Экранирование электрических проводов и компенсация полей
. Экранирование электрических проводов и компенсация полей
Экранированием проводов решаются задачи:
уменьшение наводок на выходящие за пределы контролируемой зоны провода от электромагнитных излучении основных и вспомогательных технических средств систем;
снижение уровня электромагнитных излучений проводов информационных линий основных и вспомогательных технических средств и систем.
Физические основы экранирования с целью снижения паразитных наводок на провода рассмотрены в предыдущем вопросе. В данном вопросе рассматриваются физические основы экранирования проводов кабелей.
Экранирование провода несимметричного кабеля производится путем размещения его в экране – металлической (железной, медной, цинковой, свинцовой) трубе и металлической сетчатой оплетке (плетенке). Для экранирования электрической составляющей экран заземляется (рис. 3).
Рис. 3. Электрическое экранирование несимметричного кабеля
Заряды в проводе создают электрическое поле, силовые линии которого притягивают заряды к внутренней поверхности экрана. Возникающие в результате этого на внешней поверхности экрана заряды нейтрализуются зарядами земли. Электрическое поле вне экрана определяется малой величиной вторичного электрического поля, вызванного не полностью компенсированными зарядами на внешней поверхности экрана из-за конечного, не равного нулю, сопротивления цепей заземления и экрана (от точки заземления до точки измерения). Чем больше точек заземления (многоточечное заземление), чем меньше электрическое сопротивление экрана и заземлителя, тем меньше величина напряженность вторичного электрического тока. Но, как правило, заземляются только концы экрана кабеля при подсоединении его к разъемам радиоэлектронных средств. Поэтому напряженность вторичного электрического поля повышается к середине такого кабеля и уменьшается к концам.
Источниками побочных излучений магнитного поля являются две магнитные рамки. Первая образуется цепью – провод и экран, по которому в соответствии с рис. 3 протекает ток Iэ. Цепь второй рамки образуют тот же провод и токопроводящая поверхность земли, по которой в обратном направлении протекает ток Iз. Очевидно, что Iобр = Iэ + Iз = Iпр. Мощность излучения рамок зависит от их площади и протекающих токов. Влияние экрана на уменьшение обратного тока в земле учитывается с помощью коэффициента токового экранирования Кт, равного отношению величины обратного тока в земле Iз к суммарной величине обратного тока Iобр. Для способа экранирования на рис. 3 в диапазоне звуковых частот Кт ~ 0,05. В большинстве случаях расстояние а от провода до экрана значительно меньше расстояния провода до земли h. Поэтому площадь второй рамки значительно больше площади первой. Хотя ток Iэ > Iз из-за более высокой проводимости экрана, чем земли, но при h » а побочное излучение рамки «провод-земля» является недопустимо большим. Для его снижения необходимо уменьшать h и ток Iз. Ток Iз обеспечивается при отсутствии заземления экрана у нагрузки (рис. 4).
Рис. 4. Экранирование несимметричного кабеля
Но при этом из-за увеличения сопротивления заземления возрастает вторичное электрическое поле, создаваемое экраном. Поэтому на практике вариант заземления выбирают исходя из минимизации суммарного побочного излучения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля. Например, если ток Iпр содержит постоянную составляющую, то целесообразно заземление экрана у нагрузки производить через фильтр низкой частоты, например через индуктивность, имеющую малое сопротивление для постоянного тока и большое – для переменного тока (рис. 4). В этом случае обеспечивается эффективное электрическое экранирование на низких частотах и магнитное экранирование на высоких частотах, на которых вторая рамка может создавать существенное излучение.
Экранирование проводов симметричных кабелей с целью снижения излучений, вызванных несимметричностью проводов относительно иной токопроводящей поверхности или земли, производится аналогично рассмотренным способам.
Наибольший экранирующий эффект достигается при применении металлических водогазовых труб, достаточно большая толщина стенок которых обеспечивает большое ослабление магнитного поля на низких частотах. Более удобно прокладывать кабели в свинцовой оболочке, так как они обеспечивают возможность изгиба кабеля в любом месте трассы. Эти кабели обеспечивают высокую устойчивость против агрессивной среды и эффективное электрическое экранирование, Так как свинец относится к диамагнетикам (с μ < 1), то магнитное экранирование достигается на высоких частотах, на которых наибольший экранирующий эффект достигается за счет вихревых токов. Еще большей эластичностью обладают экраны в виде оплетки из сетки, допускающей многократные перегибы. Оплетка перекрывает 60-90% поверхности изолированного провода. Но наличие отверстий в оплетке ухудшает магнитное экранирование по сравнению со сплошным экраном на 5 – 30 дБ.
Если экранирование проводов несимметричных кабелей представляет собой наиболее эффективный способ существенного снижения их побочных электромагнитных излучений, то для симметричных кабелей существуют иные и более дешевые способы. Они предусматривают меры, обеспечивающие более полную компенсацию полей, создаваемых токами противоположного направления в проводах (жилах) симметричного кабеля.