Назначение и описание узлов силовой цепи ИБП

1. Выпрямитель и корректор коэффициента мощности (ККМ-В) выполняет три функции:

• осуществляет преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая питание инвертора стабильным напряжением постоянного тока 700 - 800 В;
• обеспечивает потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети, и практически синусоидальной формы, в независимости от характера нагрузки ИБП, что позволяет иметь входной коэффициент мощности близким к единице;
• обеспечивает мягкий старт для уменьшения пускового входного тока ИБП.

Высокочастотный ККМ в ИБП малой мощности выполнен по схеме повышающего преобразователя (бустера) с дифференциальным выходом и силовым дросселем L1, включенным во входную цепь переменного тока [5]. Силовой транзистор ККМ VT1 (см. рис.3) управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Формирование ШИМ сигнала с частотой 20 кГц осуществляет специализированная микросхема ККМ контроллера типа UC 3854 [17]. На входы ККМ контроллера поступают сигналы, пропорциональные входному напряжению (u_вх), входному току (i_вх), напряжению на выходе ККМ (U_вых), максимальным значениям тока транзистора (I_mp) и входного тока (I_m), номинальному выходному напряжения ККМ (U_ном) (см. рис.5). Кроме этих сигналов, на микросхему ККМ контроллера поступает напряжение питания (U_п=24 В), сигнал синхронизации (U_с) и сигнал управления (вкл/выкл) ККМ (U_вкл) от центрального микропроцессора платы управления ИБП. Контроллер ККМ вырабатывает ШИМ-сигналы с тактовой частотой 20 кГц и различной скважностью на каждом полупериоде сетевого напряжения, что позволяет формировать входной ток необходимой формы и стабилизировать выходное напряжение.

Рис.5 Схема управления силовым транзистором ККМ

За счет изменения соотношения времени открытого состояния транзистора, когда в дросселе запасается электромагнитная энергия W_L:

(1)

и времени закрытого состояния транзистора, когда накопленная энергия через диод VD5 (VD6 рис.3) отдается в накопительный конденсатор, ККМ обеспечивает форму входного тока, близкую к синусоидальной, и совпадающей по фазе с входным напряжением. Сигнал ШИМ с контроллера поступает на затвор IGBT транзистора через узел сопряжения (оптопару типа TLP 250 [18]), обеспечивающий необходимое усиление сигнала и гальваническую развязку цепи управления и силовой цепи транзистора (рис.5). Питание узла сопряжения в ИБП малой мощности осуществляется от одной из обмоток высокочастотного трансформатора блока зарядного устройства с помощью диода VD1. В ИБП средней мощности питание узла сопряжения обеспечивает блок ВИП. На накопительных конденсаторах шины постоянного тока С1, С2 (см. рис.3,4) формируется высоковольтное стабилизированное постоянное напряжение для питания инвертора U_п =700 - 800 В.

Коэффициент передачи по напряжению повышающего преобразователя (бустера) в режиме непрерывного тока дросселя достигает значения 4 [7]. Это обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения, при котором ИБП не переходит в автономный режим. Значения допустимых отклонений входного напряжения (сети) и значения напряжений питания инвертора для различных моделей ИБП приведены в таблице №1.

Таблица №1 Допустимый диапазон входных напряжений и параметры
цепей постоянного тока ИБП малой и средней мощности.

Производитель	Модель ИБП	Номинал. мощность кВА	Напряжение АБ, В	Входное напряже- ние, В	Диапазон нагрузки, %	Напряжение DC шины, В
Invensys	PW9120	1/1,5/3	36/48/96	160-276	66-100	н/д
140-276	33-66
120-276	0-33
5/6		184-276	75-100
160-276	50-75
140-276	25-50
120-276	0-25
PW9150	8/10/12/15		176-276	0-100
Liebert	GXT-2U	1/3	48/72	160-280	70-100
140-280	30-70
120-280	0-30
GXT	6 / 10		187-276	90-100
163-276	30-90
122-276	0-30
Nfinity	4/ 8 / 12/ 16		170-276	60-100
140-276	0-60
Hinet (3/1)	10/15/20/30		300-480	0-100
Тэнси-Техно	ДПК	1/3	36/96	160-300	70-100
140-300	50-70
120-300	0-50
6 / 10		176-276	0-100
ДПК (3/1)	10 /15 /20		304-478	0-100

