Экранирование магнитных полей может быть осуществленно двумя методами:

Экранирование с помощью ферромагнитных материалов.

Экранирование с помощью вихревых токов.

Первый метод применяется обычно при экранировании постоянных МП и полей низкой частоты. Второй метод обеспечивает значительную эффективность при экранировании МП высокой частоты. Из-за поверхностного эффекта плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциально­му закону:

Показатель уменьшения поля и тока, который назы­вают эквивалентной глубиной проникновения.

Чем меньше глубина проникновения, тем больший ток течет в поверхностных слоях экрана, тем больше создаваемое им обратное МП, вытесняющее из пространства, занятое экраном, внешнее поле источника наводки. Если экран сделан из немагнитного материала, то экранирующий эффект будет зависеть только от удельной проводимости материала и частоты экранирующего поля. Если экран сделан из ферромагнитного материала, то при прочих равных условиях внешним полем в нем будет наводиться большая э. д. с. благодаря большей концентрации магнитных силовых линий. При одинаковой удельной проводимости материала увеличатся вихревые токи, что приведет к меньшей глубине проникновения и к лучшему экранирующему эффекту.

При выборе толщины и материала экрана следует исходить не из электрических свойств материала, а ру­ководствоваться соображениями механической прочно­сти, веса, жесткости, стойкости против коррозии, удобства стыковки отдельных деталей и осуществления меж­ду ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобства пайки, сварки и прочим.

Из данных таблицы видно, что для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленки толщиной около 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированого гетинакса или стеклотекстолита. На больших частотах сталь дает больший экранирующий эффект, чем немагнитные металлы. Однако стоит учитывать, что такие экраны могут вносить значительные потери в экранируемые цепи вследствие большого удельного сопротивления и явления гистерезиса. Поэтому такие экраны применимы только в тех случаях, когда с вносимыми потерями можно не считаться. Так же для большей эффективности экранирования экран должен обладать меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух, тогда силовые линии магнитного поля стремятся пройти по стенкам экрана и в меньшем числе проникают в пространство вне экрана. Такой экран одинаково пригоден для защиты от воздействия магнитного поля и для защиты внешнего пространства от влияния магнитного поля созданного источником внутри экрана.

Существует много марок стали и пермаллоя с различными величинами магнитной проницаемости, поэтому для каждого материала нужно расчитывать величину глубины проникновения. Расчет производится по приближенному уравнению:

1) Защита от внешнего магнитного поля

Магнитные силовые линии внешнего магнитного поля (линии индукции магнитного поля помех) будут проходить в основном по толще стенок экрана, обладающего малым магнитным сопротивлением по сравнению с сопротивлением пространства внутри экрана. В результате внешнее магнитное поле помех не будет влиять на режим работы электрической цепи.

2) Экранирование собственного магнитного поля

Такое кранирование используется, если ставится задача предохранения внешних электрических цепей от воздействия магнитного поля, создаваемого током катушки. Индуктивности L, т. е. когда требуется практически локализовать помехи, создаваемые индуктивностью L, то такая задача решается при помощи магнитного экрана, как это схематически показано на рисунке. Здесь почти все силовые линии поля катушки индуктивности будут замыкаться через толщу стенок экрана, не выходя за их пределы вследствие того, что магнитное сопротивление экрана намного меньше сопротивления окружающего пространства.

3) Двойной экран

В двойном магнитном экране можно представить себе, что часть магнитных силовых линий, которые выйдут за толщу стенок одного экрана, замкнутся через толщу стенок второго экрана. Точно также можно представить себе действие двойного магнитного экрана при локализации магнитных помех, создаваемых элементом электрической цепи, находящимся внутри первого (внутреннего) экрана: основная масса магнитных силовых линий (линии магнитного рассеяния) замкнется через стенки наружного экрана. Разумеется, что в двойных экранах должны быть рационально выбраны толщины стенок и расстояние между ними.

Общий коэффициент экранирования достигает наибольшей величииы в тех случаях, когда толщина стенок и промежуток между экранами увеличивается пропорционально расстоянию от центра экрана, причем величина промежутка является средней геометрической величиной толщин стенок примыкающих к нему экранов. При этом коэффициент экранирования:

L = 20lg (H/Нэ)

Изготовление двойных экранов в соответствии с указанной рекомендацией практически затруднено из технологических соображений. Значительно целесообразнее выбрать расстояние между оболочками, прилегающими к воздушному промежутку экранов, большим, чем толщина первого экрана, приблизительно равным расстоянию между стеикой первого экрана и краем экранируемого элемента цепи (например, катушки иидуктивности). Выбор той или иной толщины стенок магнитного экрана нельзя сделать однозначным. Рациональная толщина стенок определяется. материалом экрана, частотой помехи и заданным коэффициентом экранирования. При этом полезно учитывать следующее.

