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1、回顾,接地含义及分类 安全接地 信号接地 地线中的干扰 接地点选择 减少地线干扰的措施,2,本次课内容,搭接 屏蔽 屏蔽分类和原理 屏蔽效能和理论 屏蔽效能的计算 几种实用的屏蔽技术和设计要点,预期学习目标,7. 展现对考虑电磁兼容下搭接技术的理解。 8. 展现对考虑电磁兼容下屏蔽技术的理解及应用屏蔽技术的要点，能简单分析计算屏蔽效能。,3,4,搭接,5,搭接实现了接地、屏蔽、滤波等抑制电磁干扰的技术措施和设计目的。 是指两个导电金属物体之间通过机械、化学或物理方法实现结构连接，在装置、设备或电子系统的元件或微型组件之间建立一条稳定的低阻抗电气通路的工艺过程。 搭接的目的在于为电流的流动提供一
2、个均匀的结构面和低阻抗通路，以避免在相互连接的两金属件间形成电位差。因为这种电位差可能引起电磁干扰。 导体的搭接阻抗一般很小，在一些电路的性能设计中往往不予考虑。但是，在分析电磁骚扰时，特别是在高频电磁骚扰情况下，就必须考虑搭接阻抗的作用。,6,良好搭接是减小电磁干扰，实现电磁兼容性所必须的。良好搭接的作用在于： 减少设备间电位差引起的骚扰。 减少接地电阻，从而降低接地公共阻抗骚扰和各种地回路骚扰。 实现屏蔽、滤波、接地等技术的设计目的。 防止雷电放电的危害，保护设备等的安全。 防止设备运行期间的静电电荷积累，避免静电放电骚扰。 此外，可以保护人身安全，避免电源与设备外壳偶然短路时所形成的电击
3、伤害等。,7,搭接类型分为两种基本类型：直接搭接和间接搭接。 直接搭接是两裸金属或导电性很好的金属特定部位表面的直接接触，牢固地建立一条导电良好的电气通路。直接搭接的连接电阻的大小取决于搭接金属接触面积、接触压力、接触表面的杂质和接触表面硬度等因素。 实际工程中，有许多情况要求两种互连的金属导体在空间位置上分离或者保持相对的运动，显然这一要求妨碍了直接搭接方式的实现。此时，就需要采用搭接带(搭接条)或者其它辅助导体将两个金属物体连接起来，这种连接方式称为间接搭接。间接搭接的连接电阻等于搭接条两端的连接电阻之和与搭接条电阻相加。 搭接条在高频时呈现很大的阻抗，所以，高频时多采用直接搭接，除非设备
4、需要移动或者抗机械冲击时，才用间接搭接。,8,搭接方法可分为永久性和半永久性搭接两种。 永久性搭接是利用熔焊、钎焊、压接等工艺方法，使两种金属物体保持固定连接。永久性搭接在装置的全寿命期内，应保持固定的安装位置，不要求拆卸检查、维修或者做系统更改。在预定的寿命期内应具有稳定的低阻抗电气性能。 半永久性搭接是利用螺钉、夹具等辅助器件使两种金属物体保持连接的方法，它有利于装置的更改、维修和替换部件，有利于测量工作，可以降低系统造成成本。 熔接、焊接、锻造等方法都可以实现两金属间的裸面接触。搭接前需要对搭接体表面进行净化处理，有时还在搭接体表面镀银或金来覆盖一层良导电层。,9,不良搭接影响抑制电磁干
5、扰措施的实施效果。 例子： 下图中，干扰源与敏感设备之间接一型滤波器。该滤波器是一个低通滤波器，其作用是滤除设备电源线中的高频骚扰分量。,10,在高频情况下，旁路电容器的电抗呈低阻抗，出现在电源线上的干扰信号沿着通路被旁路至地。因此，干扰信号不会到达敏感设备，达到了滤波目的。 如果搭接不良，搭接处就会形成搭接阻抗ZBRBjLB，当搭接阻抗大到一定值时，将有干扰电流经图中通路到达敏感设备，使滤波器起不到隔离干扰的作用。,11,为实现良好搭接，操作中所采取的措施： (p153),12,屏蔽,13,屏蔽是电磁兼容工程中广泛采用的抑制电磁骚扰的有效方法之一。一般而言，凡是电磁骚扰都可以采用屏蔽的方法来
