С.П.Тарасов ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА В Г

медицинской техники
Основы проектирования приборов и систем

аппаратуры высших структурных уровней приходится решать вопросы обеспечения электромагнитной совместимости

как отдельных частей конструкции, так и конструкции с внешними устройствами.
Причинами помех выступают:
– протекающие по проводам токи и наведенные ими на соседние проводники паразитные сигналы;
– электромагнитные поля от внешних и внутренних источников излучения и возникающие в связи с этим блуждающие токи в несущих конструкциях.
Еще были сложны вопросы электромагнитной совместимости при размещении приборов на носителях: кораблях, самолетах.
Таким образом, при проектировании приборов одновременно должна решаться задача экранирования от внешних и внутренних помех.

длины волны, электромагнитное поле имеет одну преобладающую составляющую – магнитную

или электрическую.
Т.к. расстояния внутри прибора между элементами измеряются сантиметрами, то для частот ниже СВЧ-диапазона задача экранирования от внутренних источников помех сводится к экранированию или от магнитной или от электрической составляющей.
Защита аппаратуры от внешних полей состоит в решении задачи экранирования от плоской волны, т.к. источник излучения может находиться на значительном удалении. Поле можно рассматривать как сформировавшееся в виде плоской волны, в которой энергия распределяется равномерно между магнитной и электрической составляющими.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

однако существуют общие понятия поглощения и отражения. Когда энергия поля

падает на экран, часть ее отражается от внешней поверхности, часть поглощается материалом экрана, а остальная часть проходит сквозь экран. Кроме того, затухание поля в экране зависит от частоты и материала экрана. Характеристики затухания магнитного АНЭ и электрического АЕЭ полей выглядят следующим образом

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

частот:
I – (f=0102Гц)
– низкочастотную

область, соответствующую электро-статическому и магнитостатическому режиму работы экрана;
II – (f =1025109Гц)
– высокочастотную область, отвечающую электромагнитному режиму работы экрана;
III – (f =10951011Гц)
– сверхвысоко-частотную область соответствующую волновому режиму работы экрана.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

подает под некоторым углом на границу раздела сред 1, 2,

3.
Толщина экрана t.
Коэффициент вихревых токов


где
 – частота поля;
 – магнитная проницаемость
материала;
 – удельная электрическая
проводимость.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

часть энергии отразиться в область 1, а часть пройдет в

толщу экрана. Отраженную энергию Е2 можно выразить через падающую энергию Е и коэффициент отражения р12 как Е2=р12Е. Энергия прошедшая в экран может быть представлена через коэффициент преломления на границе 1-2 (q2) и характеристику затухания. Прошедшая энергия претерпевает затухание по закону е-kt. Поле в области 2 определяется как Е1=q12Еe-kt. На границе раздела 2-3 эта волна частично отразится с коэффициентом отражения р23 Е3=q12р23Еe-2kt. Энергия, которая пройдет за экран будет Е4=q12р23Еe-kt. Просуммировав все волны, получим выражение для коэффициента экранирования:


где Епр – прошедшая сквозь экран.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

характеристики среды (волновое сопротивление), то затухание вносимое экраном, определяется формулой:



ZД

– волновое сопротивление диэлектрика – воздух;
ZM – волновое сопротивление экрана – металл.
Первый член описывает эффект поглощения электромагнитной волны экраном, а второй – отражения электромагнитного поля от экрана.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

границей отражения (2-3 см.рис.) можно пренебречь; при этом




Рассмотрим эффект экранирования

для различных диапазонов частот.
В области частот до 108–109 Гц справедливы уравнения Максвелла для квазистационарного режима
rot H = E;
rot E = – jH.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

диэлектрика в магнитном поле:
ZHД = jrЭ,
где  – магнитная проницаемость

экрана, zЭ – внутренний радиус экрана.
Волновое сопротивление диэлектрика в электрическом поле:


где  - диэлектрическая проницаемость.
Волновое сопротивление материала экрана


здесь
 – электрическая проводимость экрана.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

на пять длин волн) волновое сопротивление среды


Магнитостатический и электростатический режим

экранирования охватывает частоты до 4кГц. В этом интервале частот необходимо учитывать две границы отражения поля:
диэлектрик – экран (ZД/ZМ) и
экран – диэлектрик (ZМ/ZД).

