Защитные мероприятия от воздействия МП в основном включают экранирование и защиту «временем» . Экраны должны быть замкнутыми и изготавливаться из магнитомягких материалов. В ряде случаев достаточно выведения работающего из зоны воздействия МП, так как с удалением источника ПМП и ПеМП их значения быстро убывают.

Как средства индивидуальной защиты от действия магнитных полей можно использовать различные дистанционные средства управления, деревянные клещи и другие манипуляторы дистанционного принципа действия. В ряде случаев могут применяться различные блокирующие устройства, предотвращающие нахождение персонала в магнитных полях с индукцией выше рекомендованных величин.

Основная мера защиты – предупредительная:

Необходимо исключить продолжительное пребывание (регулярно по несколько часов в день) в местах повышенного уровня магнитного поля промышленной частоты;

Кровать для ночного отдыха максимально удалять от источников продолжительного облучения, расстояние до распределительных шкафов, силовых электрокабелей должно быть 2,5 – 3 метра;

Если в помещении или в смежном есть какие-то неизвестные кабели, распределительные шкафы, трансформаторные подстанции – удаление должно быть максимально возможным, оптимально – промерить уровень электромагнитных излучений до того, как жить в таком помещении;

При установке полов с электроподогревом выбирать системы с пониженным уровнем магнитного поля.

Структура мер защиты от действия магнитных полей

Наименование мер защиты	Коллективная защита	Индивидуальная защита
Организацион- ные меры защиты	Лечебно-профилактические мероприятия
	Применение средств наглядного предупреждения о наличии МП	Проведение медицинского освидетельствования при приеме на работу
	Вывешивание плакатов, памяток с перечнем основных мер предосторожности	Периодические медицинские обследования и врачебные наблюдения за персоналом
	Проведение лекций по безопасности труда при работе с источниками МП и профилактике переоблучений от их воздействия	Объективная информация об уровне интенсивностей на рабочем месте и четкое представление об их возможном влиянии на состояние здоровья работающих
	Снижение уровня воздействия сопутствующих производственных факторов	Проведение инструктажа по правилам техники безопасности при работе в условиях воздействия МП
	Мероприятия по защите «временем»
	Разработка оптимального режима труда и отдыха коллектива с организацией рабочего времени с минимально возможным контактом по времени с МП	Нахождение в контакте с МП только по производственной необходимости с четкой регламентацией по времени и пространству совершаемых действий
	Мероприятия по защите за счет рационального размещения объектов
	Размещение магнитных материалов и магнитных устройств на достаточном расстоянии (1,5-2 м) друг от друга и от рабочих мест
	Предупреждение создания дополнительных источников МП («магнитомягкие» материалы) за счет выведения их из зоны действия МП мощных установок
Инженерно-технические меры защиты	Хранение и транспортировка магнитных изделий в «ярмах», приспособлениях или устройствах, полностью или частично замыкающих МП	Использование инструментов, манипуляторов индивидуального пользования с дистанционным принципом действия
	Применение замкнутых экранов из магнитомягких материалов	Применение блокирующих устройств, позволяющих отключать аппаратуру, генерирующую МП, в случае попадания различных участков тела в зону индукции сильных МП

Список используемой литературы:

Довбыш В. Н., Маслов М. Ю., Сподобаев Ю. М. Электромагнитная безопасность элементов энергетических систем.2009 г.

Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008 г.

Сайт http://ru.wikipedia.org

СанПиН 2.1.8/2.2.4.2490-09. Электромагнитные поля в производственных условиях Введ. 2009–05–15. М. : Изд-во стандартов, 2009 г.

СанПиН 2.2.2.542–96 "Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы"

Аполлонский, С. М. Электромагнитная безопасность технических средств и человека. М-во образования и науки Рос. Федерации, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования "Сев.-Зап. гос. заоч. техн. ун-т". Санкт-Петербург: Изд-во СЗТУ, 2011

Изготовление и исследование свойств магнитных экранов

Целью работы является изучение методов экранирования с помощью ВТСП устройств, получение объемного и толстопленочного экранов, исследование их коэффициентов ослабления поля.

Общие сведения

Экранирование представляет собой защиту объема от воздействия внешнего электрического, магнитного или электромагнитного полей. Как правило, в этом объеме располагается устройство, нуждающееся в защите от данного поля. В зависимости от вида и ориентации экранируемого поля выбираются материал и конструкция экрана. Так, например, магнитное поле традиционно экранируют с помощью конструкций из ферромагнетиков, а электромагнитные поля – с помощью проводниковых конструкций. Конструкция может иметь форму сферы, стакана с дном, длинного цилиндра и т.д.

Применение сверхпроводниковых материалов позволило существенно улучшить массогабаритные показатели экранирующих конструкций, однако необходимость использования жидкого гелия ограничивает применение таких экранов.

Применение ВТСП электромагнитных экранов на частотах порядка звуковых представляется достаточно перспективным, поскольку использование обычных металлов, например меди или алюминия, требует большой толщины экрана (соответствующие толщины скин-слоя составляют несколько сантиметров). Пермаллоевые и другие экраны с высоким значением магнитной проницаемости характеризуются также большими габаритами и массой.

Для монокристаллических образцов ВТСП значения глубины проникновения составляют доли микрометра. Для поликристаллических образцов она существенно больше (10 мкм), однако использование ВТСП экранов, экранирующих корпусов интегральных схем и т.д. является перспективным в сравнении с другими методами. Физической основой работы экрана является эффект Мейсснера-Оксенфельда. Внешнее магнитное поле в сверхпроводнике убывает с глубиной:

B (x ) = B (0) exp(-x / λ L ), (4.9)

где x – расстояние от поверхности,

λ L – лондоновская глубина проникновения.