1. При повышении частоты помех (частоты переменного магнитного поля помех) магнитная проницаемость материалов падает и вызывает снижение экранирующих свойств этих материалов, так как по мере снижения магнитной проницаемости возрастает сопротивление магнитному потоку, оказываемое экраном. Как правило, уменьшение магнитной проницаемости с повышением частоты идет наиболее интенсивно у тех магнитных материалов, у которых имеется наибольшая начальная магнитная проницаемость. Например, листовая электротехническая сталь с малой начальной магнитной проницаемостью мало изменяет величину jx 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, вызывая 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 рекомендации 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 10); 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, при частоте магнитного поля помех 50-100 гц толщина стенок экрана должна быть приблизительно равна 2 мм; если требуется увеличение коэффициента 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 необходимости обеспечения большого коэффициента экранирования (Кэ > Ю) 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 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.

Тест

1. При магнитном экранировании экран должен:
1) Обладать меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух
2) обладать равным воздуху магнитным сопротивлением
3) обладать большим магнитным сопротивлением, чем воздух

2. При экранировании магнитного поля Заземление экрана:
1) Не влияет на эффективность экранирования
2) Увеличивает эффективность магнитного экранирования
3) Уменьшает эффективность магнитног экранирования

3. На низких частотах (<100кГц) эффективность магнитного экранирования зависит от:
а) Толщины экрана, б) Магнитной проницаемости материала, в) Расстояния между экраном и другими магнитопроводами.
1) Верно только а и б
2) Верно только б и в
3) Верно только а и в
4) Все варианты верны

4. В магнитном экранировании при низких частотах используется:
1) Медь
2) Аллюминий
3) Пермаллой.

5. В магнитном экранировании при высоких частотах используется:
1) Железо
2) Пермаллой
3) Медь

6. На высоких частотах (>100кГц) эффективность магнитного экранирования не зависит от:
1) Толщины экрана

2) Магнитной проницаемости материала
3) Расстояния между экраном и другими магнитопроводами.

Использованая литература:

2. Семененко, В. А. Информационная безопасность / В. А. Семененко - Москва, 2008г.

3. Ярочкин, В. И. Информационая безопасность / В. И. Ярочкин – Москва, 2000г.

4. Демирчан, К. С. Теоретические основы электротехники III том / К. С. Демирчан С.-П, 2003г.

Изготовление и исследование свойств магнитных экранов

Целью работы является изучение методов экранирования с помощью ВТСП устройств, получение объемного и толстопленочного экранов, исследование их коэффициентов ослабления поля.

Общие сведения

Экранирование представляет собой защиту объема от воздействия внешнего электрического, магнитного или электромагнитного полей. Как правило, в этом объеме располагается устройство, нуждающееся в защите от данного поля. В зависимости от вида и ориентации экранируемого поля выбираются материал и конструкция экрана. Так, например, магнитное поле традиционно экранируют с помощью конструкций из ферромагнетиков, а электромагнитные поля – с помощью проводниковых конструкций. Конструкция может иметь форму сферы, стакана с дном, длинного цилиндра и т.д.

Применение сверхпроводниковых материалов позволило существенно улучшить массогабаритные показатели экранирующих конструкций, однако необходимость использования жидкого гелия ограничивает применение таких экранов.

Применение ВТСП электромагнитных экранов на частотах порядка звуковых представляется достаточно перспективным, поскольку использование обычных металлов, например меди или алюминия, требует большой толщины экрана (соответствующие толщины скин-слоя составляют несколько сантиметров). Пермаллоевые и другие экраны с высоким значением магнитной проницаемости характеризуются также большими габаритами и массой.

Для монокристаллических образцов ВТСП значения глубины проникновения составляют доли микрометра. Для поликристаллических образцов она существенно больше (10 мкм), однако использование ВТСП экранов, экранирующих корпусов интегральных схем и т.д. является перспективным в сравнении с другими методами. Физической основой работы экрана является эффект Мейсснера-Оксенфельда. Внешнее магнитное поле в сверхпроводнике убывает с глубиной:

B (x ) = B (0) exp(-x / λ L ), (4.9)

где x – расстояние от поверхности,

λ L – лондоновская глубина проникновения.