Величина емкости накопительных конденсаторов С1= С2 выбирается из расчета 470 мкФ на каждый 1кВА выходной мощности инвертора для обеспечения достаточной энергии питания инвертора при скачках нагрузки и провалах сетевого напряжения.

Рассмотрим на примере ИБП 3 кВА значение электрической энергии, запасаемой в накопительных конденсаторах ККМ. Эквивалентная емкость последовательно включенных конденсаторов составит:

С_эк = 0,5 x С1= 0,5 (470 мкФ/кВА х 3 кВА) = 705 мкФ

При напряжении U_п = 700 В имеем:

(2)

Эта энергия за период выходного напряжения Т=0,02 сек может обеспечить мощность нагрузки более 8,5 кВА. Значительный запас энергии питания инвертора и высокое быстродействие его системы управления обеспечивают высокие динамические свойства ИБП. Значения динамических параметров: величина отклонения выходного напряжения от номинального значения и время восстановления статической точности поддержания выходного напряжения при 100% набросе (сбросе) нагрузки для ИБП малой и средней мощности приведены в таблице №2.

Таблица №2 Динамические показатели ИБП малой и средней мощности.

Производитель	Модель ИБП	Номиналь- ная мощность, кВА	Статическая точность, %	Динамическая точность, %	Время восстановл., мс
Chloride	Synthesis Twin	6 - 20	±1	±5
Invensys	PW9120	1 - 3	±3	±7	н/д
PW9150	8 - 15	±2	±5
Liebert	GXT	1 - 10	±3	±7
Nfinity	4 - 16	±3	±7
Hinet	10 - 30	±1	±5
Riello	MDM	10 - 20	±1	±5
Тэнси-Техно	ДПК	1; 3	±2	±5
6; 10	±3	±7

В отличие от ИБП малой мощности, в ИБП средней мощности выпрямитель выполняется на тиристорах VT1, VT2 (рис.4), обеспечивающих включение выпрямителя по сигналу с платы управления в режиме двойного преобразования и его отключение в автономном режиме или неисправностях силовых элементов силовой цепи ИБП.

Высокочастотный ККМ в ИБП средней мощности выполняется по дифференциальной схеме повышающего преобразователя на двух силовых транзисторах VT3, VT4 c использованием двух дросселей L1, L2, включенных в цепи постоянного тока (рис.4) [5]. Каждый транзистор управляется от собственного ККМ контроллера типа UC3854, функционирующего аналогично ККМ контроллеру в структуре ИБП малой мощности. С помощью транзистора положительного бустера (VT3) обеспечивается повышение и стабилизация напряжения на положительной шине в течение одного полупериода сетевого напряжения, а с помощью транзистора отрицательного бустера (VT4) в течение другого полупериода происходит повышение и стабилизация выходного напряжения ККМ на отрицательной шине относительно общей шины.

Аккумуляторная батарея (АБ) в ИБП средней мощности подключается на вход ККМ через тиристор VT7 (рис.4), что обеспечивает разделение цепи заряда АБ от ЗУ в сетевом режиме работы ИБП и мгновенное подключение АБ на вход ККМ в автономном режиме. Номинальные напряжения аккумуляторных батарей для различных моделей ИБП приведены в таблице № 1.

Снижение номинального напряжения АБ до 120 В в ИБП средней мощности на примере модели Nfinity (Liebert) достигается дополнительной коммутацией в силовой цепи ККМ с помощью двухпозиционных реле К1, К2, К3 (рис.6)[6]. Указанные реле переключаются сигналами с блока управления ИБП. В сетевом режиме контакты реле находятся в положении 1, подключая силовые транзисторы на вход выпрямителя аналогично схеме ККМ на рис.4.