Для низкотемпературных сверхпроводников λ L =10 -7 м, поэтому слабые поля в объемный сверхпроводник практически не проникают. Для реальных ВТСП, как уже отмечалось, эта величина много больше. Если величина внешнего магнитного поля становится сравнимой со значением нижнего критического поля, сверхпроводник второго рода может перейти в промежуточное состояние. При этом образец разбивается на чередующиеся сверхпроводящие и нормальные области (состояние Шубникова) и в него проникает магнитное поле. Индукция поля, при котором образец переходит в состояние Шубникова, определяется его формой и критическими свойствами материала. Для экрана в виде цилиндра с плоским дном и отношением внутреннего диаметра к внешнему не более 0,7 это поле (перпендикулярные оси цилиндра) можно определить из выражения

B ││ = В С 1 [(1-d /D )/2] 1/2 , (4.10)

где В С 1 – индукция первого критического поля материала;

D , d – внешний и внутренний диаметры экрана.

Индукция аксиального поля, при котором материал экрана переходит в промежуточное состояние, приблизительно равна критической индукции поля.

Для ВТСП материалов картина усложняется вследствие того, что они представляют собой гранулированные конгломераты, где между СП гранулами есть джозефсоновские контакты. В этом случае экранирующие свойства связывают с величиной критического поля межгранульных связей, при котором начинается проникновение поля в ВТСП.

Обычно ВТСП магнитные экраны выполняются путем одностороннего, двухстороннего или гидростатического прессования ВТСП порошка и последующего обжига. Такой способ пригоден для изготовления небольших экранов. Однако для изготовления длинномерных цилиндров или экранов более сложной формы (сфера) такой способ не подходит. В этом случае пользуются дискретными экранами, состоящими из фрагментов-колец. В предыдущей работе были изготовлены такие кольца-фрагменты, которые можно собрать в длинномерный цилиндр. Такие фрагменты могут быть выполнены нанесением тонких или толстых пленок на керамическое основание.

Коэффициент экранирования (ослабления поля) К определяется как отношение величины внутреннего поля B i к внешнему – B e :

К = B i / B e . (4.11)

Измерение производят следующим образом. Экран с датчиком поля помещают внутри соленоида, задающего внешнее поле. В качестве датчика используют феррозондовый датчик или, как в нашем случае, датчик Холла. Соленоид на штанге опускают в сосуд Дьюара с жидким азотом. Вся система располагается внутри установленного вертикально двухслойного ферромагнитного экрана с коэффициентом ослабления магнитного поля Земли около 100.

Последовательно с обмоткой соленоида включен резистор. Падение напряжения на резисторе пропорционально величине внешнего магнитного поля соленоида, ЭДС Холла пропорциональна величине внутреннего поля. Из графика U x = f(I c ) можно оценить коэффициент ослабления поля для данного экрана.

Рис. 4.8. Толстопленочный фрагмент-кольцо магнитного экрана:
1 – керамика, 2 – пленка

Рис. 4.9. Температурный режим вжигания ВТСП пленки: Т 1 =120°С (30 мин) V 1 =30ºС/ч; Т 2 =910-915°С (10-20 мин); Т 3 =895°С, V 2 =6ºС/ч; Т 4 =860°С

Задания

1). Получите толстопленочные фрагменты-кольца.

1.1. На керамическое основание (рис. 4.8) нанесите пасту (порошок Bi-2212 и 10–15% органической связки).

1.2. В электрической печи проведите вжигание пасты (рис. 4.9).

Рис. 4.10. Магнитный экран: Ф – кольца-фрагменты экрана; Д – датчик Холла;
a – расстояние между кольцами-фрагментами; L – обмотка соленоида

2). Соберите магнитные экраны.

2.1. Соберите экран из объемных колец-фрагментов.

2.2. Соберите экран из пленочных колец-фрагментов.

3). Измерьте коэффициент экранирования объемного и пленочного экранов.

3.1. Соберите схему для измерения коэффициента экранирования (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схема установки для измерения коэффициента экранирования: ИП – источники питания, Д – датчик Холла, С – двухкоординатный самописец; L – соленоид;
R – резистор

3.2. Получите графики B i = f(B e ).

3.3. Изменяя расстояние между кольцами, получите графики K =B i /B e = f(a ).

4). Оформите отчет, содержащий графики и их сравнительную оценку.

Контрольные вопросы

1. Как осуществляют экранирование?

2. Какие существуют экраны?

3. Какие устройства требуют экранирования?

4. Опишите и объясните эффект Мейсснера.

5. Охарактеризуйте состояние Шубникова.

6. Что такое вихри Абрикосова?

7. Поясните характер зависимости x =f(a ).

8. Как работает устройство измерения коэффициента ослабления?

Литература

1. Красов В.Г. и др. Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике / Красов В.Г., Петрацскас Г.Б., Чернозубов Ю.С. – М.: Радио и связь, 1985.- 168 с.

2. Бондаренко С.И., Шеремет В.И. Применение сверхпроводимости в магнитных измерениях – Л.: Энергоатомиздат, 1982.-132 с.

Заключение

Мы рассмотрели в этой книге основные вопросы проектирования и технологии высокотемпературной криоэлектроники. Из-за ограниченности объема пособия и желания сэкономить время читателя рассматривались наиболее важные в теоретическом и практическом плане вопросы. Многие существенные моменты, недостаточно “продвинутые” в практическом плане, остались вне поля зрения.

