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什么是静电屏蔽(_静电屏蔽原理介绍)

什么是静电屏蔽(_静电屏蔽原理介绍)

有网友问开关电源模块的金属外壳要不要接地,有网友问铜网网罩的屏蔽线怎么用?有网友问如何让自己的设备有抗干扰能力?

其实在中学物理课程中,我们已经学过,在静电平衡状态下,导体内部是没有净电荷的,也就是说如果导体上有电荷,那么电荷就分布在导体表面。

(01)程图《普通物理学》第二卷第93页

在普通物理学中,我们已经了解到,在静电平衡状态下,空腔导体外的带电体不会影响空腔内部队的电场分布;一个接地的空腔导体,空腔内的带电体不会影响空腔外的物体。如图(01)所示。

导体腔内的电场不受外界影响或腔内带电体利用接地的腔导体与外界隔离的这种现象称为静电屏蔽。

图(02)

对于上一句“在静电平衡状态下,空腔导体外的带电体不会影响空腔内部队的电场分布”,可以用图(02)来说明。图(02)空间中没有空腔导体,但有均匀电场(电源线相互平行)。然后我们在这个空间里放一个里面没有电荷的空腔导体,放进去之后电场就变形了,如图(02)。

在图(02)中,我们看到腔体导体外的电场不再是均匀场,电场改变了形状。

电场之所以变形,是因为外电场使空腔导体上的电荷重新分布,直到这些电荷不再受到电场力的作用,如图中红色和蓝色符号所示。这些电荷在空腔导体上的移动产生了新的电场(图中未示出)。新产生的电场和原来的均匀电场叠加,一方面使原来的均匀电场变形,另一方面使空腔导体内部的电场为零。

空腔导体内部的电场为零,从空腔导体上的电荷为零这一事实可以很容易地证明。

当外加电场不是恒定电场,而是交变电场时,空腔导体内部电场为零的结论不再成立,因为空腔导体壳上电荷的重新分布需要时间,不可能立即达到平衡。但只要频率不太高,空腔导体上电荷重新分布所需的时间可以忽略,空腔导体内部电场为零的结论仍然是近似的。事实上,如果导体外壳没有薄到纳米级,即使频率高达几十GHz,空腔导体内部的电场仍然很小。

图(02)中蓝色下划线的句子“一个接地的空腔导体,空腔内的带电体不会影响空腔外的物体”,也只在静电场的情况下成立。如果腔体中的带电体在运动,如图(03),并且带电体在高速旋转,那么带电体的运动对腔体外部是有影响的,也是因为腔体导体上的电荷重新分布需要时间。但和下划线红线一样,只要频率不太高,内部带电体对空腔导体外部没有影响的结论还是近似的。但是需要注意的是,这个结论只有在腔体导体接地的情况下才成立。如果空腔导体不接地,空腔导体内部的带电体仍然会对外部产生影响,即使在有静电的情况下。

图(03)

电子设备的干扰可分为电场干扰、磁场干扰、电磁场干扰和传导干扰。这个帖子只说电场干扰。

电场干扰是由于干扰源和被干扰电子设备的某些电路之间的分布电容。这些分布电容对于初学者来说可能难以区分,因为它们是不可见的。但是这个分布电容肯定是存在的。

图(

显然,A1和A2构成了一个电容。如果按照电气原理图的绘制方法,可以绘制成如图(05)所示。

图(05)

图(05)那张表格,你可以看得很清楚。干扰信号被电容C和电阻R分压,S信号电压的一部分被R分压.C越大,R越大,R上的电压越大,越小。对于同样的c和r,频率越高,r上的电压越大,这就是高频电场干扰往往很强的原因。

从上面的描述可以看出,被干扰设备的输入阻抗越低,即R越小,越不容易受到电场干扰。是这样吗?确实如此。电子设备的输入阻抗越低,越不容易受到电场干扰。然而,低阻抗器件可能更容易受到磁场干扰。这是我们在生产中需要注意的。

图(06)

如果我们在A1和A2之间插入一个导体板B,并将B连接到S和R的公共点.那么B和A组成的电路1、A2如图(07)所示。

图(07)

图(07)如果用通常的方法画,就变成了图(08)。其中,C1是A1和B形成的电容,C2是B和A2形成的电容。

在图(08)中,我们看到干扰源S的信号被电容C1短路到公共点,被干扰设备R上没有干扰源的干扰信号.