Для низкотемпературных сверхпроводников λ L =10 -7 м, поэтому слабые поля в объемный сверхпроводник практически не проникают. Для реальных ВТСП, как уже отмечалось, эта величина много больше. Если величина внешнего магнитного поля становится сравнимой со значением нижнего критического поля, сверхпроводник второго рода может перейти в промежуточное состояние. При этом образец разбивается на чередующиеся сверхпроводящие и нормальные области (состояние Шубникова) и в него проникает магнитное поле. Индукция поля, при котором образец переходит в состояние Шубникова, определяется его формой и критическими свойствами материала. Для экрана в виде цилиндра с плоским дном и отношением внутреннего диаметра к внешнему не более 0,7 это поле (перпендикулярные оси цилиндра) можно определить из выражения

B ││ = В С 1 [(1-d /D )/2] 1/2 , (4.10)

где В С 1 – индукция первого критического поля материала;

D , d – внешний и внутренний диаметры экрана.

Индукция аксиального поля, при котором материал экрана переходит в промежуточное состояние, приблизительно равна критической индукции поля.

Для ВТСП материалов картина усложняется вследствие того, что они представляют собой гранулированные конгломераты, где между СП гранулами есть джозефсоновские контакты. В этом случае экранирующие свойства связывают с величиной критического поля межгранульных связей, при котором начинается проникновение поля в ВТСП.

Обычно ВТСП магнитные экраны выполняются путем одностороннего, двухстороннего или гидростатического прессования ВТСП порошка и последующего обжига. Такой способ пригоден для изготовления небольших экранов. Однако для изготовления длинномерных цилиндров или экранов более сложной формы (сфера) такой способ не подходит. В этом случае пользуются дискретными экранами, состоящими из фрагментов-колец. В предыдущей работе были изготовлены такие кольца-фрагменты, которые можно собрать в длинномерный цилиндр. Такие фрагменты могут быть выполнены нанесением тонких или толстых пленок на керамическое основание.

Коэффициент экранирования (ослабления поля) К определяется как отношение величины внутреннего поля B i к внешнему – B e :

К = B i / B e . (4.11)

Измерение производят следующим образом. Экран с датчиком поля помещают внутри соленоида, задающего внешнее поле. В качестве датчика используют феррозондовый датчик или, как в нашем случае, датчик Холла. Соленоид на штанге опускают в сосуд Дьюара с жидким азотом. Вся система располагается внутри установленного вертикально двухслойного ферромагнитного экрана с коэффициентом ослабления магнитного поля Земли около 100.

Последовательно с обмоткой соленоида включен резистор. Падение напряжения на резисторе пропорционально величине внешнего магнитного поля соленоида, ЭДС Холла пропорциональна величине внутреннего поля. Из графика U x = f(I c ) можно оценить коэффициент ослабления поля для данного экрана.

Рис. 4.8. Толстопленочный фрагмент-кольцо магнитного экрана:
1 – керамика, 2 – пленка

Рис. 4.9. Температурный режим вжигания ВТСП пленки: Т 1 =120°С (30 мин) V 1 =30ºС/ч; Т 2 =910-915°С (10-20 мин); Т 3 =895°С, V 2 =6ºС/ч; Т 4 =860°С

Задания

1). Получите толстопленочные фрагменты-кольца.

1.1. На керамическое основание (рис. 4.8) нанесите пасту (порошок Bi-2212 и 10–15% органической связки).

1.2. В электрической печи проведите вжигание пасты (рис. 4.9).

Рис. 4.10. Магнитный экран: Ф – кольца-фрагменты экрана; Д – датчик Холла;
a – расстояние между кольцами-фрагментами; L – обмотка соленоида

2). Соберите магнитные экраны.

2.1. Соберите экран из объемных колец-фрагментов.

2.2. Соберите экран из пленочных колец-фрагментов.

3). Измерьте коэффициент экранирования объемного и пленочного экранов.

3.1. Соберите схему для измерения коэффициента экранирования (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схема установки для измерения коэффициента экранирования: ИП – источники питания, Д – датчик Холла, С – двухкоординатный самописец; L – соленоид;
R – резистор

3.2. Получите графики B i = f(B e ).

3.3. Изменяя расстояние между кольцами, получите графики K =B i /B e = f(a ).

4). Оформите отчет, содержащий графики и их сравнительную оценку.

Контрольные вопросы

1. Как осуществляют экранирование?

2. Какие существуют экраны?

3. Какие устройства требуют экранирования?

4. Опишите и объясните эффект Мейсснера.

