电子设备在工作中,某些元器件(或电路)因存在分布电容或电磁场而产生有害的寄生耦合现象,导致设备内部、外部产生电场、磁场或电磁场干扰,使电子设备的电路出现自激等等重干扰现象而无法正常工作。为了保证电子设备稳定可靠地工作,消除各种干扰,屏蔽是最好的方法之一。随着现代电子技术的发展,对电子设备和电子线路中屏蔽技术的要求越来越高。屏蔽就是利用导电率或导磁率较高的材料制成的盒、环、管、壳、网、槽、屏、板状等形状物体,接于容易产生电、磁场干扰的电子设备、电子线路中,利用其本身良好导电或导磁性能,使电磁波反射,将电磁场能量限制在一定的范围内,以保护设备或电路正常工作不受干扰。
目前,在电子设备和电子线路中的屏蔽可分为三种,即电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。
一、电场屏蔽
电场屏蔽又称静电屏蔽,主要用于抑制元器件或电路间因分布电容寄生耦合而形成的静电场或电场干扰。目的是隔离或消除因电场存在而产生的干扰。根据物理学原理,凡不带电的导体靠近带电体时,由于受外电场E的作用,不带电导体的两端表面上将感应出电量相等的电荷,使不带电导体内部产生感应电场E’。外电场E与不带电导体内部电场E’的方向相反,随着自由电子的不断移动,使E=-E’。由于内外部场强的强度相等方向相反,从而使不带电导体内的电场强度为零,所以不带电导体此时对其内部的电路或元件起到屏蔽作用。若将不带电导体接地,其不带电导体内、外表面产生的电荷全部对地泄放,从而使不带电导体对内、外电路或元件都起到了屏蔽作用。实际应用中,电源变压器中的静电屏蔽层,就是一个典型的电场屏蔽实例,其作用就是为了减少变压器初、次级间因分布电容产生的寄生耦合,并将电网产生的高频干扰通过屏蔽层引入地线泄放掉,达到屏蔽的目的。所以电场屏蔽时应做到多点、一体接地。
二、磁场屏蔽
磁场屏蔽是用来消除或抑制电路及元器件之间,因磁场寄生耦合产生磁感应的干扰,这里主要指恒磁场和低频磁场的屏蔽。磁屏蔽所用的材料,一定要用导磁率远大于1的高导磁率的铁、镍、钴等,原因是由于这些高导磁率的铁磁性物质,本身是由很微小的磁分子组成的。通常情况下,铁磁体内部各磁分子的N、S极的方向不统一,其本身的磁场相互抵消,对外的合磁场呈现为零。在外磁场的作用下形成与外磁场方向相同的附加磁场。所以常把需屏蔽的易产生磁场干扰的电路或元器件,用铁磁性材料做成的空腔罩罩起来,使干扰磁场磁力线基本上集中于腔体内部或屏蔽体的磁场相叠加,形成N、S极闭合回路,从而阻止了干扰磁场磁力线的外泄,避免了外界电路的干扰,起到磁场屏蔽作用。磁场屏蔽是利用铁磁性物质对空间泄漏磁场具有较强集中、限制能力而实现的。比如,许多设备的电源变压器都是用金属壳罩着,原因是当变压器大电流工作时,由于漏磁通较大,容易对周围电路形成低频磁场干扰,所以金属罩能使漏磁通封闭在屏蔽罩内,以减少对外界干扰。因此磁场屏蔽时,屏蔽体是否接地,对屏蔽效果没有影响。
三、电磁场的屏蔽
在电子设备中,最常见的干扰是有感应源和受感应电路或元器件周围的交变电场和磁场同时存在产生辐射的电磁场。其特点是电场分量和磁场分量是同时出现且相互垂直,所以电磁场屏蔽实际上是对高频电场和高频磁场的同时屏蔽。
交变电磁场在空间由近向外辐射传播时,电磁波的频率越高,辐射能力越强。对周围电路或元器件的影响也越大,这是高频电磁场的干扰。而低频电磁场的辐射能力很弱,一般是在50Hz交变电流形成的。所以,屏蔽时对高频电磁场和低频电磁场的屏蔽体所使用的材料是不同的。
对于高频电磁场的屏蔽体,所使用的材料要选用导电率较高的金属,如铜、银等,原因是利用处于交变磁场中的高导电率的金属材料导体,其垂直于磁通方向的截面上,感应出的闭合旋涡状电流(简称涡流)来实现的。在高频磁场中,由于处在交变磁场方向的金属屏蔽体壳面上会产生出涡流,而涡流本身是变化的,故它会产生与原磁场方向相反的磁场,与原磁场相互抵消,起到屏蔽的作用。屏蔽体材料的导电率越高,感应的涡流越大,屏蔽效果越好。从另一角度看,高频电磁场在屏蔽体上形成的涡流,将通过屏蔽体电阻产生损耗并转化为热能,这也大大衰减了进入屏蔽罩内的电磁场,从而达到屏蔽的目的。比如电视机的中频、高频电路和各类放大器等所用屏蔽罩及屏蔽板,主要是对高频电磁场起屏蔽作用。这类屏蔽体需良好接地,因为屏蔽体与电路之间形成的分布电容极易引入干扰信号或导致电路自激,所以屏蔽体接地后同时兼有电场屏蔽的作用。对于低频电磁场干扰所用的屏蔽体,使用的材料与高频电磁场的屏蔽体有所不同,一般选用导磁率较高的顺磁性材料做屏蔽体,就能起到很好的屏蔽效果,这与磁场屏蔽的要求基本相同。因此不再重复叙述。
通过以上分析可以看出,用于电磁场屏蔽的屏蔽体是否接地,与屏蔽效果关系不大。但是,在实施屏蔽的过程中,为了避免电路中经常遇到的因分布电容而引起寄生耦合现象,使屏蔽体同时兼有电场屏蔽的作用,以达到最佳的屏蔽效果,所以电磁场屏蔽的屏蔽体一般总是接地的。应当注意,利用铁磁性材料作为屏蔽体限于100kHz以下的电磁场屏蔽。
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