АБ имеет общую точку подключения минуса батареи к общей шине (нейтрали сети). В автономном режиме контакты реле находятся в положении 2 и реле К1 подключает плюс батареи к силовому транзистору VT1положительного бустера ККМ, а реле К2, К3 подключают соответственно плюс и минус АБ к силовому транзистору VT2 отрицательного бустера ККМ.

Рис.6 Схема ККМ с пониженным значением напряжения АБ.

Дополнительный выпрямительный мост, выполненный на тиристорах VT8, VT9, VT10, VT11 (рис.4), используется при трехфазном входе ИБП средней мощности.

2. Инвертор (ИНВ) преобразует напряжение постоянного тока в синусоидальное напряжение 50 Гц.

Блок инвертора выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT транзисторах VT2, VT3 в ИБП малой мощности (рис.3) и VT5, VT6 в ИБП средней мощности (рис.4). Силовые транзисторы управляются высокочастотными (20 кГц) ШИМ сигналами с платы управления через оптопары (TLP 250), которые изолируют силовые цепи от цепей управления. Широтно-импульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает c помощью быстродействующей системы управления инвертором высокую точность выходного напряжения. Синусоидальное выходное напряжение формируется из высокочастотных ШИМ импульсов с помощью выходного фильтра L2, С3 (рис.3), L3, C3 (рис.4).

Как правило, силовые IGBT транзисторы инвертора выбирают из условия тройного запаса по току по сравнению с номинальной величиной тока нагрузки. Это позволяет иметь высокие перегрузочные способности ИБП и ток короткого замыкания инвертора в пределах 150-200%. Термозащита силовых транзисторов реализуется с помощью сигнала с релейного датчика температуры (80-90 ^oС). Указанный сигнал поступает на центральный микроконтроллер (МК) платы управления. МК подсчитывает время, в течение которого транзисторы не выйдут из строя из-за перегрева, после чего выдает сигнал на отключение инвертора и переключение нагрузки на Байпас. Затем МК просчитывает время охлаждения транзисторов, чтобы не дать возможности включения инвертора сразу после окончания первой перегрузки. Если нагрузка продолжает оставаться в пределах 110-120% от номинальной, то по окончанию просчета заданного времени охлаждения (2-4 мин.) МК выдает сигнал на повторное включение инвертора и т.д. При больших значениях перегрузки МК через определенное время выдаст сигнал переключения нагрузки на Байпас и повторное включение инвертора будет возможно лишь после снятия перегрузки.

Перегрузочные способности ИБП являются одним из важных потребительских показателей, т.к. позволяют оптимально выбирать номинальную мощность ИБП при подключении нагрузок, обладающих большими пусковыми токами или при использовании ИБП в технологических процессах с кратковременными периодическими пиковыми нагрузками. В таблице №3 приведены характерные для современных ИБП малой и средней мощности перегрузочные показатели инвертора и режима Байпас.

Таблица №3 Перегрузочные показатели ИБП

Производитель	Модель ИБП	Номинальная мощность, кВА	Инвертор	Байпас
Перегрузка, %	Время перегрузки, с	Перегрузка, %	Время перегрузки, с
Invensys	PW9120	1 - 6				0,02
PW9150	8 - 15
Liebert	GXT	6 - 10			н/д	н/д
	0,16
Nfinity	4 - 16
	0,25
Hinet	10 - 30
			0,1
	0,1
Riello	MDM	10 -20			н/д	н/д
Тэнси-Техно	ДПК	1 - 3			н/д	н/д
	0,2
6 - 10

3. Преобразователь DC/DC (ППН) в ИБП малой мощности обеспечивает повышение и стабилизацию напряжения аккумуляторной батареи (АБ) до уровня, необходимого для надежной работы инвертора в автономном режиме. Принципиальная схема ППН представляет собой двухтактный дифференциальный высокочастотный преобразователь на двух группах параллельно включенных силовых транзисторов и высокочастотном трансформаторе, мощность которого с учетом потерь в инверторе должна превышать выходную мощность ИБП. Транзисторы управляются сигналами (30 кГц) с микросхемы ШИМ контроллера типа UC 3525 [16], который в свою очередь получает сигналы разрешения работы с платы управления ИБП и сигнал о величине высоковольтного напряжения питания инвертора.