Недавно исполнилось 90 лет со дня открытия сверхпроводимости и 40 лет с тех пор, как на базе сверхпроводниковых материалов и криогенной техники гелиевых температур зародились низкотемпературные сверхпроводниковые технологии, в числе которых была и криоэлектроника. Одним из первых её элементов был проволочный криотрон. За прошедшие годы низкотемпературная криоэлектроника получила существенное развитие: были изобретены цифровые устройства на базе криотронов (в начале пленочных, а затем джозефсоновских); приемники и преобразователи СВЧ сигналов, приборы на базе СКВИДов и т. д.

Более 15 лет прошло со дня открытия высокотемпературной сверхпроводимости – события, которое должно было стимулировать работы в области сверхпроводимости вообще и криоэлектроники в частности. Так и случилось: количество и объем исследований в этой области резко возросли в 1996 году и в настоящее время являются довольно значительными.

Однако, несмотря на явные успехи, высокотемпературная криоэлектроника все еще находится на стадии становления, чему имеются различные причины.

Сегодня сохранилось драматичное и напряженное состояние в области исследований ВТСП. По-прежнему велики ожидания в этом плане. Правительство и промышленные фирмы, вложившие и продолжающие вкладывать в исследования ВТСП крупные средства, внимательно следят за прикладными аспектами исследований, опасаясь пропустить момент рывка в наукоемкий (а значит перспективный, престижный и доходный) ВТСП рынок. Большие ожидания заставляют скрупулезно оценивать и сегодняшнее состояние исследований, и их рыночный потенциал.

К причинам, тормозящим развитие криоэлектроники, можно отнести также:

· слабую изученность криоэлектронных процессов в охлаждаемых структурах и пленках,

· недостаточность реальных конструкторско-технологических идей по созданию интегральных криоэлектронных приборов и особенно – надежных, воспроизводимых, многоэлементных, многослойных интегральных схем с субмикронными зазорами.

Практически отсутствуют методы снижения энергоемкости и массогабаритных показателей криостатов, увеличения срока их непрерывной работы.

Иными словами, необходимо найти решения, с помощью которых полученные результаты будут дешевыми, воспроизводимыми, доступными. Мы надеемся, что приобретенные вами знания и навыки помогут решить поставленные задачи.

Экранирование магнитного поля.

Метод шунтирования. -Метод магнитного поля экраном.

Метод шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экраны изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью (сталь, пермаллой). При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам, которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана. Чем толще экран и, чем меньше швов, стыков, тем экранирование эффективнее. Метод вытеснения магнитного поля экраном применяется для экранирования переменных высокочастотных магнитных полей. При этом используются экраны из немагнитных металлов. Экранирование основано на явлении индукции.

Если поставить на пути равнопеременного магнитного моля медный цилиндр, в котором возбудятся переменные вихревые индукционные токи(токи Фуко). Магнитное поле этих токов будет замкнутым; внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным у цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие, которое будет тем эффективнее, чем меньше электрическое сопротивление цилиндра, т.е. чем больше протекающие по нему вихревые токи.

Благодаря поверхностному эффекту («скинэффекту») плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону

Где

μ– относительная магнитная проницаемость материала; μ˳– магнитная проницаемость вакуума, равная 1.25*108 гн*см-1; ρ– удельное сопротивление материала, Ом*см; ƒ– частота, Гц.

Для немагнитного материала μ = 1. И экранирующий эффект определяется только по ƒ и ρ.

Экранирование является активным методом защиты информации. Экранирование магнитного поля (магнитостатическое экранирование) используется при необходимости подавить наводки на низких частотах от 0 до 3..10 кГц. Эффективность магнитостатического экранирования повышается при применении многослойных экранов.

Эффективность магнитного экранирования зависит от частоты и электрических свойств материала экрана. Чем ниже частота, тем слабее действует экран, тем большей толщины приходится его делать для достижения одного и того же экранирующего эффекта. Для высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5 ... 1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует учитывать механическую прочность, жесткость, стойкость против коррозии, удобство стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобство пайки, сварки и пр. Для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленка толщиной более 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием. Для изготовления экранов используются: металлические материалы, материалы-диэлектрики, стёкла с токопроводящим покрытием, специальные металлизированные ткани, токопроводящие краски. Металлические материалы (сталь, медь, алюминий, цинк, латунь), применяемые для экранирования, изготавливаются в виде листов, сеток и фольги.

Все эти материалы удовлетворяют требованию устойчивости против коррозии при использовании соответствующих защитных покрытий. Наиболее технологичными являются конструкции экранов из стали, так как при их изготовлении и монтаже можно широко использовать сварку или пайку. Металлические листы должны быть между собой электрически соединены по всему периметру. Шов электросварки или пайки должен быть непрерывным, с тем чтобы получить цельносварную конструкцию экрана. Толщина стали выбирается исходя из назначения конструкции экрана и условий его сборки, а также из возможности обеспечения сплошных сварных швов при изготовлении. Экраны из стали обеспечивают ослабление электромагнитного излучения более чем на 100 дБ. Сетчатые экраны проще в изготовлении, удобны для сборки и эксплуатации. Для защиты от коррозии сетки целесообразно покрывать антикоррозийным лаком. К недостаткам сетчатых экранов следует отнести невысокую механическую прочность и меньшую эффективность экранирования по сравнению с листовыми. Для сетчатых экранов пригодна любая конструкция шва, обеспечивающая хороший электрический контакт между соседними полотнищами сетки не реже чем через 10-15 мм. Для этой цели может применяться пайка или точечная сварка. Экран, изготовленный из лужёной низкоуглеродистой стальной сетки с ячейкой 2,5-3 мм, даёт ослабление порядка 55-60 дБ, а из такой же двойной (с расстоянием между наружной и внутренней сетками 100 мм) около 90 дБ. Экран, изготовленный из одинарной медной сетки с ячейкой 2,5 мм, имеет ослабление порядка 65-70 дБ

Принципы экранирования магнитного поля

Для экранирования магнитного поля применяются два метода:

Метод шунтирования;

Метод магнитного поля экраном.