5. Охарактеризуйте состояние Шубникова.

6. Что такое вихри Абрикосова?

7. Поясните характер зависимости x =f(a ).

8. Как работает устройство измерения коэффициента ослабления?

Литература

1. Красов В.Г. и др. Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике / Красов В.Г., Петрацскас Г.Б., Чернозубов Ю.С. – М.: Радио и связь, 1985.- 168 с.

2. Бондаренко С.И., Шеремет В.И. Применение сверхпроводимости в магнитных измерениях – Л.: Энергоатомиздат, 1982.-132 с.

Заключение

Мы рассмотрели в этой книге основные вопросы проектирования и технологии высокотемпературной криоэлектроники. Из-за ограниченности объема пособия и желания сэкономить время читателя рассматривались наиболее важные в теоретическом и практическом плане вопросы. Многие существенные моменты, недостаточно “продвинутые” в практическом плане, остались вне поля зрения.

Недавно исполнилось 90 лет со дня открытия сверхпроводимости и 40 лет с тех пор, как на базе сверхпроводниковых материалов и криогенной техники гелиевых температур зародились низкотемпературные сверхпроводниковые технологии, в числе которых была и криоэлектроника. Одним из первых её элементов был проволочный криотрон. За прошедшие годы низкотемпературная криоэлектроника получила существенное развитие: были изобретены цифровые устройства на базе криотронов (в начале пленочных, а затем джозефсоновских); приемники и преобразователи СВЧ сигналов, приборы на базе СКВИДов и т. д.

Более 15 лет прошло со дня открытия высокотемпературной сверхпроводимости – события, которое должно было стимулировать работы в области сверхпроводимости вообще и криоэлектроники в частности. Так и случилось: количество и объем исследований в этой области резко возросли в 1996 году и в настоящее время являются довольно значительными.

Однако, несмотря на явные успехи, высокотемпературная криоэлектроника все еще находится на стадии становления, чему имеются различные причины.

Сегодня сохранилось драматичное и напряженное состояние в области исследований ВТСП. По-прежнему велики ожидания в этом плане. Правительство и промышленные фирмы, вложившие и продолжающие вкладывать в исследования ВТСП крупные средства, внимательно следят за прикладными аспектами исследований, опасаясь пропустить момент рывка в наукоемкий (а значит перспективный, престижный и доходный) ВТСП рынок. Большие ожидания заставляют скрупулезно оценивать и сегодняшнее состояние исследований, и их рыночный потенциал.

К причинам, тормозящим развитие криоэлектроники, можно отнести также:

· слабую изученность криоэлектронных процессов в охлаждаемых структурах и пленках,

· недостаточность реальных конструкторско-технологических идей по созданию интегральных криоэлектронных приборов и особенно – надежных, воспроизводимых, многоэлементных, многослойных интегральных схем с субмикронными зазорами.

Практически отсутствуют методы снижения энергоемкости и массогабаритных показателей криостатов, увеличения срока их непрерывной работы.

Иными словами, необходимо найти решения, с помощью которых полученные результаты будут дешевыми, воспроизводимыми, доступными. Мы надеемся, что приобретенные вами знания и навыки помогут решить поставленные задачи.

