3.8. Экранирование проводов. Кабели

В пространстве, окружающем провод, соединяющий генератор переменного напряжения U с нагрузкой

Z_H (рис. 21), создаются переменные электрическое и магнитное поля. Они могут оказаться причиной наводки па­разитных напряжений в находящихся

в близи деталях. Применение провода^ с I _Рис.21.Электрическое

экранирующей металлической оболочкой, ^{F FJ} ^ ' магнитное поля в

не соединенной с корпусом, никакого пространстве

экранирующего эффекта не дает. окружающем провод

Напряженность магнитного поля не изме­ нится, так как в оболочке не могут возникнуть дополнительные токи, магнитное поле которых могло бы уменьшить поле,

создаваемое основным током в проводе.

Напряженность электрического поля также почти не изменится, так как емкость С_о, которую имел провод относительно корпуса, при наличии оболочки разделится на две последовательно соединенные емкости: провод - оболочка и оболочка - корпус. Эти емкости в сумме будут лишь немного больше емкости Со из-за влияния изоляционного материала с диэлектрической постоянной z_r ф 1 в промежутке провод

- оболочка.

При соединении оболочки с корпусом в любой одной точке (рис. 22) емкость оболочка - корпус оказывается замкнутой накоротко, все электрическое поле концентрируется в емкости провод

- оболочка и внешнее электрическое поле отсутствует. Такое соединение резко увеличивает емкостный ток, который протекает по цепи генератор - провод - оболочка - корпус - генератор, минуя полезную нагрузку Z# . Чтобы полностью защитить внешнее пространство от воздействия электрического поля, необходимо особенно тщательно выполнять соединение оболочки с корпусом, через которое протекает указанный емкостный ток. Здесь совершенно недопустимы соединительные провода любой длины. Подключение оболочки должно осуществляться путем непосредственного контакта, лучше всего с припайкой или приваркой к корпусу. Соединение оболочки с корпусом в одной точке не освобождает окружающее пространство от магнитного поля.

Для экранирования магнитного поля необходимо создать поле такой же величины и обратного направления. Для этого нужно весь обратный ток генератора, который в схеме рис. 21, 22 протекает по корпусу прибора, направить через экранирующую оболочку провода.

Рис. 22. Экранирование только электрического поля: а - плохое; б -хорошее

Рис. 23. Полное экранирование электрического и магнитного полей

Рис. 24. Нарушение экранировки при замыкании корпусов

приборов или

экранирующей оболочки провода

Рис. 25. Распределение плотности тока по экранирующей оболочке

Тогда магнитный поток Ф_пр, создаваемый током 1_пр, про­текающим по проводу, будет равен магнитному потоку Ф_об_р, создаваемому обратным током /_обр, протекающим по оболочке, и в любой точке окружающего пространства выполнится условие Ф_пр -Фоб_Р⁼0. Для полного осуществления этого принципа необходимо, чтобы экранирующая оболочка была единственным соединением кор­пуса отсека генератора и отсека нагрузки (рис. 23).

На низких частотах дополнительное соединение корпусов или частичное замыкание оболочки (рис. 24) может нарушить экрани­рование, так как при этом часть обратного тока будет протекать, минуя оболочку.

На высоких частотах из-за поверхностного эффекта обратный ток протекает в основном по внутренней поверхности оболочки. Величина его уменьшается по экспоненциальному закону по мере приближения к наружной поверхности (рис. 25). Чем выше частота, тем меньше глубина проникновения тока внутрь оболочки, тем

меньшая часть тока протекает по ее наружной поверхности и тем меньше проявляется эффект нарушения экранирования при наружном коротком замыкании оболочки (рис. 24). Практически, если глубина проникновения 8о.оь рассчитанная по (9), меньше толщины стенок экранирующей оболочки, ток, протекающий по наружной поверхности, составляет меньше 1 % от полного тока, протекающего по оболочке. Этот ток создает между корпусами приборов и отдельными точками экранирующей оболочки настолько малую раз­ность потенциалов, что нарушение экранирования от наружного короткого замыкания оболочки на частотах выше 10 МГц почти не наблюдается.

Прежде чем применить провода с экранирующими оплетками, необходимо учесть следующие их особенности, которые могут привести к нарушению нормальной работы прибора.

Наличие экранирующей оболочки резко увеличивает емкость провода на корпус, что большей частью нежелательно, за исключением случаев экранирования проводов питания, когда эта емкость оказывается включенной параллельно емкости блокировочного конденсатора.

Экранированные провода громоздки, неудобны при монтаже и требуют предохранения от случайных соединений с другими деталями.

Длина экранированного участка должна быть меньше четверти длины самой короткой волны передаваемого по проводу спектра частот. Если это условие не соблюдается, то применение экранированного провода нельзя рассматривать как введение дополнительной емкости. Тогда экранированный участок будет длинной коаксиальной линией, которая во избежание возникновения стоячих волн, могущих привести к искажению формы сигнала, должна быть нагружена на сопротивление, равное волновому.

Поэтому применение экранированных проводов всегда крайне нежелательно. В тех случаях, когда экранирование производится в пределах одного металлического кожуха, следует рассмотреть

всевозможные варианты устранения паразитных связей, прежде чем прибегнуть к экранированным проводам. При этом почти всегда найдется более выгодный вариант и можно будет обойтись без экранированных проводов. В частности, можно применять «скрученные пары».

Таким образом, экранированные провода, коаксиальные кабели и многожильные экранированные шланги с экранированными проводами внутри них следует применять в основном для соединения отдельных блоков и узлов друг с другом. В этом случае экранирование проводов позволяет:

а) освободиться от взаимных паразитных наводок внутри устройства, состоящего из нескольких блоков;

б) защитить многоблочные устройства от паразитных наводок со стороны других приборов;

в) предохранить от паразитных наводок приборы, находящиеся в пространстве, окружающем многоблочное устройство.

Выполнение всех этих функций целиком зависит от качества экрана и присоединения его к корпусам соединяемых приборов.

Сплошное экранирование проводов и коаксиальных кабелей металлической трубой применяется крайне редко. В большинстве случаев используется оплетка из луженого или серебряного провода, имеющая ряд механических преимуществ, но содержащая отверстия, достигающие 10 ... 30 % общей площади экрана. Эти отверстия почти не влияют на экранирование электрических полей, но ухудшают экранирование магнитных полей, действуя на величины вихревых токов в теле экрана. Иногда улучшение эффективности экрана достигается применением двух или трех слоев оплетки [2].

Значительное уменьшение внешних полей можно получить, не прибегая к экранированным кабелям, применением двухпроводной линии, провода которой скручены в шнур или проложены параллельно на небольшом расстоянии. Такая линия действует хорошо, если по обоим проводам протекают в противоположные стороны одинаковые токи.