6、抑制。 目的：是采用屏蔽体包围电磁骚扰源，以抑制电磁骚扰源对其周围空间存在的接受器的干扰；或采用屏蔽体包围接受器，以避免骚扰源对其干扰。 作用原理：利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用。,14,屏蔽分类和原理,15,电磁屏蔽的类型,电磁屏蔽按其屏蔽原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。,16,静电屏蔽,电磁场理论表明，置于静电场中的导体在静电平衡的条件下，具有性质： （p155） 即使其内部存在空腔的导体，在静电场中也具有这些性质。 如果把有空腔的导体置入静电场中，由于空腔导体的内表面无静电荷，空腔空间中也无电场，所以空腔导体起了隔离外部静电场的作用，抑制了外部静电场对空腔空间的骚扰
7、。 如果把空腔导体接地，即使空腔导体内部存在带电体产生的静电场，在空腔导体外部也无由空腔导体内部存在的带电体产生的静电场。这就是静电屏蔽的理论依据，即静电屏蔽原理。,17,例子： 当空腔屏蔽体内部存在带有正电荷Q的带电体时，空腔屏蔽体内表面会感应出等量的负电荷，而空腔屏蔽体外表面会感应出等量的正电荷，如下图(a)所示。 仅用空腔屏蔽体将静电场源包围起来，实际上起不到屏蔽作用。 只有将空腔屏蔽体接地(如下图(b)，这样空腔屏蔽体外表面感应出的等量正电荷沿接地导线进入接地面，其所产生的外部静电场就会消失，才能将静电场源产生的电力线封闭在屏蔽体内部，屏蔽体才能真正起到静电屏蔽的作用。,18,空腔屏蔽
8、导体对外来静电场的屏蔽 当空腔屏蔽体外部存在静电场骚扰时，由于空腔屏蔽导体为等位体，所以屏蔽体内部空间不存在静电场(见右图)，实现静电屏蔽。 空腔屏蔽导体外部存在电力线，且电力线终止在屏蔽体上。 屏蔽体的两侧出现等量反号的感应电荷。 当屏蔽体完全封闭时，不论空腔屏蔽体是否接地，屏蔽体内部的外电场均为零。但是，实际的空腔屏蔽导体不可能是完全封闭的理想屏蔽体，如果屏蔽体不接地，就会引起外部电力线的入侵，造成直接或间接静电耦合。 为了防止这种现象，此时空腔屏蔽导体仍需接地。,19,静电屏蔽必须具有两个基本要点：完整的屏蔽导体和良好的接地。,交变电场的屏蔽,交变电场的屏蔽原理采用电路理论加以解释较为直
9、观、方便，因为骚扰源与接受器之间的电场感应耦合可用它们之间的耦合电容进行描述。,设骚扰源g上有一交变电压Ug，在其附近产生交变电场，置于交变电场中的接受器s通过阻抗Zs接地，骚扰源对接受器的电场感应耦合可以等效为分布电容Ce的耦合。接受器上产生的骚扰电压Us为：,（1）,21,从上式中可以看出，骚扰电压Us的大小与耦合电容Ce的大小有关。为了减小骚扰，可使骚扰源与接受器尽量远离，从而减小Ce，使骚扰Us减小。 如果骚扰源与接受器间的距离受空间位置限制无法加大时，则可采用屏蔽措施。,在骚扰源与接受器之间插入屏蔽体。 插入屏蔽体后， 原来的耦合电容Ce的作用现在变为耦合电容C1、 C2和C3的作用
10、。 直接耦合作用非常小， 所以耦合电容C3可以忽略。,22,设金属屏蔽体的对地阻抗为Z1， 则屏蔽体上的感应电压为 从而接受器上的感应电压为 如果要使Us比较小，则必须使C1、C2和Z1减小。从式(2)可知，只有Z10，才能使U10，进而Us0。 屏蔽体必须良好接地，才能真正将骚扰源产生的骚扰电场的耦合抑制或消除，保护接受器免受骚扰。,（3）,（2）,23,如果屏蔽导体没有接地或接地不良(因为平板电容器的电容量与极板面积成正比，与两极板间距成反比，所以耦合电容C1、C2均大于Ce)，那么接受器上的感应骚扰电压比没有屏蔽导体时的骚扰电压还要大，此时骚扰比不加屏蔽体时更为严重。 交变电场屏蔽的基本
11、原理是采用接地良好的金属屏蔽体将骚扰源产生的交变电场限制在一定的空间内，从而阻断了骚扰源至接受器的传输路径。,注意：交变电场屏蔽要求 屏蔽体必须是良导体(例 如金、银、铜、铝等)， 屏蔽体必须有良好的接地。,24,低频磁场的屏蔽,低频(100 kHz以下)磁场的屏蔽常用高磁导率的铁磁材料(例如铁、硅钢片等)。 其屏蔽原理是利用铁磁材料的高磁导率对骚扰磁场进行分路。 磁路理论表明： UmRmm 式中：Um为磁路中两点间的磁位差；m为通过磁路的磁通量，即：,（5）,（4）,25,Rm为磁路中两点a、b间的磁阻： 如果磁路横截面是均匀的，且磁场也是均匀的，则式(6)可化简为 式中：H为磁场强度，B为
