Магнитная связь между экрана с током и заключенным в него проводником
Вычислим напряжение, наводимое на центральный проводник вследствие прохождения по экрану тока Iэ и наличия индуктивной связи между экраном и проводником. Это напряжение будем рассматривать как напряжение шума (Uш). Будем считать, что ток в проводнике отсутствует (цепь не замкнута), т.е. условие не выполняется.
П
редположим,
что ток экрана создается напряжением
UЭ, наведенным от какой-то
другой цепи. На фиг. 2.12 показана схема,
которую при этом следует рассматривать.
Здесь Lэ и Rэ – здесь индуктивность
и сопротивление экрана. Считая, что ток
меняется по гармоническому закону,
имеем
.
Ток Iэ определяется выражением
.
Так как LЭ=М, то
.
График, соответствующий этому уравнению,
показан на фиг. 2.13. Частота
для этой кривой определяется как частота
среза экрана ср,
так что
.
Напряжение шумов, наводимых на центральный проводник на постоянном токе (=0) равно нулю и увеличивается почти до Uэ на частоте =5ср.
Следовательно, магнитная связь цилиндрического экрана и проводника, расположенного внутри него, растет с увеличением частоты изменения магнитного поля. При частоте, меньшей частоты среза (<ср), считается, что эта связь практически отсутствует.
Считается также, что наводимое на центральный проводник напряжение на частотах, более чем в пять раз превышающих частоту среза экрана, равно напряжению экрана. Отметим также, что частота среза экрана пропорциональна сопротивлению Rэ экрана.
Использование проводящего экрана с током в качестве сигнального проводника
Лучший способ защиты сигнальной цепи от магнитных полей – уменьшение площади его контура. Площадь, представляющая интерес в этом плане, – это общая площадь, охваченная током, проходящим в сигнальной цепи. Контур берется по току, идущему и возвращающемуся к источнику. Однако, очень часто ток возвращается по пути, не предусмотренному разработчиком, и площадь контура при этом изменяется по сравнению с ожидаемой.
Е
Площадь, охваченная током, – это прямоугольник между проводником и шасси заземления. При отсутствии экрана площадь контура велика, и влияние внешнего магнитного поля максимально. При экране, заземленном с обеих сторон, площадь контура существенно уменьшается, и тем самым до некоторой степени обеспечивается магнитная защита. В случае, когда прямой и обратный токи равны, защита максимальна. При экране, заземленном с одного конца, площадь контура почти не уменьшается.
При использовании экрана в качестве второго сигнального проводника нужно иметь в виду следующее:
подавление влияния внешнего магнитного поля происходит лишь тогда, когда частота наводки превышает частоту среза экрана более чем в пять раз. В этом случае напряжения, наводимые на оба проводника, равны и полностью компенсируют друг друга;
на низких частотах (<5ср) обеспечить равенство прямого и обратного токов нельзя, и эффективность защиты мала.
Таким образом, для получения максимальной защиты на низких частотах (<5ср) экран не должен служить одним из сигнальных проводников, и один конец цепи необходимо изолировать от земли, чтобы избежать наводки на нем токов от посторонних источников. В этом случае экран обеспечивает эффективную защиту проводника только от внешнего электрического поля.
Следует иметь ввиду, что на низких частотах даже, если экран заземляется на одном конце, через него все же могут протекать токи шумов из-за емкостной связи с землей (см. рис.).
Проводящий экран, заземленный с обоих концов, может обеспечить некоторую защиту от внешнего магнитного поля на частотах >5ср.
Замечание. Условие >5ср является лишь оценочным. При его выводе не учитывалось влияние тока проводника на ток экрана и сопротивление проводника. Как будет видно из дальнейшего, максимальная эффективность экранирования достигается даже на частотах >5ср, когда один конец экрана не заземляется.