Защита пространства от излучения проводника с током

Чтобы предотвратить излучение во внешнее пространство, источник помех можно заключить в экран. Теоретически, как было показано выше, если сделать ток экрана равным по величине и направленным навстречу току центрального проводника, он будет создавать вне экрана равное и противоположно направленное магнитное поле. В результате возникает ситуация, когда поле вне экрана отсутствует (рис.1).

На рис.2 показаны электрическое и магнитное поля проводника с током, находящегося в свободном пространстве (вакууме). Если проводник поместить в экран, заземленный в одной точке (рис.3), линии электрического поля будут замыкаться на экран и он будет экранировать э лектрическое поле проводника, однако на магнитное поле экран будет оказывать очень слабое влияние.

На рис.4 показана заземленная с обоих концов цепь, по которой проходит ток I₁. Чтобы предотвратить излучение этой цепью магнитного поля, необходимо, чтобы оба конца экрана были заземлены и возвратный ток протекал от точки А к точке В по экрану (Iэ), а не по заземленной плоскости (I₃).

П рактически же, эффективность экранирования будет зависеть от частоты тока. На частотах >5_ср картина будет близка к теоретической, поскольку на этих частотах магнитная связь между проводником и экраном будет полная. Тогда возвратный ток, индуцируемый в экране переменным магнитным полем тока, протекающего по проводнику, будет равен току проводника и он создаст вне экрана поле, которое компенсирует поле, создаваемое проводником (рис.4).

На частотах <5_ср, излучение магнитного поля проводником можно предотвратить, если не заземлять один из концов проводника и экрана (рис.5). В этом случае весь возвратный ток будет вынужден проходить по экрану. Заземление обоих концов экрана лишь уменьшит экранирование, поскольку часть тока может возвращаться через плоскость заземления.

Анализ различных схем защиты сигнальной цепи путем экранирования

Б ыло проведено сравнение экранирующих свойств в отношении магнитного поля для различных схем включения кабеля.

Схема измерения показана на рис.1. Результаты сведены в таблицы, помещенные на рис. 2 и 3. Частота измерения (50 кГц) более чем в пять раз превышала частоту среза экранов всех кабелей, подвергавшихся испытанию. Кабели, показанные на рис.2 и 3, представляют собой испытуемый кабель, обозначенный на рис.1 как L₂.

В схемах А – Е (рис.2) оба конца цепи заземлены.

Эти схемы обеспечивают намного меньшее ослабление магнитного поля, чем схемы Ж – Л (рис.3), в которых заземлен только один конец цепи.

В схеме А на рис.2 экранирование магнитного поля, по существу, отсутствует. Уровень наводок в схеме А используется как опорный для сравнения характеристик всех других схем и принимается за 0 дБ.

В схеме Б один конец экрана заземлен, однако это не оказывает влияния на магнитное экранирование.

Заземление обоих концов экрана (схема В) обеспечивает некоторую защиту от магнитного поля, поскольку частота измерения выше частоты среза экрана. Эта защита была бы еще сильнее, если бы не контур заземления, образуемый заземлением обоих концов цепи. Магнитное поле наводит в этом контуре заземления, обладающем малым сопротивлением и состоящем из экрана участка шасси между двумя точками заземления, большой ток шумов. Этот ток в свою очередь, как было показано в предыдущем разделе, создает на экране напряжение шумов.

Использование витой пары (схема Г) должно в принципе обеспечивать намного большее подавление магнитных шумов, однако этого не происходит из-за контура заземления, образующегося при заземлении обоих концов цепи. Это хорошо видно из сравнения величины ослабления, обеспечиваемого схемой З (рис.3).

Д обавление к витой паре экрана с одним заземленным концом (схема Д) не дает никакого эффекта. Заземление обоих концов экрана, как показано на схеме Е, обеспечивает дополнительную защиту, поскольку экран, обладающий малым сопротивлением, отводит от сигнальных проводников часть тока, наведенного магнитным полем в контуре заземления. Однако из-за наличия контуров заземления вообще ни одна из схемных конфигураций на рис.2 не обеспечивает хорошей защиты от магнитных полей.

В том случае, если цепь должна быть заземлена на обоих концах, следует использовать схему В или Е.

Значительное увеличение магнитного экранирования дает схема Ж (рис.3). Это обусловлено тем, что площадь контура, образуемая коаксиальным кабелем, очень мала, а также тем, что здесь нет контура заземления, ухудшающего экранирование. Соосность обеспечивает максимальную магнитную связь центрального проводника и экрана.

Казалось бы, витая пара на схеме З должна обеспечивать значительно большую степень экранирования, чем 55 дБ. Уменьшение степени экранирования в этом случае является следствием того факта, что здесь ухудшена магнитная связь прямого и обратного проводников, а также отсутствия экранирования внешнего электрического поля. Это видно из схемы И, где ослабление увеличивается до 70 дБ за счет заключения витой пары в экран.

Отметим, что увеличение числа витков на метр для любой витой пары (3 или И) уменьшает наводки, т.е. увеличивает магнитную связь прямого и обратного проводников.

Вообще говоря, для магнитного экранирования на низких частотах схеме И следует отдать предпочтение перед схемой Ж, поскольку в схеме И экран не является сигнальным проводником.

Заземление обоих концов экрана, как в схеме К, несколько ухудшает экранирование. Это можно объяснить тем, что через экран по контуру, образуемому экраном и шасси, протекает большой ток, наводя на два центральных проводника неравные напряжения.

Схема Л обеспечивает лучшее экранирование, чем схема И, поскольку она объединяет в себе свойства коаксиальной схемы Ж и витой пары И. Однако применять эту схему не следует, так как в ней любые напряжения или токи шумов, попавшие на экран, могут проходить на землю через сигнальный проводник.

Почти всегда бывает лучше соединять экран и сигнальные проводники только в одной точке. Эту точку следует выбрать так, чтобы ток шумов не проходил с экрана на землю через сигнальный проводник.