图(08)

图(08)只是真实情况的近似值。事实上,插入B后,R并不是完全没有干扰信号。在图(06)中,插入导体板B后,A1和A2之间仍有分布电容(图中未示出),但A1和A2之间的分布电容与插入前相比并未大幅减小,但并不为零。如果A1和A2之间的分布电容减小到零,R根本不会被干扰,被干扰的设备R只能用良导体完全包裹起来,形成空腔导体,这是很难做到的。然而,当A1和B之间以及B和A2之间的距离相对于电路板的尺寸而言较小时,插入B可以将S对R的干扰降低到千分之一。可以看出,插入B后,A1和A2之间的分布电容减小到千分之一。

这是静电屏蔽的一个应用。

其实B不一定是实心导体板。即使B是网状,孔多,也能起到很好的静电屏蔽作用。如图(09)所示。

图(09)

图(10)是一个开关电源模块。我们看到它的壳上有许多洞。有了这些孔,空气可以流通,帮助开关电源模块散热,所以这些孔叫做散热孔。虽然有很多孔,模块的一端也没有封闭,但是这个铝壳还是能起到相当不错的静电屏蔽作用。

图(10)

有一种导体,是在绝缘外面包一层铜网。这种导体通常被称为屏蔽线。屏蔽线有很多线,至少一根,当然也有几十根。图(11)是一种屏蔽线,其中三根绝缘线包在一层铜网中。屏蔽线的铜网就是屏蔽层。

图(11)

在生产活动中,我们经常使用示波器。示波器的输入阻抗很高,通常为兆欧甚至十兆欧。它的灵敏度也很高,普通示波器通常可以达到5mV/div甚至2mV/div。所以示波器的输入端非常容易受到电场干扰。因此,示波器的探头必须使用屏蔽线,如图(12)所示。

图(12)

普通示波器探头连接线外的铜网一端与示波器BNC插头的螺母连接,另一端与包裹在探头外的铜套连接,使探头内的所有元件都包裹在屏蔽罩内。这些元件通常是一个电阻器和一个小型可变电容器。可变电容器也放置在BNC插头附近,如图(12)中的探针。普通示波器探头使用的屏蔽线,里面只有一根线。

在图(04)中,干扰源S和被干扰设备R有一些共同点。但是,在某些情况下,我们可能找不到干扰源和被干扰设备之间的共同点。经常受到干扰,但干扰源不是很确定。例如,示波器在使用前不知道干扰源在哪里。还有一种情况是知道这个设备是强干扰源,比如开关电源模块,但是不知道哪个设备会受到干扰。在这种情况下,静电屏蔽应该连接到哪里?

从图(01)到图(10)的描述中,我们可以知道:

如果你考虑的是某个设备可能的干扰,那么静电屏蔽应该连接到设备的“地”上。比如图(12)所示的示波器探头的静电屏蔽层,也就是屏蔽线的铜网,要接到示波器输入放大器的“地”上。但示波器输入放大器的“地”不一定是真正的地,而只是示波器各电路的公共参考点。同样,如果音频放大器的信号输入端有静电屏蔽,也要连接到音频放大器的“地”。

如果您考虑到某个设备可能会干扰其他电子设备,那么静电屏蔽应该连接到真正的地。例如,图(10)所示的开关电源就是一个相当强的干扰源。它的金属外壳应该是和真正的地球相连的。图中可以看到,端子板右侧有一个螺丝,与金属外壳连接。金属外壳要通过这个螺丝接地。如果将开关电源模块放置在机架上,至少应将其连接到机架。

标签:图电场导体


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