Фильтрация электрических сетей при электромагнитном экранировании

3. Фильтрация электрических сетей при электромагнитном экранировании.

Эффективность экранирования в значительной степени зависит от фильтрации электрических цепей управления, сигнализации, связи и электропитания, проходящих через экран, вводимых в экран и выходящих из него. Фильтрация электрических сетей и линий является техническим мероприятием, сопутствующим электромагнитному экранированию и заключается во включении в общие провода и шины сетей управления, электропитания и т. д. Фильтрующих (развязывающих) цепей.

Общий подход к фильтрации заключается в следующем. В фильтруемый провод (шину) включают последовательно и параллельно сопротивления. Величина последовательных (Z₁ Z₃ Z₅) сопротивления для фильтруемых частот выбирается большой, а для параллельных (z₂ z₄ z₆)– малой. Тогда фильтрующую цепь можно рассматривать как серию последовательно включенных делителей напряжения (Рис. 1).

Рис. 1. Эквивалентная схема фильтрующей цепи.

U_ин , U_пн – источник и приемник напряжения.

Согласно рис. 1 можно записать:

U₁=U_ин∙z₂/Z₁

U₂=U_ин∙ (z₂∙z₄/Z₁∙Z₃)

Рекомендуемые материалы

……………………….

U_пн=U_ин∙ (z_2,4,6/Z_1,3,5)

Для эффективности фильтрации :

Э_ф=U_ин/U_пн=Z_1,3,5/z_2,4,6 ,

Данная величина выражается в неперах или в децибелах.

Так как одновременно с необходимым подавлением наводки фильтрующая цепь должна передавать полезные напряжения без значительных потерь и искажений, то в качестве последовательных сопротивлений в фильтрующей цепи применение резисторов очень ограничено (применяются при малых токах и высоких напряжениях, когда потери напряжения и мощности несущественны). Предпочтение отдается дросселям.

3.1. Помехоподавляющие дроссели.

Дроссели могут использоваться как в качестве самостоятельных устройств фильтрации, так и в виде составных частей фильтра. Уже отмечалось, что дроссели должны обладать большим сопротивлением в широком диапазоне частот. Однако для выполнения этого требования на низких частотах необходимо делать катушки со значительной индуктивностью L и большим числом витков, в результате чего возрастает собственная емкость катушек, уменьшающая их сопротивление на высоких частотах. Кроме того, следует стремиться уменьшить активное сопротивление катушек во избежании потерь полезного напряжения. Для этого применяются в катушках секционированные обмотки снижающие их собственную емкость. Но при этом уменьшается и индуктивность.

При конструировании дросселей для фильтров систем экранирования следует также помнить об обеспечении достаточной механической прочности, изоляции и влагоустойчивости. Кроме того, следует стремиться к сокращению габаритов катушки, обеспечению большой поверхности охлаждения для ограничения прогрева, и уменьшению расхода цветных металлов.

В большинстве случаев индуктивность дросселей не должна превышать 500 мкГ. Это объясняется тем, что частотная характеристика дросселей с большой индуктивностью неравномерна. Собственная емкость не должна превышать 100 пФ. В качестве помехоподавляющих дросселей могут применяться любые катушки, имеющие необходимые частотные характеристика полного сопротивления.

Дроссель может быть как с ферромагнитным сердечником, так и без него. В качестве материала для сердечника рекомендуется сталь Bч – 2, магнитная проницаемость m которой сохраняет значительную величину и на высоких частотах.

При фильтрации сетей электропитания большой мощности индуктивность дросселя на частоте 0,25 Мгц обычно не превышает 10 мкГ. Применение в этих условиях обычных витковых дросселей ограничивается техническими трудностями, связанными с потреблением больших токов. Эти трудности устраняются применением без витковых дросселей. Такой дроссель представляет собой прямоугольный токоведущий стержень, окруженный магнитопроводом в виде толстостенной трубы из ферромагнитного материала.

3.2. Помехоподавляющие конденсаторы.

В параллельные ветви Z₂, Z₄, Z₆ эквивалентной фильтрующей цепи (рис. 1) включают конденсаторы, с помощью которых создается минимально возможная сопротивление этих ветвей. Полное сопротивление конденсатора в широком диапазоне частот определяется не только емкостью, но и индуктивностью его выводных проводников. Каждый конденсатор имеет определенную резонансную частоту f_рез, выше которой его полное сопротивление определяется уже не емкостью, а собственной индуктивностью. В настоящее время промышленностью выпускаются специальные помехоподавляющие конденсаторы типа КЗ. Из обычных конденсаторов используют типы КСО и КБГ. Но эти конденсаторы применяются на частотах до 10…20 МГц. Если частоты выше, то применяют проходные конденсаторы, например типа КБП.

Помехоподавляющие свойства проходного конденсатора существенно зависят от его размещения и способа крепления. На это следует обращать внимание.

Иногда используют опорные конденсаторы. Но ни опорные, ни проходные конденсаторы не применяются в малогабаритных узлах.

Для установки помехоподавляющих конденсаторов применяют специальные способы.

