определяется тем, что в создаваемых двух связанных контурах, составленных индуктивностями катушки

W US

0,4 0,2 0

0,3 0,S

и

.L /

lo/Oo

0,2 0.3 0,4 0.6 0.81,0

г 3 4 567810


Рис. 31. Расчетные графики для определения индуктивности экранированной катушки.

и экрана, из экранного контура вносится в контур катушки активное сопротивление н-

Величина этого сопротивления зависит от активного сопротивления экрана на частоте помех и коэффициента связи между контурами катушки и экрана.

Величину вносимого сопротивления R g можно определить различными расчетными соотношениями, в том числе и следующими.

Для наиболее употребительных алюминиевых экранов вносимое сопротивление

где /Сев - коэффициент связи между катушкой индуктивности и экраном; / - частота тока в катушке или частота помех в зависимости от ты-о, осуществляется ли защита от помех или локализация по-



1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 11

Яндекс.Метрика