Рассмотрим подробнее каждый из этих методов.

Метод шунтирования магнитного поля экраном.

Метод шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экраны изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью (сталь, пермаллой). При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам (рисунок 8.15), которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана. Качество экранирования зависит от магнитной проницаемости экрана и сопротивления магнитопровода, т.е. чем толще экран и чем меньше швов, стыков, идущих поперек направления линий магнитной индукции, эффективность экранирования будет выше.

Метод вытеснения магнитного поля экраном.

Метод вытеснения магнитного поля экраном применяется для экранирования переменных высокочастотных магнитных полей. При этом используются экраны из немагнитных металлов. Экранирование основано на явлении индукции. Здесь явление индукции полезно.

Поставим на пути равномерного переменного магнитного поля (рисунок 8.16, а) медный цилиндр. В нем возбудятся переменные ЭД, которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко). Магнитное поле этих токов (рисунок 8.16,б) будет замкнутым; внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами – в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле (рисунок 8.16, в) оказывается ослабленным у цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующее действие, которое будет тем эффективнее, чем меньше электрическое сопротивление цилиндра, т.е. чем больше протекающие по нему вихревые токи.

Благодаря поверхностному эффекту («скинэффекту») плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону

, (8.5)

где (8.6)

– показатель уменьшения поля и тока, которое называется эквивалентной глубиной проникновения.

Здесь – относительная магнитная проницаемость материала;

– магнитная проницаемость вакуума, равная 1.25*10 8 гн*см -1 ;

– удельное сопротивление материала, Ом*см;

– частота, Гц.

Величиной эквивалентной глубины проникновения удобно характеризовать экранирующий эффект вихревых токов. Чем меньше х 0 , тем больше создаваемое ими магнитное поле, вытесняющее из пространства занятого экраном, внешнее поле источника наводки.

Для немагнитного материала в формуле (8.6) =1, экранирующий эффект определяется только и . А если экран сделать из ферромагнитного материала?

При равных эффект будет лучше, так как >1 (50..100) и х 0 будет меньше.

Итак, х 0 является критерием экранирующего эффекта вихревых токов. Представляет интерес оценить, во сколько раз плотность тока и напряженность магнитного поля становится меньше на глубине х 0 по сравнению, чем на поверхности. Для этого в формулу (8.5) подставим х=х 0 , тогда

откуда видно, что на глубине х 0 плотность тока и напряженность магнитного поля падают в е раз, т.е. до величины 1/2.72, составляющей 0.37 от плотности и напряженности на поверхности. Так как ослабление поля всего в 2.72 раза на глубине х 0 недостаточно для характеристики экранирующего материала , то пользуются еще двумя величинами глубины проникновения х 0,1 и х 0,01 , характеризующими падение плотности тока и напряжения поля в 10 и 100 раз от их значений на поверхности.

Выразим значения х 0,1 и х 0,01 через величину х 0 , для этого на основание выражения (8.5) составим уравнение

И ,

решив которые получим

х 0.1 =х 0 ln10=2.3x 0 ; (8.7)

х 0.01 =х 0 ln100=4.6x 0

На основании формул (8.6) и (8.7) для различных экранирующих материалов в литературе приведены значения глубин проникновения. Эти же данные, с целью наглядности, приведем и мы в виде таблицы 8.1.

Из таблицы видно, что для всех высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5..1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует исходить не из электрических свойств материала, а руководствоваться соображениями механической прочности, жесткости, стойкости против коррозии, удобства стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобства пайки, сварки и пр.

Из данных таблицы следует, что для частот больше 10 МГЦ пленка из меди и тем более из серебра толщиной меньше 0.1 мм дает значительный экранирующий эффект . Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием.

Сталь можно использовать в качестве экранов, только нужно помнить, что из-за большого удельного сопротивления и явления гистерезиса экран из стали может вносить в экранирующие цепи значительные потери.

Фильтрация

Фильтрация является основным средством ослабления конструктивных помех, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного и переменного тока ЭС. Предназначенные для этой цели помехоподавляющие фильтры позволяют снижать кондуктивные помехи, как от внешних, так и от внутренних источников. Эффективность фильтрации определяется вносимым затуханием фильтра:

дБ,

К фильтру предъявляются следующие основные требования:

Обеспечение заданной эффективности S в требуемом частотном диапазоне (с учетом внутреннего сопротивления и нагрузки электрической цепи);

Ограничение допустимого падения постоянного или переменного напряжения на фильтре при максимальном токе нагрузки;

Обеспечение допустимых нелинейных искажений питающего напряжения, определяющих требования к линейности фильтра;

Конструктивные требования – эффективность экранирования, минимальные габаритные размеры и масса, обеспечение нормального теплового режима, стойкость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность конструкции т.д.;

Элементы фильтра должны выбираются с учетом номинальных токов и напряжений электрической цепи, а также вызванных в них бросков напряжений и токов, вызванных нестабильностью электрического режима и переходными процессами.