Примеры установки проходного конденсатора показаны на рис.2

Рис. 2. Способы крепления опорных конденсаторов

А,Б – правильно , В – неверно.

Как обычно пайку проходных конденсаторов не применяют, а используют резьбовое крепление. В способе А (рис. 2) отверстие в экране для токоведущего провода (стержня) конденсатора должно полностью закрываться фланцем.

3.3. Основные типы фильтров нижних частот.

В системах экранирования в основном применяют фильтры нижних частот (ФНЧ): Г – образные, П – образные, Т – образные. Тот или иной фильтр применяют в зависимости от конкретных условий.

Г – образный фильтр с емкостным входом рис. 3 применяется, когда

внутреннее сопротивление источника напряжения велико, а сопротивление сети мало:

Рис. 3. Г - образный фильтр с емкостным выходом.

Г – образный фильтр с индуктивным входом рис. 4 целесообразно использовать в обратных ситуациях:

Рис. 4. Г - образный фильтр с индуктивным выходом.

Для фильтрации цепей питания наиболее часто используют П – образные фильтры(рис. 5):

Рис. 5 П –образный фильтр.

3.4. Применение и конструкция фильтров.

Конструкция фильтров в основном определяется его эффективностью, назначением и расположением относительно РЭС и экрана. При разработки конструкции фильтра учитывают:

• общее число и взаимное расположение потенциальных источников помех внутри и вне аппаратуры;
• диапазон частот, спектральные и др. характеристики помех;
• общий уровень помех ;
• направленность распространения.

Эти требования определяют условия использования фильтра, необходимую эффективность и позволяют разработать требования к конструкции фильтра, его параметрам и системе фильтрации в целом.

Система фильтрации разрабатывается одновременно системой экранирования. Эффективность фильтров существенно зависит от их конструкций и от монтажа элементов.

При этом следует учитывать следующие рекомендации:

1. Фильтры, как правило, необходимо экранировать, исключение составляют емкостные фильтры, выполненные на обычных конденсаторах. Обычно экраном служит его корпус.

2. Входные и выходные провода должны вводится в корпус фильтра с противоположных сторон и проходить вне корпуса как можно дальше друг от друга.

3. Избегать расположения элементов фильтра на съемных частях его корпуса.

4. Размещать и крепить проходной конденсатор так, как это было показано ранее.

5. Обычные и защитные конденсаторы типа КЗ рекомендуется монтировать так называемым проходным способом, т.е. присоединять помехонесущий провод непосредственно к выводу конденсатора. Если один из выводов конденсатора должен быть соединен с шасси или корпусом фильтра, то это соединение должно быть выполнено возможно более коротким проводом (не длиннее 10-15 мм) и достаточно большого диаметра (не менее 2 мм). Провод лучше припаивать к шасси или корпусу.

6. Крепление конденсаторов и дросселей должно быть механически-прочным и вибропрочным, т.к. вибрация может привести к нарушению контакта элементов фильтра с корпусом.

7. В случае применения неэкранированных дросселей необходимо правильно располагать их относительно конденсаторов и подключенных к ним проводов.

8. Нельзя использовать выводы конденсаторов для его механического крепления.

9. Помехоподавляющие приспособления (дроссели, конденсаторы и др. детали) надо размещать так, чтобы был доступ для их осмотра, проверки и замены.

Выбор параметров конденсаторов и дросселей, применяемых в качестве элементов фильтра, производится на основании расчета фильтра.

Промышленностью выпускаются несколько сери помехоподавляющих фильтров, предназначенных для фильтрации силовых сетей, контрольных цепей, цепей связи, управления, сигнализации и др.

3.5. Экранирование узлов и блоков РЭС.

Экранирование катушек индуктивности.

Экранирование катушек индуктивности осуществляется с помощью замкнутых металлических экранов цилиндрической или прямоугольной формы, изготавливаемых из немагнитных материалов (медь, латунь, алюминий). При конструировании экрана катушки приходится решать следующую задачу. По заданным размерам каркаса катушки (D_k;l_k) и начальной индуктивности L₀ следует определить диаметр экрана D_э (или длину стороны квадратного сечения) и его длину l_э. При этом следует знать диаметр провода d_пр и число витков n. Решение задачи основано на учете реакции экрана на экранируемую катушку и возрастания потерь в нем вследствие вихревых токов. При этом толщина стенок экрана должна быть не менее глубины проникновения X_0,01. Размеры цилиндрического экрана выбирают из двух условий :

- минимальный диаметр d_э должен быть равен двум диаметрам катушки d_k

d_{э »} 2∙d_k.

- минимальная длина экрана l_э равна длине катушки l_k плюс диаметр катушки d_k , т.е. l_э=l_k+d_k

Катушки индуктивности создают магнитный поток, направленный определенным образом, что следует учитывать при установке экранов и проектировании щелей экранов для вывода проводов. Все щели распологаются так, чтобы они не препятствовали прохождению вихревых токов, определяющих экранирующий эффект (рис. 1). Экран заземляют.