Использование: для получения пространства без магнитного поля, обеспечивающего повышение качества экранирования. Магнитный экран выполнен в виде оболочки с люком, причем оболочка расположена соосно с установленным вертикально кольцом постоянного магнита с осевой намагниченностью или двух расположенных подвижно относительно кольца оболочек, выполненных из композиционного или диамагнитного материала. Изобретение может применяться в медицине для снятия нагрузки в период магнитных бурь, а технике при производстве однородных постоянных магнитов, полупроводников, при производстве и настройке радиоэлектронной аппаратуры. 3 з.п ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для получения пространства без магнитного поля, в котором производятся настройка и испытание, например, датчиков феррозондового типа радиоизмерительной аппаратуры. Известны магнитные экраны из ферромагнитных материалов, для эффективной работы которых используют, например, размагничивающую катушку индуктивности, намотанную на корпус, и источник питания. Сравнительно часто для уменьшения остаточного магнитного поля экран, выполненный из нескольких слоев ферромагнитного материала, снабжен дополнительной размагничивающей обмоткой. Недостатком подобных систем является обязательная связь экрана с источником электрической энергии, которая при этом используется с низкой эффективностью. Для снижения энергетических затрат находят применение экраны, выполненные из сверхпроводящего материала или содержащие сверхпроводящие обмотки. При этом существенно усложняется конструкция и исключается использование экрана в полевых условиях. В качестве прототипа использовано устройство экранированной комнаты для магнитных измерений, которое содержит каркас с закрепленным на нем многослойным ферромагнитным экраном, опорные колонны на фундаменте, приборы освещения. Однако в этом случае по мере необходимости при намагничивании слоев магнитным полем Земли к вершинам углов каждого слоя подключается источник питания. Таким образом, в этом как и в других случаях магнитное поле Земли играет отрицательную роль. Для защиты от него и создают различные экраны. Цель изобретения - повышение качества экранирования. Это достигается тем, что магнитный экран выполнен в виде оболочки с люком, причем оболочка расположена соосно с кольцом постоянного магнита с осевой намагниченностью или две расположенные подвижно относительно кольца оболочки, выполненные из композиционного или диамагнитного материала, например из меди. На фиг. 1 показан постоянный кольцевой магнит; на фиг.2 - топография магнитного поля кольца. Постоянный кольцевой магнит 1 выполнен с внутренним радиусом R и толщиной , на опоре 2 на расстоянии S от кольца установлены оболочки 3 с люками 4 для доступа внутрь оболочки. На фиг.2 показана топография магнитного поля кольца с осевой намагниченностью, имеющего специфические области l и k. Персонал размещает в оболочке 3 используемые для работы (настройки) приборы (при необходимости размещается и сам) и устанавливает ее на расстоянии S, определяемом характерными размерами кольца R и . При этом расположение оболочек совпадает с областями l и k, в которых магнитное поле кольца равно нулю. Эти области являются магнитным вакуумом. Вертикальное размещение кольца упрощает его монтаж и взаимное расположение оболочек. При этом магнитное поле кольца может как совпадать, так в общем случае и не совпадать с магнитным полем Земли. Материал оболочек выбирается из учета его нейтральности к магнитному полю. В частности, таким материалом может быть либо композиционный, либо диамагнитный материал. Использование постоянного магнита с осевой намагниченностью в виде кольца и заданное расположение оболочек позволяют создать объемы без магнитного поля, которые, например, могут найти применение в медицине для снятия нагрузки в период магнитных бурь, в технике для производства и настройки радиоэлектронной аппаратуры, в перспективных производствах (изготовление однородных, постоянных магнитов, полупроводников, БИС и др.).

Формула изобретения

1. МАГНИТНЫЙ ЭКРАН, выполненный в виде оболочки с люком, отличающийся тем, что оболочка расположена соосно с кольцом постоянного магнита с осевой намагниченностью на расстоянии s = (2-2,5), где s - расстояние от плоскости симметрии кольца до центра естественного расслоения магнитного поля указанного кольца, в котором расположен магнитный экран с совмещением его центра с центром естественного расслоения магнитного поля от магнитного источника (кольца); - толщина кольца, а радиус оболочки соизмерим с радиусом центрального отверстия кольцевого постоянного магнита. 2. Экран по п.1, отличающийся тем, что он содержит расположенные соосно и подвижно относительно постоянного магнита две оболочки. 3. Экран по пп.1 и 2, отличающийся тем, что оболочки выполнены из композиционного материала. 4. Экран по пп.1 и 2, отличающийся тем, что оболочки выполнены из диамагнитного материала, например из меди.

Принципы экранирования магнитного поля

Для экранирования магнитного поля применяются два метода:

Метод шунтирования;

Метод магнитного поля экраном.

Рассмотрим подробнее каждый из этих методов.

Метод шунтирования магнитного поля экраном.

Метод шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экраны изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью (сталь, пермаллой). При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам (рисунок 8.15), которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана. Качество экранирования зависит от магнитной проницаемости экрана и сопротивления магнитопровода, т.е. чем толще экран и чем меньше швов, стыков, идущих поперек направления линий магнитной индукции, эффективность экранирования будет выше.

Метод вытеснения магнитного поля экраном.

Метод вытеснения магнитного поля экраном применяется для экранирования переменных высокочастотных магнитных полей. При этом используются экраны из немагнитных металлов. Экранирование основано на явлении индукции. Здесь явление индукции полезно.

Поставим на пути равномерного переменного магнитного поля (рисунок 8.16, а) медный цилиндр. В нем возбудятся переменные ЭД, которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко). Магнитное поле этих токов (рисунок 8.16,б) будет замкнутым; внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле (рисунок 8.16, в) оказывается ослабленным у цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие, которое будет тем эффективнее, чем меньше электрическое сопротивление цилиндра, т.е. чем больше протекающие по нему вихревые токи.