Конденсаторы. Применяются как самостоятельные помехоподавляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Конструктивно помехоподавляющие конденсаторы делятся на:

Двухполюсные типа К50-6, К52-1Б, ЭТО, К53-1А;

Опорные типа КО, КО-Е, КДО;

Проходные некоаксиальные типа К73-21;

Проходные коаксиальные типа КТП-44, К10-44, К73-18, К53-17;

Конденсаторные блоки;

Основной характеристикой помехоподавляющего конденсатора является зависимость его импеданса от частоты. Для ослабления помех в диапазоне частот примерно до 10МГц можно использовать двухполюсные конденсаторы с учетом малой длины их выводов. Опорные помехоподавляющие конденсаторы применяются до частот 30-50 МГц. Симметричные проходные конденсаторы используются в двухпроводной цепи до частот порядка 100 МГц. Проходные конденсаторы работают в широком диапазоне частот примерно до 1000 Мгц.

Индуктивные элементы . Применяются как самостоятельные элементы подавления помех и как последовательные звенья помехоподавляющих фильтров. Конструктивно наиболее распространены дроссели специальных видов:

Витковые на ферромагнитном сердечнике;

Безвитковые.

Основной характеристикой помехоподавляющего дросселя является зависимость его импеданса от частоты. При низких частотах рекомендуется применение магнитодиэлектрических сердечников марок ПП90 и ПП250, изготовленных на основе м-пермалоя. Для подавления помех в цепях аппаратуры с токами до 3А рекомендуется использовать ВЧ- дроссели типа ДМ, при больших номинальных значениях токов – дроссели серии Д200.

Фильтры. Керамические проходные фильтры типа Б7, Б14, Б23 предназначены для подавления помех в цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов в диапазоне частот от 10 МГц до 10ГГц. Конструкции таких фильтров представлены на рисунке 8.17

Вносимые фильтрами Б7, Б14, Б23 затухания в диапазоне частот 10..100 МГц возрастает приблизительно от 20..30 до 50..60 дБ и в диапазоне частот свыше 100 МГц превышает 50 дБ.

Керамические проходные фильтры типа Б23Б построены на основе дисковых керамических конденсаторов и безвитковых ферромагнитных дросселей (рисунок 8.18).

Безвитковые дроссели представляют собой трубчатый ферромагнитный сердечник из феррита марки 50 ВЧ-2 , одетый на проходной вывод. Индуктивность дросселя составляет 0.08…0.13 мкГн. Корпус фильтра выполнен из керамического материала УФ-61, имеющего высокую механическую прочность. Корпус металлизирован слоем серебра для обеспечения малого переходного сопротивления между наружной обкладкой конденсатора и заземляющей резьбовой втулкой, с помощью которой осуществляется крепление фильтра. Конденсатор по наружному периметру припаян к корпусу фильтра., а по внутреннему – к проходному выводу. Герметизация фильтра обеспечивается заливкой торцов корпуса компаундом.

Для фильтров Б23Б:

номинальные емкости фильтров – от 0.01 до 6.8 мкФ,

номинальное напряжение 50 и 250В,

номинальный ток до 20А,

Габаритные размеры фильтра:

L=25мм, D= 12мм

Вносимое фильтрами Б23Б затухание в диапазоне частот от 10 кГц до 10 МГц возрастает приблизительно от 30..50 до 60..70 дБ и в диапазоне частот свыше 10 МГц превышает 70 дБ.

Для бортовых ЭС перспективным является применение специальных помехоподавляющих проводов с ферронаполнителями, имеющими высокую магнитную проницаемость и большие удельные потери. Так у проводов марки ППЭ вносимое затухание в диапазоне частот 1…1000 МГц возрастает с 6 до 128 дБ/м.

Известна конструкция многоштыревых разъемов, в которых на каждый контакт устанавливается по одному П-образному помехоподавляющему фильтру.

Габаритные размеры встроенного фильтра:

длина 9.5 мм,

диаметр 3.2 мм.

Вносимое фильтром затухание в 50-омной цепи составляет 20 дБ на частоте 10МГц и до 80 дБ на частоте 100МГц.

Фильтрация цепей питания цифровых РЭС.

Импульсные помехи в шинах питания, возникающие в процессе коммутации цифровых интегральных схем (ЦИС), а также проникающие внешним путем, могут приводить к появлению сбоев в работе устройств цифровой обработки информации.

Для снижения уровня помех в шинах питания применяются схемно-конструкторские методы:

Уменьшение индуктивности шин «питание», с учетом взаимной магнитной связи прямого и обратного проводников;

Сокращение длин участков шин «питания», которые являются общими для токов для различных ЦИС;

Замедление фронтов импульсных токов в шинах «питание» с помощью помехоподавляющих конденсаторов;

Рациональная топология цепей питания на печатной плате.

Увеличение размеров поперечного сечения проводников приводит к уменьшению собственной индуктивности шин, а также снижает их активное сопротивление. Последнее особенно важно в случае шины «земля», в которая является обратным проводником для сигнальных цепей. Поэтому в многослойных печатных платах желательно выполнить шины «питание» в виде проводящих плоскостей, расположенных в соседних слоях (рисунок 8.19).

Навесные шины питания, применяемые в печатных узлах на цифровых ИС, имеют большие поперечные размеры по сравнению с шинами, выполненными в виде печатных проводников, а следовательно, и меньшую индуктивность и сопротивление. Дополнительными преимуществами навесных шин питания являются:

Упрощенная трассировка сигнальных цепей;

Повышение жесткости ПП за счет создания дополнительных ребер, выполняющих роль ограничителей, которые предохраняют ИС с навесными ЭРЭ от механических повреждений при монтаже и настройке изделия (рисунок 8.20).

Высокой технологичностью отличаются шины «питания», изготовленные печатным способом и крепящиеся на ПП вертикально (рисунок 6.12в).

Известны конструкции навесных шин, установленных под корпус ИС, которые располагаются на плате рядами (рисунок 8.22).

Рассмотренные конструкции шин «питания» обеспечивают также большую погонную емкость, что приводит к уменьшению волнового сопротивления линии «питания» и, следовательно, снижению уровня импульсных помех.