К дифференциальной выходной обмотке высокочастотного трансформатора подключены две группы диодов, обеспечивающие выпрямление и формирование на конденсаторах С1, С2 (рис.3) высоковольтного напряжения постоянного тока +350, -350 В относительно общей шины для питания инвертора в автономном режиме работы ИБП.

4. Зарядное устройство (ЗУ) обеспечивает заряд АБ при работе ИБП в сетевом режиме. В качестве АБ используются последовательно включенные герметичные (необслуживаемые) свинцово-кислотные аккумуляторы. Максимальное выходное напряжение ЗУ устанавливается из условия 2,3 В/ячейка. ЗУ в ИБП малой мощности получает питание непосредственно от сети через собственный выпрямительный мост и сглаживающую емкость. Кроме заряда батареи, ЗУ обеспечивает питание ВИП в сетевом режиме и питание обмотки управления реле К1 (рис.3).Принципиальная схема ЗУ выполняется на однотактном высокочастотном преобразователе (30 кГц), содержащим силовой транзистор и высокочастотный трансформатор. Управление силовым транзистором осуществляется сигналом с микросхемы ШИМ контроллера типа UC 3845 [16].

В ИБП средней мощности основное зарядное устройство (ЗУ) подключено к шине стабильного высоковольтного напряжения постоянного тока и выполнено по схеме DC/DC преобразователя (рис.2). ЗУ выполняется по схеме двухтактного дифференциального высокочастотного преобразователя с частотой коммутации силовых транзисторов 20-30 кГц. Использование стабильного высоковольтного напряжения 700-800 В с выходных шин ККМ позволяет получить высокий к.п.д. ЗУ. В ИБП мощностью 6 - 10 кВА такое зарядное устройство обеспечивает зарядный ток 3-4 А при номинальном напряжении АБ 240 В. При наличие дополнительной внешней аккумуляторной батареи (АБ) используется дополнительное зарядное устройство (ДЗУ), выполняемое по схеме AC/DC преобразователя и подключенное к сети.

5. Блок коммутации (Байпас) автоматически обеспечивает цепь подключения нагрузки непосредственно к сети при аномальных режимах работы ИБП (перегрузке, перегреве, выходе из строя одного из узлов ИБП). Двухпозиционное реле К2 в ИБП малой мощности (рис.1) срабатывает от сигнала с платы управления и обеспечивает переключение выхода ИБП с инвертора на сеть (режим Байпас) и наоборот. Контакты входного реле К1 блока коммутации замыкаются при наличие напряжения с блока ЗУ при подключении ИБП к сети и сигнала разрешения от платы управления, который возникает, если подтверждается, что входное напряжение и другие системные параметры ИБП находятся в норме.

В ИБП средней мощности блок коммутации выполняется на тиристорах, осуществляющих по сигналу с платы управления переключение нагрузки с выхода инвертора на сеть и наоборот.

6. Вторичный источник питания (ВИП) формирует ряд низковольтных напряжений постоянного тока (5, 12, 15, 24 В) для обеспечения питанием различных цепей систем управления блоков силовой платы, питание платы управления и вентиляторов. Питание блока ВИП осуществляется от ЗУ при сетевом режиме или от батареи при автономном режиме.

Принципиальная схема ВИП выполняется на однотактном высокочастотном преобразователе. Выход из строя ВИП приводит к общей неисправности ИБП и переключение нагрузки на Байпас.

Системные показатели ИБП

В таблице №4 отражен ряд системных показателей ИБП малой мощности со средним временем резерва 6-8 мин. при 100% нагрузке за счет встроенных аккумуляторных батарей. Здесь приведены габариты корпусов ИБП, удельные мощности и энергетические показатели.