Благодаря поверхностному эффекту («скинэффекту») плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону

, (8.5)

где (8.6)

– показатель уменьшения поля и тока, которое называется эквивалентной глубиной проникновения.

Здесь – относительная магнитная проницаемость материала;

– магнитная проницаемость вакуума, равная 1.25*10 8 гн*см -1 ;

– удельное сопротивление материала, Ом*см;

– частота, Гц.

Величиной эквивалентной глубины проникновения удобно характеризовать экранирующий эффект вихревых токов. Чем меньше х 0 , тем больше создаваемое ими магнитное поле, вытесняющее из пространства занятого экраном, внешнее поле источника наводки.

Для немагнитного материала в формуле (8.6) =1, экранирующий эффект определяется только и . А если экран сделать из ферромагнитного материала?

При равных эффект будет лучше, так как >1 (50..100) и х 0 будет меньше.

Итак, х 0 является критерием экранирующего эффекта вихревых токов. Представляет интерес оценить, во сколько раз плотность тока и напряженность магнитного поля становится меньше на глубине х 0 по сравнению, чем на поверхности. Для этого в формулу (8.5) подставим х=х 0 , тогда

откуда видно, что на глубине х 0 плотность тока и напряженность магнитного поля падают в е раз, т.е. до величины 1/2.72, составляющей 0.37 от плотности и напряженности на поверхности. Так как ослабление поля всего в 2.72 раза на глубине х 0 недостаточно для характеристики экранирующего материала , то пользуются еще двумя величинами глубины проникновения х 0,1 и х 0,01 , характеризующими падение плотности тока и напряжения поля в 10 и 100 раз от их значений на поверхности.

Выразим значения х 0,1 и х 0,01 через величину х 0 , для этого на основание выражения (8.5) составим уравнение

И ,

решив которые получим

х 0.1 =х 0 ln10=2.3x 0 ; (8.7)

х 0.01 =х 0 ln100=4.6x 0

На основании формул (8.6) и (8.7) для различных экранирующих материалов в литературе приведены значения глубин проникновения. Эти же данные, с целью наглядности, приведем и мы в виде таблицы 8.1.

Из таблицы видно, что для всех высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5..1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует исходить не из электрических свойств материала, а руководствоваться соображениями механической прочности, жесткости, стойкости против коррозии, удобства стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобства пайки, сварки и пр.

Из данных таблицы следует, что для частот больше 10 МГЦ пленка из меди и тем более из серебра толщиной меньше 0.1 мм дает значительный экранирующий эффект . Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием.

Сталь можно использовать в качестве экранов, только нужно помнить, что из-за большого удельного сопротивления и явления гистерезиса экран из стали может вносить в экранирующие цепи значительные потери.

Фильтрация

Фильтрация является основным средством ослабления конструктивных помех, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного и переменного тока ЭС. Предназначенные для этой цели помехоподавляющие фильтры позволяют снижать кондуктивные помехи, как от внешних, так и от внутренних источников. Эффективность фильтрации определяется вносимым затуханием фильтра:

дБ,

К фильтру предъявляются следующие основные требования:

Обеспечение заданной эффективности S в требуемом частотном диапазоне (с учетом внутреннего сопротивления и нагрузки электрической цепи);

Ограничение допустимого падения постоянного или переменного напряжения на фильтре при максимальном токе нагрузки;

Обеспечение допустимых нелинейных искажений питающего напряжения, определяющих требования к линейности фильтра;

Конструктивные требования – эффективность экранирования, минимальные габаритные размеры и масса, обеспечение нормального теплового режима, стойкость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность конструкции т.д.;

Элементы фильтра должны выбираются с учетом номинальных токов и напряжений электрической цепи, а также вызванных в них бросков напряжений и токов, вызванных нестабильностью электрического режима и переходными процессами.

Конденсаторы. Применяются как самостоятельные помехоподавляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Конструктивно помехоподавляющие конденсаторы делятся на:

Двухполюсные типа К50-6, К52-1Б, ЭТО, К53-1А;

Опорные типа КО, КО-Е, КДО;

Проходные некоаксиальные типа К73-21;

Проходные коаксиальные типа КТП-44, К10-44, К73-18, К53-17;

Конденсаторные блоки;

Основной характеристикой помехоподавляющего конденсатора является зависимость его импеданса от частоты. Для ослабления помех в диапазоне частот примерно до 10МГц можно использовать двухполюсные конденсаторы с учетом малой длины их выводов. Опорные помехоподавляющие конденсаторы применяются до частот 30-50 МГц. Симметричные проходные конденсаторы используются в двухпроводной цепи до частот порядка 100 МГц. Проходные конденсаторы работают в широком диапазоне частот примерно до 1000 Мгц.