Разводка питания ИС на ПП должно осуществляться не последовательно (рисунок 8.23а), а параллельно (рисунок 8.23б)

Необходимо использовать разводку питания в виде замкнутых контуров (рис.8.23в). Такая конструкция приближается по своим электрическим параметрам к сплошным плоскостям питания. Для защиты от влияния внешнего помехонесущего магнитного поля по периметру ПП следует предусмотреть внешний замкнутый контур.

Заземление

Система заземления – это электрическая цепь, обладающая свойством сохранять минимальный потенциал, являющийся уровнем отсчета в конкретном изделии. Система заземления в ЭС должна обеспечивать сигнальные и силовые цепи возврата, защитить людей и оборудование от неисправностей в цепях источников питания, снимать статические заряды.

К системам заземления предъявляют следующие основные требования:

1) минимизация общего импеданса шины «земля»;

2) отсутствие замкнутых контуров заземления, чувствительных к воздействию магнитных полей.

В ЭС требуется как минимум три раздельные цепи заземления:

Для сигнальных цепей с низким уровнем токов и напряжений;

Для силовых цепей с высоким уровнем потребляемой мощности (источники питания, выходные каскады ЭС и т.д.)

Для корпусных цепей (шасси, панелей, экранов и металлизации).

Электрические цепи в ЭС заземляются следующим способами: в одной точке и в нескольких точках, ближайших к опорной точке заземления (рисунок 8.24)

Соответственно системы заземления могут быть названы одноточечной и многоточечной.

Наибольший уровень помех возникает в одноточечной системе заземления с общей последовательно включенной шиной «земля» (рисунок 8.24 а).

Чем дальше удалена точка заземления, тем выше её потенциал. Её не следует применять для цепей с большим разбросом потребляемой мощности, так как мощные ФУ создают большие возвратные токи заземления, которые могут влиять на малосигнальные ФУ. При необходимости наиболее критичный ФУ следует подключить как можно ближе к точке опорного заземления.

Многоточечную систему заземления (рисунок 8.24 в) следует использовать для высокочастотных схем (f≥10Мгц), подключая ФУ РЭС в точках, ближайших к опорной точке заземления.

Для чувствительных схем применяется схема с плавающим заземлением (рисунок 8.25). Такая заземляющая система требует полной изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и низкой емкости), в противном случае она оказывается малоэффективной. В качестве источников питания схем могут использоваться солнечные элементы или аккумуляторы, а сигналы должны поступать и покидать схему через трансформаторы или оптроны.

Пример реализации рассмотренных принципов заземления для девятидорожечного цифрового накопителя на магнитной ленте показан на рисунке 8.26.

Здесь имеются следующие шины земли: три сигнальные, одна силовая и одна корпусная. Наиболее восприимчивые к помехам аналоговые ФУ (девять усилителей считывания) заземлены с помощью двух разделенных шин «земля». Девять усилителей записи, работающих с большими, чем усилители считывания, уровнями сигналов, а также ИС управления и схемы интерфейса с изделиями передачи данных подключены к третьей сигнальной шине «земля». Три двигателя постоянного тока и их схемы управления, реле и соленоиды соединены с силовой шиной «земля». Наиболее восприимчивая схема управления двигателем ведущего вала подключена ближе других к опорной точке заземления. Корпусная шина «земля» служит для подключения корпуса и кожуха. Сигнальная, силовая и корпусная шины «земля» соединяются вместе в одной точке в источнике вторичного электропитания. Следует отметить целесообразность составления структурных монтажных схем при проектировании РЭС.

Принцип действия большинства преобразователей средств измерений основан на преобразовании электрической и магнитной энергий, поэтому электрические и магнитные поля, наводимые внутри средств измерений источниками, расположенными вблизи, искажают характер преобразования электрической и магнитной энергии в измерительном устройстве. Для защиты чувствительных элементов приборов от влияния внутренних и внешних электрических и магнитных полей применяют экранирование.

Под магнитным экранированием какой-либо области пространства понимается ослабление магнитного поля внутри этой области путем ограничения ее оболочкой, изготовленной из магнито-мягких материалов. В практике также применяется другой способ экранирования, когда в оболочку помещают источник магнитного поля, ограничивая тем, самым распространение последнего в окружающую среду.

Основы экранирования базируются на теории распространения электрического и магнитного поля. Излучаемая энергия передается электромагнитным полем. Когда поле изменяется во времени, его электрическая и магнитная составляющие существуют одновременно, причем одна из них может быть больше другой. Если больше электрическая составляющая, то поле считается электрическим, если больше магнитная составляющая, то поле считают магнитным. Обычно поле имеет ярко выраженный характер вблизи своего источника на расстоянии длины волны. В свободном пространстве, на большом расстоянии от источника энергии (сравнительно с длиной волны) обе составляющие поля имеют равное количество энергии. Кроме того, всякий проводник, расположенный в электромагнитном поле, обязательно поглощает и вновь излучает энергию, поэтому и на малых расстояниях от такого проводника относительное распределение энергии отличается от распределения энергии в свободном пространстве.

Электрическая (электростатическая) составляющая поля соответствует напряжению на проводнике, а магнитная (электромагнитная) - току. Определение необходимости той или иной степени экранирования данной электрической цепи, а так же, как и определение достаточности того или иного вида экрана, почти не поддается техническому расчету, потому что теоретические решения отдельных простейших задач оказываются неприемлемыми к сложным электрическим цепям, состоящим из произвольно расположенных в пространстве элементов, излучающих электромагнитную энергию в самых разнообразных направлениях. Для расчета экрана пришлось бы учитывать влияние всех этих отдельных излучений, что невозможно. Поэтому от конструктора, работающего в этой области, требуется ясное понимание физического действия каждой экранирующей детали, ее относительного значения в комплексе деталей экрана и умение выполнять ориентировочные расчеты эффективности экрана.