Удельная мощность определялась с учетом выходного коэффициента мощности Kp_вых, номинальной выходной мощности S_вых и объема корпуса V:

(3)

Энергетический коэффициент, определяющий соотношение потребляемой полной мощности из сети и мощности, отдаваемой в нагрузку, находится по выражению [4]:

K_э = η x Kp_вых, где: η - К.П.Д. ИБП, Kp_вых - входной коэффициент мощности ИБП.

Таблица №4 Системные показатели ИБП малой мощности

Производитель	Модель ИБП	Мощность, кВА	Габариты, мм	Удельная мощность, Вт/дм^3	Энергети- ческий коэффициент
Сhloride	Active		145х405х225	52,5	н/д
	200х405х350
Invensys	PW9120		155х410х240		0,85
	215х470х365
Liebert	GXT-2U		89х546х432		0,85
	89х615х432
Тэнси-Техно	ДПК		145х390х220		0,82
	200х450х340		0,85

Как следует из сравнения структурного построения и технических характеристик ИБП малой и средней мощности разных производителей, они во многом схожи и представляют собой ИБП с неуправляемым выпрямителем, встроенным активным корректором мощности и полумостовым бестрансформаторным инвертором. Такие ИБП обладают высоким энергетическим коэффициентом по сравнению со структурами ИБП предыдущего поколения, основанных на управляемых тиристорных выпрямителях и мостовых инверторах, энергетический коэффициент которых не превышает 0,7. За счет применения в своей структуре ККМ современные ИБП имеют также низкий коэффициент искажения синусоидальности входного тока, что обеспечивает хорошую электромагнитную совместимость ИБП с другими нагрузками, подключенными к общей сети. Совокупность указанных свойств определяет использование ИБП для обеспечения качественной бесперебойной электроэнергией критичных нагрузок.

 

Экранирование и защита

Назначением этой лекции является описание корректного использования экранирования как одного из средств уменьшения влияния источников помех, возникающих из-за емкостной или магнитной связи, и реализация экранирования и защиты. С самого начала отметим, что проблемы, возникающие при влиянии наводок всегда объяснимы, однако они порой вызывают затруднения при реализации экранирования. Каждый трудный случай должен быть тщательно проанализирован. Это важно, главным образом, для того, чтобы определить источник наводок, их приемник и характер взаимодействия между ними. Неправильные экранирование и заземление, созданные при неверном определении этих элементов, могут только ухудшить ситуацию и привнести новые проблемы.

Экранирование может принести пользу в двух случаях. Во-первых, оно может использоваться для подавления излучения источника в небольшом объеме; это предотвратит распространение помех и их воздействие на близлежащие критичные компоненты схемы. Однако, такое экранирование может привести к тому, что при недостаточно тщательной разработке и размещении шин земли либо при некорректном подключении, сам экран будет являться источником дополнительных помех, что усугубит проблему.

Во-вторых, экраны могут быть размещены вокруг критичных элементов схемы для предотвращения воздействия помех на них. В данном случае, экраном может служить металлический кожух или кабель с металлической оплеткой вокруг центрального проводника. Повторим еще раз, очень важно, где и как подключен экран.

Влияние помех из-за наличия емкостной связи

Если помехи являются результатом воздействия электрического поля, то экран будет выполнять свою работу, потому что заряд Q2, созданный внешним потенциалом V, не может существовать внутри замкнутой проводящей поверхности (рис. 1).

Влияние через паразитную емкость может смоделировано, как показано на рис. 2.

Здесь V_n– источник помех (переключающий транзистор, логический элемент и т.п.), C_s – паразитная емкость, Z – входной импеданс приемника (например, резистор, включенный между входом усилителя и общим проводом) и V_no – выходной шум, возникающий на сопротивлении Z.