Индуктивные элементы . Применяются как самостоятельные элементы подавления помех и как последовательные звенья помехоподавляющих фильтров. Конструктивно наиболее распространены дроссели специальных видов:

Витковые на ферромагнитном сердечнике;

Безвитковые.

Основной характеристикой помехоподавляющего дросселя является зависимость его импеданса от частоты. При низких частотах рекомендуется применение магнитодиэлектрических сердечников марок ПП90 и ПП250, изготовленных на основе м-пермалоя. Для подавления помех в цепях аппаратуры с токами до 3А рекомендуется использовать ВЧ- дроссели типа ДМ, при больших номинальных значениях токов – дроссели серии Д200.

Фильтры. Керамические проходные фильтры типа Б7, Б14, Б23 предназначены для подавления помех в цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов в диапазоне частот от 10 МГц до 10ГГц. Конструкции таких фильтров представлены на рисунке 8.17

Вносимые фильтрами Б7, Б14, Б23 затухания в диапазоне частот 10..100 МГц возрастает приблизительно от 20..30 до 50..60 дБ и в диапазоне частот свыше 100 МГц превышает 50 дБ.

Керамические проходные фильтры типа Б23Б построены на основе дисковых керамических конденсаторов и безвитковых ферромагнитных дросселей (рисунок 8.18).

Безвитковые дроссели представляют собой трубчатый ферромагнитный сердечник из феррита марки 50 ВЧ-2 , одетый на проходной вывод. Индуктивность дросселя составляет 0.08…0.13 мкГн. Корпус фильтра выполнен из керамического материала УФ-61, имеющего высокую механическую прочность. Корпус металлизирован слоем серебра для обеспечения малого переходного сопротивления между наружной обкладкой конденсатора и заземляющей резьбовой втулкой, с помощью которой осуществляется крепление фильтра. Конденсатор по наружному периметру припаян к корпусу фильтра., а по внутреннему – к проходному выводу. Герметизация фильтра обеспечивается заливкой торцов корпуса компаундом.

Для фильтров Б23Б:

номинальные емкости фильтров – от 0.01 до 6.8 мкФ,

номинальное напряжение 50 и 250В,

номинальный ток до 20А,

Габаритные размеры фильтра:

L=25мм, D= 12мм

Вносимое фильтрами Б23Б затухание в диапазоне частот от 10 кГц до 10 МГц возрастает приблизительно от 30..50 до 60..70 дБ и в диапазоне частот свыше 10 МГц превышает 70 дБ.

Для бортовых ЭС перспективным является применение специальных помехоподавляющих проводов с ферронаполнителями, имеющими высокую магнитную проницаемость и большие удельные потери. Так у проводов марки ППЭ вносимое затухание в диапазоне частот 1…1000 МГц возрастает с 6 до 128 дБ/м.

Известна конструкция многоштыревых разъемов, в которых на каждый контакт устанавливается по одному П-образному помехоподавляющему фильтру.

Габаритные размеры встроенного фильтра:

длина 9.5 мм,

диаметр 3.2 мм.

Вносимое фильтром затухание в 50-омной цепи составляет 20 дБ на частоте 10МГц и до 80 дБ на частоте 100МГц.

Фильтрация цепей питания цифровых РЭС.

Импульсные помехи в шинах питания, возникающие в процессе коммутации цифровых интегральных схем (ЦИС), а также проникающие внешним путем, могут приводить к появлению сбоев в работе устройств цифровой обработки информации.

Для снижения уровня помех в шинах питания применяются схемно-конструкторские методы:

Уменьшение индуктивности шин «питание», с учетом взаимной магнитной связи прямого и обратного проводников;

Сокращение длин участков шин «питания», которые являются общими для токов для различных ЦИС;

Замедление фронтов импульсных токов в шинах «питание» с помощью помехоподавляющих конденсаторов;

Рациональная топология цепей питания на печатной плате.

Увеличение размеров поперечного сечения проводников приводит к уменьшению собственной индуктивности шин, а также снижает их активное сопротивление. Последнее особенно важно в случае шины «земля», в которая является обратным проводником для сигнальных цепей. Поэтому в многослойных печатных платах желательно выполнить шины «питание» в виде проводящих плоскостей, расположенных в соседних слоях (рисунок 8.19).