12、磁通密度，为铁磁材料的磁导率(H/m)；S为磁路的横截面积(m2)；l为磁路的长度(m)。显然，磁导率大则磁阻Rm小，此时磁通主要沿着磁阻小的途径形成回路。 由于铁磁材料的磁导率比空气的磁导率0大得多，所以铁磁材料的磁阻很小。将铁磁材料置于磁场中时，磁通将主要通过铁磁材料，而通过空气的磁通将大为减小，从而起到磁场屏蔽作用。,（7）,（6）,26,下图所示的屏蔽线圈用铁磁材料作屏蔽罩。 由于其磁导率很大，其磁阻比空气小得多，因此如图(a)，线圈所产生的磁通主要沿屏蔽罩通过，被限制在屏蔽体内，从而使线圈周围的元件等不受线圈磁场的影响或骚扰。 图(b)所示，外界磁通也将通过屏蔽体而很少进入屏蔽罩内，
13、从而使外部磁场不致骚扰屏蔽罩内的线圈。,27,使用铁磁材料作屏蔽体时要注意的问题（p157）。,28,高频磁场的屏蔽,其屏蔽原理：利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽的目的，也就是说，利用了涡流反磁场对于原骚扰磁场的排斥作用，来抑制或抵消屏蔽体外的磁场。 高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体材料，例如铜、铝等。 闭合回路上产生的感应电动势等于穿过该回路的磁通量的时变率。 感应电动势引起感应电流，感应电流所产生的磁通要阻止原来磁通的变化，即感应电流产生的磁通方向与原来磁通的变化方向相反。,29,如下图所示，当高频磁场穿过金属板时，在金属板中就会产生感应电动势，从而形成涡流
14、。 金属板中的涡流电流产生的反向磁场将抵消穿过金属板的原磁场。 感应涡流产生的反磁场增强了金属板侧面的磁场，使磁力线在金属板侧面绕行而过。,30,如果用良导体作成屏蔽盒，将线圈置于屏蔽盒内，如下图， 则线圈所产生的磁场将被屏蔽盒的涡流反磁场排斥而被限制在屏蔽盒内。 外界磁场也将被屏蔽盒的涡流反磁场排斥而不能进入屏蔽盒内，从而达到磁场屏蔽的目的。,31,屏蔽盒上产生的涡流的大小直接影响屏蔽效果。 屏蔽线圈的等效电路如下图所示。把屏蔽盒看成是一匝的线圈，I为线圈的电流，M为屏蔽盒与线圈之间的互感，rs、Ls为屏蔽盒的电阻与电感，Is为屏蔽盒上产生的涡流。显然,（8）,32,对式(8)讨论如下。 1
15、)频率：在频率高时，rsLs。这时rs可忽略不计，则有 式中：k为线圈与屏蔽盒之间的耦合系数；n为线圈的圈数；ns为屏蔽盒的圈数，可以视为一匝。 根据式(9)可见，屏蔽盒上产生的感应涡流与频率无关。这说明在高频情况下，感应涡流产生的反磁场已足以排斥原骚扰磁场，从而起到了磁屏蔽作用，所以导电材料适于高频磁场屏蔽。,（9）,(8),33,在频率低时，rsLs，式(8)可以简化为 低频时产生的涡流也小，因此涡流反磁场也就不能完全排斥原骚扰磁场。 利用感应涡流进行屏蔽在低频时效果是很小的。 2)屏蔽材料：由式(10)可知，屏蔽体电阻rs越小，则产生的感应涡流越大，而且屏蔽体自身的损耗也越小。 所以，高
16、频磁屏蔽材料需用良导体，常用铝、铜及铜镀银等。,（10）,34,3)屏蔽体的厚度：由于高频电流的集肤效应，涡流仅在屏蔽盒的表面薄层流过，而屏蔽盒的内层被表面涡流所屏蔽， 高频屏蔽盒无须做得很厚。 对于常用铜、铝材料的屏蔽盒，当频率f1 MHz时，机械强度、结构及工艺上所要求的屏蔽盒厚度，总比能获得可靠的高频磁屏蔽时所需要的厚度大得多。 高频屏蔽一般无须从屏蔽效能考虑屏蔽盒的厚度。实际中，一般取屏蔽盒的厚度为0.20.8 mm。,35,4)屏蔽盒的缝隙或开口： 屏蔽盒在垂直于涡流的方向上不应有缝隙或开口。因为垂直于涡流的方向上有缝隙或开口时，将切断涡流。这意味着涡流电阻增大，涡流减小，屏蔽效果变差。 屏蔽盒有缝隙或开口时，则缝隙或开口应沿着涡流方向。屏蔽盒上的缝隙或开口尺寸一般不要大于波长的1/501/100。 5)接地：磁场屏蔽的屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果。这一点与电场屏蔽不同，电场屏蔽必须接地。但是，如果将金属导电材料制造的屏蔽