 

Шумовой ток, равный i_n=V_n/(Z+Z_Cs), будет создавать шумовое напряжение V_no=V_n/(1+Z_Cs/Z). Например, если Cs=2,5 пФ, Z=10 кОм и V_n=100 мВ на частоте 1,3 МГц, то выходное напряжение шума будет равно около 20 мВ (или 0,2% от 10 В, т.е. 8 из 12 разрядов при аналого-цифровом преобразовании).

Важно понимать воздействие очень небольшой паразитной емкости на чувствительные элементы схемы. Это воздействие становится в большей степени критичным для систем, сочетающих малое потребление (большие значения импедансов), высокое быстродействие (малые паразитные емкости, крутые фронты сигналов и высокие частоты) и высокое разрешение (низкий уровень собственных шумов).

При добавлении экрана распределение токов (рис. 2) изменяется, что проиллюстрировано на рис. 3. Предполагая, что импеданс экрана равен нулю, шумовой ток в контуре A-B-D-A будет равен Vn/Z_Cs1, а в контуре D-B-C-D этот ток будет отсутствовать, поскольку там нет источника помех. И, следовательно, на сопротивлении Z не будет присутствовать напряжение шумов, а чувствительные элементы схемы будут защищены экраном от помех.

 

 

ПРАВИЛА ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЭКРАНОВ

 

· Чтобы электростатический экран работал эффективно, он должен быть подключен к общему потенциалу экранируемой схемы. Если общим потенциалом для схемы является корпус устройства или земля, то экран должен быть также соединен с корпусом или землей соответственно. Но заземление экрана становится бесполезным, если сигнал передается не относительно земли.

· Оплетка экранированного кабеля должна быть подключена к общему выводу (опорному потенциалу) источника сигнала (рис. 4).

· Если экранированный кабель состоит из нескольких частей (допустим, через разъемные соединения), то оплетки соседних сегментов должны быть соединены вместе и, в конечном счете, подключены только к общему выводу источника сигнала (рис. 5).

· Количество отдельных экранов, требующихся в устойстве, должно быть равно количеству независимых измеряемых сигналов. Каждый сигнал должен иметь свой собственный экран, не соединенный с другими экранами устройства, кроме как в объединенной точке общих выводов источников (сигнальная земля). Если в схеме присутствуют несколько сигнальных земель, то каждый экран должен быть подключен к опорному потенциалу своего источника (рис. 6).

· Не подсоединяйте оба конца оплетки к земле. Разность потенциалов между двумя землями вызовет протекание дополнительного тока по экрану (рис. 7). Этот ток будет создавать шумовое напряжение в центральном проводнике посредством магнитного взаимодействия.

· Не допускайте протекания тока по экрану (за исключением случая, описанного далее). Протекающий по экрану ток будет наводить паразитные сигналы на центральный проводник.

· Не подавайте на экран напряжение относительно опорного потенциала источника (исключение составляет случай защитного экранирования, описанный далее). Потенциал экрана V будет взаимодействовать с центральным проводником посредством емкостной связи и создавать помехи (рис. 8).

В этом случае на выходе появится только часть напряжения Vs:

где Vs – напряжение ненагруженного источника сигнала, R₀ – выходной импеданс источника, C_SC – емкость кабеля и R_eq – эквивалентное параллельное сопротивление R₀ и R_L. Например, если Vs=1 В на частоте 1,5 МГц, C_SC=200 пФ (3 м кабеля), R₀=1000 Ом и R_L=10 кОм, то выходное напряжение составит 0,86 В.

Это правило часто игнорируют; серьезные шумовые проблемы возникают при невнимательном подключении паразитных потенциалов к экрану.

· Возвратные токи по земляным шинам могут быть “захвачены” шумовым током. Неправильно созданная цепь подсоединения экрана создает напряжение на экране, которое может оказывать влияние на элементы схемы или другие экраны. Прводник подключения экрана должен быть достаточно коротким для минимизации возникающей индуктивности.

Рисунок 9 иллюстрирует ситуации, которые могут возникнуть при соблюдении последних двух правил.