Навесные шины питания, применяемые в печатных узлах на цифровых ИС, имеют большие поперечные размеры по сравнению с шинами, выполненными в виде печатных проводников, а следовательно, и меньшую индуктивность и сопротивление. Дополнительными преимуществами навесных шин питания являются:

Упрощенная трассировка сигнальных цепей;

Повышение жесткости ПП за счет создания дополнительных ребер, выполняющих роль ограничителей, которые предохраняют ИС с навесными ЭРЭ от механических повреждений при монтаже и настройке изделия (рисунок 8.20).

Высокой технологичностью отличаются шины «питания», изготовленные печатным способом и крепящиеся на ПП вертикально (рисунок 6.12в).

Известны конструкции навесных шин, установленных под корпус ИС, которые располагаются на плате рядами (рисунок 8.22).

Рассмотренные конструкции шин «питания» обеспечивают также большую погонную емкость, что приводит к уменьшению волнового сопротивления линии «питания» и, следовательно, снижению уровня импульсных помех.

Разводка питания ИС на ПП должно осуществляться не последовательно (рисунок 8.23а), а параллельно (рисунок 8.23б)

Необходимо использовать разводку питания в виде замкнутых контуров (рис.8.23в). Такая конструкция приближается по своим электрическим параметрам к сплошным плоскостям питания. Для защиты от влияния внешнего помехонесущего магнитного поля по периметру ПП следует предусмотреть внешний замкнутый контур.

Заземление

Система заземления – это электрическая цепь, обладающая свойством сохранять минимальный потенциал, являющийся уровнем отсчета в конкретном изделии. Система заземления в ЭС должна обеспечивать сигнальные и силовые цепи возврата, защитить людей и оборудование от неисправностей в цепях источников питания, снимать статические заряды.

К системам заземления предъявляют следующие основные требования:

1) минимизация общего импеданса шины «земля»;

2) отсутствие замкнутых контуров заземления, чувствительных к воздействию магнитных полей.

В ЭС требуется как минимум три раздельные цепи заземления:

Для сигнальных цепей с низким уровнем токов и напряжений;

Для силовых цепей с высоким уровнем потребляемой мощности (источники питания, выходные каскады ЭС и т.д.)

Для корпусных цепей (шасси, панелей, экранов и металлизации).

Электрические цепи в ЭС заземляются следующим способами: в одной точке и в нескольких точках, ближайших к опорной точке заземления (рисунок 8.24)

Соответственно системы заземления могут быть названы одноточечной и многоточечной.

Наибольший уровень помех возникает в одноточечной системе заземления с общей последовательно включенной шиной «земля» (рисунок 8.24 а).

Чем дальше удалена точка заземления, тем выше её потенциал. Её не следует применять для цепей с большим разбросом потребляемой мощности, так как мощные ФУ создают большие возвратные токи заземления, которые могут влиять на малосигнальные ФУ. При необходимости наиболее критичный ФУ следует подключить как можно ближе к точке опорного заземления.

Многоточечную систему заземления (рисунок 8.24 в) следует использовать для высокочастотных схем (f≥10Мгц), подключая ФУ РЭС в точках, ближайших к опорной точке заземления.

Для чувствительных схем применяется схема с плавающим заземлением (рисунок 8.25). Такая заземляющая система требует полной изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и низкой емкости), в противном случае она оказывается малоэффективной. В качестве источников питания схем могут использоваться солнечные элементы или аккумуляторы, а сигналы должны поступать и покидать схему через трансформаторы или оптроны.

Пример реализации рассмотренных принципов заземления для девятидорожечного цифрового накопителя на магнитной ленте показан на рисунке 8.26.

Здесь имеются следующие шины земли: три сигнальные, одна силовая и одна корпусная. Наиболее восприимчивые к помехам аналоговые ФУ (девять усилителей считывания) заземлены с помощью двух разделенных шин «земля». Девять усилителей записи, работающих с большими, чем усилители считывания, уровнями сигналов, а также ИС управления и схемы интерфейса с изделиями передачи данных подключены к третьей сигнальной шине «земля». Три двигателя постоянного тока и их схемы управления, реле и соленоиды соединены с силовой шиной «земля». Наиболее восприимчивая схема управления двигателем ведущего вала подключена ближе других к опорной точке заземления. Корпусная шина «земля» служит для подключения корпуса и кожуха. Сигнальная, силовая и корпусная шины «земля» соединяются вместе в одной точке в источнике вторичного электропитания. Следует отметить целесообразность составления структурных монтажных схем при проектировании РЭС.