Расчет и конструирование электростатических экранов

Функциональные узлы и элементы РЭС, несущие большие напряжения с малыми токами, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием электрической составляющей напряженности поля. В этом случае перенос помех осуществляется (как мы уже отмечали) за счет электрической индукции.

Рассмотрим электрическую связь источника помех (ИП) и рецептора помех (РП) (рисунок 5.4,а) с помощью схемы замещения (рисунок 5.4,б) Ссв /21/.

2

U_р (U₂) ИП C_св РП

Uп 1 U_рп

Е_ип~ С₁

h₁ h₂ С₂ Zн

а) б)

Рисунок 5.4. Схема переноса помех

В этом случае действие помехи проявляется за счет возникающей емкостной связи Ссв.

Здесь U₁ - напряжение, созданное ИП на элементе 1;

U₂ - ЭДС, наводимая элементом 1 на элемент 2;

С₁ - емкость ИП относительно корпуса;

С₂ - емкость РП относительно корпуса;

Z - комплексное сопротивление РП относительно корпуса, состоящее из С и Z_вх.

Т.к. практически всегда Z_вх << 1/ Cсв, то напряжение помех в рецепторе составляет:

Uр = Е_иi C_свZ_вх , (5.50)

а в этом случае

Uр = Е_иi C_свR. (5.51)

Для определения влияния конструктивных параметров на перенос помех путем электрической индукции необходимо знать величину Ссв между элементами конструкции, полагая, что расстояния между ними много больше чем до других тел и Ссв << С₁ и С₂. В соответствии с (5.51) и учитывая, что его можно записать в соответствии с законом Кулона в виде

U₂ = ,

получим

C_св = . (5.52)

Емкость связи с учетом шасси определяется выражением /7/

С_cв = . (5.53)

Емкости шара, диска радиусом r определяются выражениями:

С_ш = 4 r; Cд = 8 r. (5.54)

Емкость цилиндра длиной l и радиусом r (l>>r) определяется

С_ц = . (5.55)

В РЭС широко распространен случай параллельного расположения проводов. В этом случае ЭДС, наводимую на РП, можно оценить отношением

, (5.56)

где а - расстояние между проводниками; r - радиус проводника.

Величина Ссв при этом будет равна

С_св = , (5.57)

где l - длина проводника.

Рассмотрим влияние электрической связи в устройствах цифровой обработки информации, определяемой конечной длинной сигнальных проводников (рисунок 5.5).

C_св U_m

ИП

С_п

Ссв U

С_р U~

R_вых

РП

U

Um

t

а) б)

Рисунок 5.5. Перенос помех емкостным путем в цифровых схемах

Учитывая, что постоянная времени = С_свR_вых мала, напряжение помехи на входе микросхемы определяется приближенно

, (5.58)

где U_m и - амплитуда и длительность фронта импульса напряжения ИП.

Таким образом, необходимо ограничивать Ссв для того, чтобы избежать ложные срабатывания микросхемы. Для ослабления электрической связи в РЭС (исходя из приведенных результатов) необходимо:

· максимально разносить цепи РП и ИП, т.е. уменьшать Ссв;

· компоновать цепи РП и ИП так, чтобы Ссв между ними была минимальной (например, располагать проводники РП и ИП под углом близким к 90°);

· уменьшать размеры цепей ИП и РП, что приводит к уменьшению Ссв;

· применять дифференциальное включение рецептора помех для снижения емкостных синфазных помех.

В случае, если эти мероприятия не привели к желаемому результату, необходимо применять электростатическое экранирование.

Основной задачей электростатического экрана является снижение емкостной связи между экранируемыми элементами. Рассмотрим вариант размещения плоского незамкнутого ЭСЭ для ситуации, приведенной на рисунке 5.2 (рисунок 5.6).

U'₂

D

2

U₁ 1

h₁ h₂

а₁ а₂

а

Рисунок 5.6. Схема ослабления электрической связи ЭСЭ

Ориентировочно ЭЭ такого экрана можно оценить по формуле /21/

, (5.59)

где Rэ = 0,5 высоты или длины плоского экрана.

В общем случае для всех видов экранов

Rэ = 0.62 , (5.59,а)

где V - объем экрана - эквивалентный радиус экрана.

Максимальный эффект экранирования достигается (5.59) при условии а₁ > a₂ или a₁ > a₂ . Общее затухание, вносимое экраном (за счет разноса элементов и действия самого экрана), характеризуется коэффициентом связи К_св

. (5.60)

Чем меньше К_св, тем больше развязка между ИП и РП.

Анализируя полученные результаты, можно выделить основные требования, предъявляемые к электростатическим экранам:

· конструкция экрана должна быть такой, чтобы силовые линии электрического поля замыкались в основном на стенки экрана, не выходя за его пределы (рисунок 5.6);

· в области низких частот (до 10 кГц) эффективность ЭСЭ определяется качеством электрического контакта экрана с корпусом прибора и мало зависит от толщины и материала экрана;

· в области средних и высоких частот (выше10 кГц) эффективность экрана, работающего в электромагнитном режиме, определяется его толщиной, проводимостью и магнитной проницаемостью.