Рассмотрим схему с ошибочно созданным экраном, в которой прецизионный источник напряжения V и логический элемент совместно используют подключение к экрану. Этот случай может возникнуть в больших системах, где аналоговые и цифровые сигналы передаются вместе. Изменение напряжения на выходе логической схемы взаимодействует с экраном через емкостную связь, создавая возвратный ток в проводнике длиной 60 см. Это, в свою очередь, создает напряжение на экране, который является общим для цифровой и аналоговой частей схемы.

Эквивалентная схема такого соединения приведена на рисунке 10, где V(t) – пятивольтовое изменение выходного напряжения логического элемента, R_o2 – его выходной импеданс, C_WS – емкость экранированного кабеля, R_S и L_S – сопротивление и индуктивность провода, соединяющего экран с землей.

Напряжение на экране V_S(t) может быть рассчитано традиционными аналитическими методами или аккуратно измерено в реальной схеме с приведенными на рисунках параметрами. На рисунке 11 продемонстрирован отклик схемы на скачок напряжения в 5 вольт (резонансная частота – 7,3 МГц, постоянная времени затухания – 0,15 мкс). Это напряжение возникает на экране и взаимодействует посредством емкостной связи с аналоговым входом.

При наблюдении этого напряжения на широкополосном осциллографе помехи будут выглядеть в виде шумоподобных выбросов, а сам переходной процесс будет взаимодействовать с аналоговым сигналом.

Даже в исключительно цифровых системах такие выбросы могут создавать определенные проблемы и часто приводить к необъяснимым сбоям.

Во многих случаях правильное подключение экрана может не быть очевидным сразу, и выполнение правил может не привести к единственно правильному решению. В этом случае, только анализ различных возможных подключений даст правильный выбор по минимизации привносимого шума.

Для примера рассмотрим случай, показанный на рисунке 12, в котором измерительное устройство и источник сигнала имеют различные земли. Экран можно подключить к точке А – нижний вход измерительной системы, к точке B – земля измерительной системы, к точке C – земля источника сигнала или к точке D – нижний вывод источника сигнала. Какой из этих возможных вариантов правильный?

Вариант A плох, поскольку шумовой ток от источника V_G1 будет протекать в сигнальном проводнике и возвращаться через емкость C4, как показано на рисунке 13а.

Вариант B – также плох, поскольку два последовательно соединенных источника шума V_G1 и V_G2 подключены параллельно обоим сигналам через емкость C1, как показано на рисунке 13б.

Вариант C – плох тоже, поскольку источник V_G1 создает напряжение на сигнальных проводах также, как и в варианте B (рис. 13в).

Вариант D – лучший из рассмотренных при предложенных допущениях (рис. 13г). Этот вариант подтверждает одно из правил заземления – подключать экран к опорному потенциалу источника сигнала.

Помехи из-за воздействия магнитного поля

Помехи из-за воздействия магнитного поля создают напряжение в проводниках и контурах. Этого вида помехи значительно труднее поддаются экранировке, чем помехи, создаваемые электрическим полем, поскольку линии магнитного поля проходят сквозь проводящие материалы. Типичный экран, расположенный вокруг проводника и заземленный на одном его конце, обладает небольшим эффектом подавления магнитно-наведенного напряжения на этот проводник.

Пронизывая проводник, интенсивность магнитного поля убывает по экспоненциальному закону (рис. 14). Глубина поверхностного слоя материала экрана определяется как глубина проникновения магнитного поля, на которой происходит его ослабление до 37% (e^–1) по сравнению со значением в воздушной среде.

В таблице 1 приведены типовые значения глубины поверхностного слоя некоторых материалов для разных частот магнитного поля. Одни материалы более эффективно выполняют роль магнитного экрана на высокой частоте, чем другие. Например, стальной экран, по крайней мере, на порядок более эффективен, чем такой же экран, выполненный из меди или алюминия.

Таблица 1.