Для частот приблизительно до 103 Гц затухание поля в толще экрана весьма мало. При этом KMt0,25; chKM1 и An0. Кроме того, thKMtKMt, поэтому

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

получим



Для магнитостатического поля могут быть два случая:
1) материал экрана

немагнитный



2) материал экрана магнитный

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

проницаемость материала экрана;
rЭ – внутренний радиус

экрана.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

экранов, выполненных из различных материалов для различных полей.

Как видно, в области НЧ при экранировании от магнитных полей следует использовать экран из магнитных материалов (сталь).
На очень низких частотах и в постоянном магнитном поле эффективность экранирования будет определяться явлением стягивания магнитного поля в среду с большой магнитной проницаемостью (экран) и эффективно будет работать экран только из магнитного материала.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

без экрана;
НЭ – напряженность поля при наличии

экрана;
 – начальная магнитная проницаемость материала экрана;
t – толщина экрана, мм;
r0 – радиус эквивалентной сферы, равновеликий по объему с экранированной областью, мм.
Из формулы видно, что при увеличении толщины экрана эффективность экранирования возрастает. Это будет до тех пор, пока t не сравниться с r0. Дальнейшее увеличение толщины экрана не приведет к существенному выигрышу в экранировании.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

поля не может быть больше

– при однослойном экранировании.

Если использовать многослойное экранирование, то суммарная эффективность будет равна произведению эффективности экранирования каждым слоем
S=S1  S2  S3  …  S4.
Эффективность экранирования низкочастотного электрического поля, определяется электропроводностью материала экрана и качеством соединения экрана с корпусом. При стекании электростатических зарядов с экрана по соединению экран-корпус на корпусе возникает потенциал, пропорциональный соединению этого участка. Чем меньше сопротивление, тем меньше потенциал экрана по отношению к корпусу, и тем выше эффективность экранирования.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

Ом.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

выражению



Материал и толщину экрана выбирают по необходимому ослаблению поля на

заданной частоте. Целесообразно найти несколько материалов, которые могут обеспечить нужное экранирование. Из них выбирается материал по таким факторам как масса, жесткость конструкции, стоимость. Выбор материала и расчет ослабления поля удобно производить по номограммам.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

за счет:
– отражения магнитного поля;
– отражения электрического поля;
– отражения электромагнитного

поля;
– номограмма для определения эффективности поглощения поля материалом экрана.
При расчете эффективности экранирования по формулам не учитывают, что в реальных конструкциях экранов могут существовать щели, отверстия и т.д.
Проникновение энергии через эти отверстия может значительно снизить эффективность экранирования, поэтому следует задаваться повышенным (на 20-30%) ослаблениям поля против заданного.
В экранах есть места соединений и отверстия, через которые проходят монтажные провода.
Чтобы уменьшить влияние подобных дефектов экрана, необходимо придерживаться определенных правил. Поверхность стыка составных частей экрана не должна пересекать магнитных силовых линий поля и линий наведенных в экране токов.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

(а) увеличение глубины захода основания экрана на корпус ведет к

уменьшению магнитного сопротивления стенки. При фланцевом соединении увеличение ширины фланца не приводит к снижению магнитного сопротивления стыка.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

токов. Поэтому большой размер отверстия должен располагаться параллельно этим линиям

(1)
При конструировании многослойных экранов каждый слой экрана должен быть изолирован от других слоев. В таких конструкциях токи, наведенные в каждом из слоев многослойного экрана, имеют свое направление. Если слои экрана соединить между собой, наведенные токи будут компенсировать друг друга и эффективность экрана упадет. В качестве материалов для изготовления экранов используют латунь, алюминий, пермаллой и электротехническую сталь.

Электрическое соединение составных частей радиоэлектронных приборов. Учет экранирования при компоновке.