По принципу действия различают электростатические, магнитостатические и электромагнитные экраны.

Экранирующее действие металлического экрана обуславливается двумя причинами: отражением поля от экрана и затуханием поля при прохождении сквозь металл. Каждое из этих явлений не зависит одно от другого и должно рассматриваться отдельно, хотя общий экранирующий эффект является результатом их обоих.

Электростатическое экранирование состоит в замыкании электрического поля на поверхности металлической массы экрана и передаче электрических зарядов на корпус устройства (рис 1.).

Если между элементом конструкции А, создающим электрическое поле, и элементом Б, для которого влияние этого поля вредно, поместить экран В, соединенный с корпусом (землей) изделия, то он будет перехватывать электрические силовые линии, защищая элемент Б от вредного влияния элемента А. Следовательно, электрическое поле может быть надежно экранировано даже очень тонким слоем металла.

Индуктированные заряды располагаются на внешней поверхности экрана так, что электрическое поле внутри экрана равно нулю.

Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толщине экрана, имеющего повышенную магнитную проницаемость. Материал экрана должен обладать магнитной проницаемостью значительно больше магнитной проницаемости окружающей среды. Принцип действия магнитостатического экрана показан на рис 2.

Магнитный поток, создаваемый элементом конструкции (в данном случае проводом), замыкается в стенках магнитного экрана вследствие его малого магнитного сопротивления. Эффективность такого экрана тем больше, чем больше его магнитная проницаемость и толщина.

Магнитостатический экран применяют только при постоянном поле или в диапазоне низких частот изменения последнего.

Электромагнитное экранирование основано на взаимодействии переменного магнитного поля с вихревыми токами, наведенными им в толще и на поверхности токопроводящего материала экрана. Принцип электромагнитного экранирования иллюстрирован на рис. 3. Если на пути однородного магнитного потока поместить медный цилиндр (экран), то в нем возбудятся переменные Э.Д.С., которые, в свою очередь, создадут переменные индукционные вихревые токи. Магнитное поле этих токов будет замкнутым (рис 3б); внутри цилиндра оно будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами - в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным (рис. 3в) внутри цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение из пространства, занимаемого цилиндром, в чем и заключается его экранирующие действие.

Эффективность электромагнитного экранирования увеличивается с увеличением обратного поля, которое будет тем больше, чем больше протекающие по цилиндру вихревые токи, т.е. чем больше электрическая проводимость цилиндра.

Ослабление магнитного поля металлом может быть вычислено. Оно пропорционально толщине экрана, коэффициенту вихревых токов и корню квадратному из произведения частоты поля, магнитной проницаемости и проводимости материала экрана.

При экранировании элементов изделия магнитостатическими и электромагнитными экранами следует учитывать, что они будут эффективны и как электростатические экраны, если их надежно соединить с корпусом устройства.

Оборудование, приборы и инструмент

При выполнении работы используются: установка для создания электромагнитного поля; генератор сигналов специальной формы Г6-26; измерительная катушка для оценки напряженности электромагнитного поля; осциллограф С1-64; вольтметр; комплект экранов, изготовленных их различных материалов.

Сигнал синусоидальной формы подается с генератора сигналов установки через понижающий трансформатор. Для подключения измерительной катушки 5 к осциллографу и катушки 1 возбуждения электромагнитного поля к генераторам сигналов, на основании 3 установки укреплены клеммные гнезда 6 и 7. Включение установки осуществляется тумблером 8.

Для характеристики экранирующего материала пользуются еще двумя значениями глубины проникновения x 0.1 , x 0.01 , характеризующими падение плотности напряженности поля (ока) в 10 и 100 раз от значения на его поверхности

которые приводятся в справочных таблицах для различных материалов. В таблице 2 приведены значения x 0 , x 0.1 , x 0.01 , для меди, алюминия, стали и пермаллоя .

При выборе материала экрана удобно пользоваться кривыми эффективности экранирования, приведенными на графиках рис.4.

Характеристики сплавов для магнитных экранов

В качестве материала магнитных экранов в слабых полях используются сплавы с высокой магнитной проницаемостью. Пермаллои, относящиеся к группе ковких сплавов с высокой магнитной проницаемостью, хорошо обрабатываются резанием и штамповкой. По составу пермаллои принято делить на низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (72-80% Ni). Для улучшения электромагнитных и технологических свойств пермаллои часто легируют молибденом, хромом, кремнием, кобальтом, медью и другими элементами. Основными показателями электромагнитного качества этих сплавов являются значения начальной µ нач и максимальной µ max магнитной проницаемости. Коэрцитивная сила H c у пермаллоев должна быть как можно меньше, а удельное электрическое сопротивление ρ и намагниченность насыщения M s как можно более высоким. Зависимость указанных параметров для двойного сплав Fe-Ni от процентного содержания никеля представлена на рис. 5.

Характеристика µ нач (рис. 5) имеет два максимума, относительный (1) и абсолютный (2). Область относительного минимума ограниченная содержанием никеля 40-50% соответствует низконикелевому пермаллою, а область абсолютного максимума, ограниченная содержанием никеля 72-80% - высоконикелевому. Последний обладает и наибольшим значением µ max . Течение характеристик µ 0 M s и ρ (рис.5) свидетельствует о том, что магнитное насыщение и удельное электрическое сопротивление у низконикелевого пермаллоя существенно выше, чем у высоконикелевого. Указанные обстоятельства разграничивают сферы применения низконикелевого и высоконикелевого пермаллоев

Низконикелевый пермаллой применяют для изготовления магнитных экранов, работающих в слабых постоянных магнитных полях. Легированный кремнием и хромом низконикелевый пермаллой применяют при повышенных частотах.