Частота	медь, мм	алюминий, мм	сталь, мм
60 Гц	8,5	10,9	0,86
100 Гц	6,6	8,5	0,66
1 кГц	2,1	2,7	0,2
10 кГц	0,66	0,84	0,08
100 кГц	0,2	0,3	0,02
1 МГц	0,08	0,08	0,008

Графики, приведенные на рисунке 15, позволяют сравнить потери при поглощении магнитного поля для стали и меди при двух значениях толщины экрана. Трехмиллиметровый стальной экран достаточно эффективен на частотах выше 200 Гц, а полумиллиметровый медный экран хорошо работает на частотах выше 1 МГц. Слабое место экранирования проявляется на более низких частотах, включая 50-60 Гц сетевого напряжения – основной источник наводок, связанный с влиянием магнитного поля.

Если необходимо качественное экранирование низкочастотного магнитного поля, то в качестве материала экрана используется металл с высокой магнитной проницаемостью (так называемый µ-металл). На рисунке 16 приведены графики зависимости ослабления магнитного поля от толщины при разных частотах. Из этих графиков видно, что на частотах ниже 1 кГц µ-металл более эффективен, чем другие материалы, а на частоте 100 кГц – менее. К сожалению, при использовании µ-металла возникают некоторые сложности – после насыщения под воздействием очень сильного поля экран из µ-металла теряет свои положительные качества.

Как можно видеть, достаточно трудно защитить какую-либо схему от воздействия магнитного поля изменением способа экранировки. Поэтому наиболее эффективными решениями экранировки на низких частотах являются уменьшение интенсивности мешающего магнитного излучения, уменьшение области приемного контура и минимизация связи посредством оптимального размещения и конфигурации. Ниже приведены правила, использование которых позволит уменьшить помехи от магнитного поля.

· Располагайте чувствительные к магнитным наводкам компоненты схемы как можно дальше от источника магнитного поля.

· Избегайте прокладывать шины и проводники параллельно линиям магнитного поля; наилучший вариант – пересечение под прямым углом.

· Материал экрана должен соответствовать частоте и интенсивности поля.

· Используйте витые пары для передачи большого переменного тока. Если токи в проводниках витой пары равны и противоположны по знаку, магнитные поля создаваемые этими проводниками будут компенсировать друг друга (рис. 17а). В этом случае ни один из токов не должен быть ответвлен на какой-либо проводник, например, на землю. На рисунке 17б показано, что может произойти при создании земляного контура; часть тока, зависящая от соотношения сопротивлений проводника и шины земли, будет протекать по земляному проводнику, что, в свою очередь, создаст замкнутую петлю тока i₃ = i₁ – i₂ и приведет к появлению магнитного поля.

Соединение между точками A и B приведет к несбалансированности токов протекающих по проводникам витой пары. По этой же причине витую пару следует располагать над земляным полигоном, возможно ближе к нему, для уравнивания емкостной связи между каждым из проводников и полигоном и уменьшения площади контура.

· Используйте экранированный провод для передачи большого переменного тока, используя оплетку как проводник возвратного тока (рис. 18). Если ток экрана i₂ равен по величине, но противоположен по направлению току центрального проводника i₁, то поля создаваемые этими токами будут взаимно компенсировать друг друга. В этом случае, который, как может показаться, вступает в противоречие с правилом отсутствия тока, протекающего по экрану, для экранирования центрального проводника не обязательно использовать строго концентрический кабель.

Такое подключение может быть полезным при создании систем автоматического испытательного оборудования, где точные измерения производятся устройствами, потребляющими большие токи, которые могут быть недостаточно чистыми. На рисунке 19 приведен пример, показывающий применение этого способа подключения питания логической части измерительной схемы.

· Поскольку шум, наведенный магнитным полем, зависит от площади приемного контура, а создаваемое в этом контуре напряжение определяется магнитной связью, то уменьшение площади контура приведет к уменьшению наводимого шума. Что подразумевается под приемным контуром?

· На рисунке 20 источник сигнала и его нагрузка подключены между собой парой проводников длиной L, расстояние между которыми равно D. В этой схеме (для упрощения показана прямоугольная конфигурация) формируется контур с площадью DxL.