помех, передаваемых по электромагнитному полю, но и за
счет мешающих

сигналов, протекающих по монтажным проводам.
За счет паразитных связей эти сигналы могут наводить в других
цепях сигналы помех.
Например: усилители склоны к самовозбуждению. Паразитная генерация
может возникнуть в очень широком диапазоне частот: от единицы герц до
сотни мегагерц.
НЧ помеха может возникнуть за счет утечки конденсатора
ВЧ помеха (паразитная генерация)  обычно обусловлена
положительной обратной связью.
Склонность схемы к самовозбуждению тем больше, чем больше
Произведения K*f (К – коэффициент усиления; f – полоса
пропускания).
В ВЧ цепях сказываются влияния емкости монтажных
соединений (выше единиц мегагерц).

Устранение наводок в соединительных цепях.

и кондуктивные.
Электромагнитные наводки возникают из-за протекания тока по проводам и

катушкам индуктивности. При протекании по экранирующей оплетке НЧ тока, наводимого полем при неправильном заземлении экрана (в двух разнесенных точках).
Электростатические наводки вызываются электро-статическими полями, создаваемыми за счет паразитных емкостей или вследствие разности потенциалов между различными точками корпуса. Диапазон частот электростатических наводок лежит, как правило, выше 10МГц.
Кондуктивные наводки возникают из-за наличия общей нагрузки для полезного сигнала и для сигнала помехи.

Устранение наводок в соединительных цепях.

следует применять конструктивные меры:

– развязывающие фильтры в ВЧ и импульсных

схемах надо устанавливать возле активного элемента;
– для проводов питания цепи фильтрации надо располагать у стенки корпуса;
– каскады с выходными сигналами очень высокого или очень низкого уровня должны помещаться в отдельные отсеки;
– каждый элемент электрической схемы (узел) подверженный опасности наводок, должен иметь только одно соединение с шиной заземления;

Устранение наводок в соединительных цепях.

сигналы с крутым фронтом должны быть экранированы;
– сигналы низкого уровня

следует передавать по экранированному двужильному кабелю, причем заземление экрана должно выполняться со стороны источника сигнала только в одной точке;
– несущие конструкции должны быть соединены с общей шиной заземления, но не должны сами служить такой шиной: шина заземления должна быть изолирована от металлических конструкционных частей и проходить через всю конструкцию;

радиоэлектронного аппарата должны быть выполнены сваркой, чтобы не возникало переходных

электрических контактов;
– для защиты от низкочастотных магнитных полей предпочтительна стальная оплетка экранированного кабеля;
– для блоков, рассчитанных на высокие частоты, материал корпуса и шасси должны обладать повышенной электропроводностью.
Часто используют латунь гальванически покрытую слоем серебра.

индуктивности соединительных проводников и ослаблению взаимосвязи.
Взаимная индуктивность двух круглых

проводников, расположенных параллельно, приближенно определяется формулой:
[наногенри]

l – длина проводника, см;
а – расстояние между центрами проводников, см.
Справедливо при l  а.

Устранение наводок в соединительных цепях.

приближенно может быть определена по формуле:

[пикофарады]

l – длина проводника, см;
h – расстояние от центра проводника до плоскости, см;
d – диаметр проводника, см.
Расчетные соотношения для определения электри-ческих параметров электромонтажа по известным конструктивным параметрам приводятся в справочниках.

Устранение наводок в соединительных цепях.

микроэлектронной аппаратуре. Уменьшение габаритов устройств, повышение плотности монтажа приводит к

увеличению паразитных монтажных связей.

Современные устройства все в большей степени используют цифровую обработку сигнала. Здесь важно передавать импульсные сигналы (в которых заложена информация) без заметных искажений.
Причины искажений импульсов могут быть весьма различны.

Устранение наводок в соединительных цепях.

отраженных сигналов вследствие
несогласованности волновых сопротивлений;
2) затухание сигнала за

счет потерь в линии передачи;
3) искажение фронтов и задержка импульсов во времени
(при включении нагрузок с реактивными составляющими);
4) паразитная связь по цепям питания и заземления;
5) наводки от внешних электромагнитных полей.

медицинской техники СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! С.П.Тарасов
Основы проектирования приборов и систем