Сплавы 79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ с наивысшей магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях и индукцией насыщения 0,5 -0,75 Тл для магнитных экранов, сердечников магнитных усилителей и бесконтактных реле. Сплавы 27КХ, 49КХ, 49К2Ф и 49К2ФА, обладающие высокой индукцией технического насыщения (2,1 - 2,25 Тл), применяют для магнитных экранов, защищающих аппаратуру от воздействия сильных магнитных полей

Требования по безопасности

Перед началом работы

• Уяснить расположение и назначение органов управления лабораторной установки и измерительной аппаратуры.
• Подготовить рабочее место для безопасной работы: убрать лишние предметы со стола и установки.
• Проверить: наличие и исправность системы заземления, целость корпуса установки, питающих шнуров, штепсельных разъемов. Не приступать к работе, если у лабораторной установки (стенда) сняты защитные панели.

Во время работы

• Работу можно проводить только на исправном оборудовании.
• Не допускается перекрывание вентиляционных отверстий (жалюзей) в корпусах лабораторных установок посторонними предметами.
• Нельзя оставлять установку включенной, отлучаясь даже на короткое время.
• В случае перерыва в электроснабжении установки ее надо обязательно выключить.

В аварийных ситуациях

Лабораторная установка немедленно должна быть выключена в следующих случаях:

1. несчастный случай или угроза здоровью человека;
2. появление запаха, характерного для горящей изоляции, пластмасс, краски;
3. появление треска, щелчков, искрения;
4. повреждение штепсельного соединения или электрического кабеля, питающего установку.

После окончания работы

• Выключить лабораторную установку и измерительные приборы.
• Отключить установку и измерительные приборы от сети. Привести в порядок рабочее место.
• Убрать посторонние предметы, очистить от возможного мусора (ненужной бумаги).

Задание и методика исследований

Экспериментальным путем определить области эффективного использования различных материалов для электромагнитных материалов при изменении частот электромагнитного поля от 102 до 104 Гц.

Подключить установку для создания электромагнитного поля к генератору сигналов. Подключить измерительную катушку к входу осциллографа и к вольтметру. Измерить амплитуду U сигнала, пропорциональную напряженности электромагнитного поля внутри цилиндрического каркаса катушки возбуждения поля. Закрыть измерительную катушку экраном

Измерить амплитуду U’ сигнала с измерительной катушки. Определить эффективность экранирования

на данной частоте и записать в таблицу (см. приложение).

Проделать измерения по п.5.1.1. для частот 100, 500, 1000, 5000, 104 Гц. Определить эффективность экранирования на каждой частоте.

Исследуемые образцы экранов. Экспериментальное исследование свойств материалов для магнитных экранов осуществляется с применением образцов в

форме цилиндрических стаканов 9 (рис. 6), основные параметры которых приведеныв таблице 3.

Экраны могут быть как однослойными, так и многослойными с воздушным зазором между ними, цилиндрическими и с прямоугольным сечением. Расчет количества слоев экрана может быть проведен по достаточно громоздким формулам, поэтому выбор количества слоев рекомендуется производить по кривым эффективности экранирования, приведенными в справочниках.

При экранировании элементов изделия магнитостатическими и электромагнитными экранами следует учитывать, что они будут эффективны и как электростатические экраны, если их надежно соединить с корпусом устройства

1 - катушка возбуждения электромагнитного поля;

2 - немагнитный каркас;

3 - немагнитное основание;

4 - понижающий трансформатор;

5 - измерительная катушка;

6 и 7 - клеммные гнезда;

8 - тумблер;

9 - магнитный экран;

10 - генератор сигналов;

11 - осциллограф;

12 - вольтметр.

Провести измерения для экранов из стали обыкновенного качества, пермаллоя, алюминия, меди, латуни.

По результатам измерений построить кривые эффективности экранирования для различных материалов по типу рис.4. Проанализировать результаты эксперимента. Сравнить результаты эксперимента со справочными данными, сделать выводы.

Экспериментальным путем определить влияние толщины стенки экрана (стакана) на эффективность экранирования.

Для материалов с высокой магнитной проницаемостью (сталь, пермаллой) эксперимент провести в электромагнитном поле на частотах 100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц, 10000 Гц по методике, изложенной для экранов с различной толщиной стенки.

Для материалов с электропроводностью (медь, алюминий) эксперимент провести на частотах 100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц, 10000 Гц по изложенной методике.

Проанализировать результаты эксперимента. Сравнить результаты эксперимента с данными, приведенными в таблице 1. Сделать выводы

ЛИТЕРАТУРА

1. Гроднев И. И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот. М.: Связь. 1972. - 275с.

2. Конструирование приборов. В 2-х кн. / Под ред. В. Краузе; Пер. с нем. В.Н. Пальянова; Под ред. О.Ф. Тищенко. - Кн. 1-М.: Машиностроение, 1987.

3. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник/ под. ред. Ю.М. Пятина. - 2е изд. Перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1982.

4. Оберган А.Н. Конструирование и технология средств измерений. Учебное пособие. - Томск, Ротапринт ТПИ. 1987. - 95с.

5. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. - М. Связьиздат, 1968.

6. Генератор сигналов синусоидальной формы Г6-26. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1980г. - 88с.

7. Осциллограф С1-64. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

Учебно-методическое пособие

Составители: Гормаков А. Н., Мартемьянов В. М

Компьютерный набор и верстка Иванова В. С.