Рис. 1. схемы правильного а и неправильного б расположения щелей.

Эффективность экранирования катушек может ухудшиться, если входящий и выходящий провода не будут экранированы. Экран проводов должен с одной стороны быть припаян к экрану катушки, а с другой к экрану выходного устройства.

Если по условиям эксплуатации необходим доступ к катушке, то экран может быть (помимо щелей) открытым с торцов, тогда длинна его возрастает и становиться равной : l_э=l_k+8∙d_э

Уменьшить общую длину можно применением с торцовых концов волноводных фильтров (типа “сотовая решетка”). Крепится она винтами или с помощью электропроводного клея. Чаще всего экран имеет форму цилиндра открытого с одной стороны, где проводится отбортовка для крепления его к шасси. Экраны для катушек больших размеров технологичнее изготавливать прямоугольными. Стыковое соединение производят внахлест или с помощью угольника.

Экранирование трансформаторов.

При экранировании трансформаторов следует помнить, что основная часть магнитного потока замыкается в сердечнике. Поэтому любые мероприятия, связанные с уменьшением рассеивания приводят одновременно к уменьшению паразитных наводок. Следовательно, наиболее эффективным экраном трансформатора является его магнитопровод.

Для улучшения свойств магнитопровода следует более тщательно подбирать материал (с максимально возможной магнитной проницаемостью m ) и уменьшать воздушные зазоры. Самое минимальное рассеивание магнитного потока имеют трансформаторы с тороидальными сердечниками. Когда все меры по улучшению магнитопровода исчерпаны, трансформатор помещают в отдельный экран из пермаллоя или др. специальных сортов ферромагнитных материалов. Медный, алюминиевый, стальной экраны в диапазоне частот 50-4000 Гц совершенно не эффективен и используются лишь как коробки для защиты от механических повреждений.

Экранирующая коробка не должна прилегать плотно к сердечнику (магнитопроводу). При зазоре между ними в 3мм эффективность экранирования выше на 15 дБ.

Наилучший экранирующий эффект в диапазоне 3-100 кГц дает многослойный экран, выполненный из разных материалов. Возможны различные варианты: медь-пелмаллой; пермаллой-медь-пермаллой; медь-пермаллой-медь; медь-сталь-медь и др.

На частотах выше 100 кГц многослойный экран не эффективен, т.к. хороший экранирующий эффект дает однослойный экран.

При конструировании многослойных экранов необходимо учитывать различные функции, которые несут отдельные слои, располагая в них стыки так, чтобы они не снижали эффективности экранирования. Для этого в экранирующих оболочках из материала с большой m , действующих по принципу шунтирования магнитного потока, допустимы только стыки параллельные направлению магнитного поля. Во оболочках из материалов с малым удельным сопротивлением действующих за счет вытеснения магнитного потока вихревыми токами, допустимы только стыки параллельные направлению вихревых токов, т.е. перпендикулярные магнитному полю.

В силовых и низкочастотных трансформаторах часто требуется устранить емкостную связь между первичной и вторичной обмотками. Уменьшение этой связи дает виток из медной фольги, проложенной между обмотками по всей длине катушки трансформатора. Виток соединяется с магнитопроводом и корпусом прибора и действует как электростатический экран.

Экранирование монтажных проводов.

Монтажные провода экранируют с помощью металлической оболочки (металлической плетенки), надетой на провод и изолированной от него. Экран монтажного провода соединяют с обоих концов с корпусом прибора при этом ток I_пр будет течь по проводу в одном направлении, а по экрану в другом. Магнитное поле прямого и обратного токов вне экрана компенсируется, а электрическое поле сосредотачивается между поверхностями, по которым текут токи, т.е. внутри экрана (Рис. 1)

Рис.1. Схема экранирования монтажных проводов.

Для надежного экранирования необходимо, чтобы экран был единственным путем для обратного тока. При конструировании аппаратуры следует учитывать, что емкость провода при экранировании по отношению к земле увеличивается, поэтому длина экранированного провода не должно быть более четверти длины волны.

Информация в лекции "19 Средства, усиливающие дофаминергические процессы" поможет Вам.

Оплетка проводов, не соединенная с корпусом, никакого экранирующего действия не вызывает. При соединении с корпусом в одной точки (рис. 2.), в окружающее пространство не будет проникать только электрическое поле.

Рис. 2. Способ заземления провода в одной точке.

Экранированные и коаксиальные провода следует применять только для соединения отдельных блоков и узлов, т.к. они громоздки, не удобны при монтаже и их необходимо изолировать от окружающих токонесущих поверхностей.

В этом случае экранирование выполняет следующие функции:

• устраняет взаимные паразитные наводки внутри многоблочного производства;
• предохраняет эти устройства от паразитных наводок со стороны другим приборов;
• предохраняет другие рядом расположенные устройства от паразитных наводок со стороны данного устройства.

Оплетка экранированного провода распаивается на близлежащий штырек и заземляется с обоих сторон. Кабель заземляется внутри разъема. При распайке на печатную плату делается какая-то своя конструкция заземления, но заземление обязательно.