Измерительные приборы с защитным экраном
Для тех, кто проектирует аппаратуру без защитного экранирования, имеется хороший довод в пользу изучения принципов работы такого экрана. Многие новые измерительные приборы выпускаются с защитным экраном (фиг. 3.36). Как правильно подключить
Фиг. 3.36. Обычная проблема, возникающая при использовании измерительного прибора с защитным экраном: куда подключить зажим этого экрана?
защитный экран к измеряемой схеме, должен решать потребитель.
Если же он не понимает назначения защитного экрана, то скорее всего экран останется неподключенным или будет соединен с землей измерительного прибора; но ни одно из этих подключений не даст оптимального результата. Чтобы защитное экранирование принесло пользу, необходимо придерживаться следующего правила: защитный экран всегда нужно подключать таким образом, чтобы синфазный ток не мог проходить ни через какое входное сопротивление. Обычно это выполняется при подключении защитного экрана к низкоомному выводу источника сигнала.
Фиг. 3.37. При измерении напряжения на Rг лучше всего подключать защитный экран к выводу Rг имеющему низкий импеданс относительно земли; при этом ток шумов не воздействует ив усилитель.
Фиг. 3.38. Защитный экран, подключенный к земле источника, не обеспечивает защиты от Uш; осуществляется защита только от U3.
Фиг. 3.39.
Подключение защитного экрана к «холодному» проводу вольтметра позволяет току шумов протекать по сопротивлению Rпр2, на котором при этом выделяется напряжение шумов.
Фиг. 3.40.
Подключение защитного экрана к земле измерительного прибора неэффективно: ток шумов течет через Rпр2, Rна и Z1.
Фиг. 3 41.
Защитный экран не подключен, токи шумов, вызванные наличием
Uш и U3, текут через Rпр2 , Rн2, Z1 и Z2.
Пример 3.4. Обратимся к фиг. 3.36. При помощи экранированного цифрового вольтметра требуется измерить напряжение на резисторе Rr ни один конец которого не заземлен. Какое подключение защитного экрана является наилучшим? Пять возможных способов его подключения показаны на фиг. 3.37—3.41. Напряжение Uз представляет разностное напряжение заземления, a Uш — напряжение шумов батареи. На фиг. 3.37 показано наилучшее включение, при котором экран подключается к низкоомному выводу источника. В этих условиях ток шумов через входную цепь измерительного прибора не течет.
На фиг. 3.38 показана схема, в которой экран подключен к земле; это соединение хуже, чем предыдущее. Здесь ток шумов от генератора U3 не создает никаких проблем, однако ток шумов от Uш проходит через импедансы Rпр2, Rн2 и Z1 и приводит к тому, что к усилителю оказывается приложенным напряжение шумов. При любом из соединений по схемам фиг. 3.39—3.41 ток шумов может проходить через входную цепь вольтметра, и эти соединения являются нежелательными.
Кабели и разъемы
Непреднамеренное образование контуров заземления и плохое экранирование чаще всего наблюдаются в кабельных системах, особенно в тех случаях, когда за различные части устройства сопряжения отвечают разные группы разработчиков. Хорошие кабельные соединения требуют проектирования; это правило появилось не сегодня.
Фиг. 3.42. Разделение цепей с большим и малым уровнями сигналов при разводке контактов разъема путем помещения между ними заземленных проводов.
Там, где это возможно, сильноточные и слаботочные провода не следует пропускать по одному кабелю. Если же этого избежать нельзя, то сильноточные провода следует сгруппировать вместе и поместить в экран. Относительно слаботочных проводов следует принять обычные меры предосторожности.
Проводники сильноточных и слаботочных цепей следует по возможности пропускать через разные разъемы или по крайней мере через контакты одного разъема, между которыми находятся контакты проводов заземления (фиг. 3.42).
Необходимо следить за тем, чтобы при проведении кабелей между системами сохранялась целостность экранирования. Экраны кабелей следует пропускать через разъемы. Если через разъем проходит несколько экранированных кабелей, на каждый экран следует отвести отдельный контакт. Если же все экраны пропустить через один контакт, образуются контуры заземления, и токи, проходящие через экран, будут протекать между экранами различных кабелей.
Там, где требуются экранирование кабелей с малыми уровнями сигналов и заземление только в одной точке, необходима изоляция экрана. Это предотвращает случайный контакт экрана с землей в какой-нибудь другой точке,жроме предусмотренной.
Выводы
На низких частотах следует применять систему заземления в одной точке.
На высоких частотах следует применять систему заземления в нескольких точках.
Низкочастотная система должна иметь как минимум три раздельные цепи возврата на землю. Здесь должны быть цепи 1) «сигнальной» земли, 2) «шумящей» земли и 3) «корпусной» земли.
Основные цели, преследуемые при выполнении заземления:
1) минимизировать напряжение шумов от двух заземляющих токов, протекающих через общий импеданс, и 2) исключить образование контуров заземления.
В случае заземленного усилителя и незаземленного источника сигнала экран входного кабеля следует подключать к общему зажиму усилителя.
В случае заземленного источника сигнала и незаземленного усилителя экран входного кабеля следует подключать к общему зажиму источника.
Экран, в который заключен усилитель с большим коэффициентом усиления, следует подключать к общей шине усилителя.
Когда сигнальная цепь заземлена с обоих концов, образуется контур заземления, чувствительный к шумам от 1) магнитных полей и 2) разности напряжений в точках заземления.
Контуры заземления можно разорвать при помощи изолирующего трансформатора, нейтрализующего трансформатора, оптро-нов, дифференциальных усилителей и усилителей с защитным экранированием.
На высоких частотах экраны сигнальных кабелей обычно заземляются в нескольких точках.