Az elektromágneses képernyőket széles körben használják az iparban. Arra szolgálnak, hogy kiküszöböljék az elektromos készülékek egyes elemeinek másokra gyakorolt káros hatását, megvédjék a személyzetet és a berendezéseket a más eszközök működése során fellépő külső mezők hatásaitól. A külső mágneses tér "kioltása" szükséges a rendkívül érzékeny berendezések beállítására és tesztelésére szolgáló laboratóriumok létrehozásához. Szükség van rá az orvostudományban és azokon a tudományterületeken is, ahol ultraalacsony indukciójú terek mérését végzik; hogy megvédje az információkat a kábeleken keresztüli átvitel során.
Módszerek
A mágneses tér árnyékolása olyan módszerek összessége, amelyek segítségével csökkenthető az állandó vagy váltakozó mező erőssége a tér bizonyos területén. A mágneses mező az elektromos térrel ellentétben nem gyengíthető teljesen.
Az iparban a transzformátorok, állandó mágnesek, nagyáramú berendezések és áramkörök kóbor mezői gyakorolják a legnagyobb környezeti hatást. Teljesen megzavarhatják a szomszédos készülékek normál működését.
Leggyakrabban használt 2védelmi módszer:
- Szupravezető vagy ferromágneses anyagokból készült képernyők használata. Ez állandó vagy alacsony frekvenciájú mágneses tér jelenlétében hatékony.
- Kompenzációs módszer (örvényáram csillapítás). Az örvényáramok olyan tömeges elektromos áramok, amelyek a vezetőben akkor lépnek fel, amikor a mágneses fluxus megváltozik. Ez a módszer mutatja a legjobb eredményeket a magas frekvenciájú mezők esetén.
Elvek
A mágneses tér árnyékolásának elvei a mágneses tér térben való terjedésének mintázatán alapulnak. Ennek megfelelően a fent felsorolt módszerek mindegyike esetében a következők:
- Ha egy induktivitást ferromágnesből készült burkolatba helyezünk, akkor a külső mágneses tér indukciós vonalai a védőernyő falai mentén haladnak, mivel kisebb a mágneses ellenállása a benne lévő térhez képest. Azok az erővonalak, amelyeket maga a tekercs indukál, szintén szinte mindegyik zárva van a burkolat falaihoz. A legjobb védelem érdekében ebben az esetben olyan ferromágneses anyagokat kell választani, amelyek nagy mágneses permeabilitással rendelkeznek. A gyakorlatban leggyakrabban vasötvözeteket használnak. A képernyő megbízhatóságának növelése érdekében vastag falúvá, vagy több burkolatból előregyártva készül. Ennek a kialakításnak a hátrányai a nagy súly, a terjedelmessége és az árnyékolás károsodása a burkolat falán lévő varratok és vágások miatt.
- A második módszernél a külső mágneses tér gyengítésea gyűrűs örvényáramok által indukált másik mező rárakódása eredményeként következik be. Iránya ellentétes az első mező indukciós vonalaival. A frekvencia növekedésével a csillapítás kifejezettebb lesz. Ebben az esetben az árnyékoláshoz alacsony ellenállású vezetőgyűrű formájú lemezeket használnak. Leggyakrabban a rézből vagy alumíniumból készült henger alakú dobozokat használják képernyőburkolatként.
Főbb jellemzők
Az árnyékolási folyamat leírására 3 fő jellemző van:
- Ekvivalens mágneses tér behatolási mélysége. Tehát folytassuk. Ezt az ábrát az örvényáramok szűrésére használják. Minél kisebb az értéke, annál nagyobb a védőburkolat felületi rétegeiben folyó áram. Ennek megfelelően minél nagyobb az általa indukált mágneses tér, amely kiszorítja a külsőt. Az egyenértékű mélységet az alábbi képlet határozza meg. Ebben a képletben ρ és Μr az ernyőanyag ellenállása, illetve relatív mágneses permeabilitása (az első érték mértékegysége Ohm∙m); f a mező frekvenciája MHz-ben mérve.
- árnyékolási hatásfok e - az árnyékolt térben a mágneses térerősség aránya az árnyékolás hiányában és jelenléte esetén. Minél nagyobb ez az érték, annál nagyobb a képernyő vastagsága és anyagának mágneses permeabilitása. A mágneses permeabilitás egy olyan mutató, amely azt jellemzi, hogy az anyagban az indukció hányszorosamás, mint a légüres térben.
- A mágneses térerősség és az örvényáram-sűrűség csökkentése a védőburkolat felületétől mért x mélységben. A mutató kiszámítása az alábbi képlet alapján történik. Itt A0 az érték a képernyő felületén, x0 az a mélység, amelynél az intenzitás vagy az áramsűrűség e-szeresére csökken.
Képernyőterv
A mágneses mező árnyékolására szolgáló védőburkolatok többféle kivitelben készülhetnek:
- lapos és masszív;
- üreges csövek és burkolatok formájában, hengeres vagy téglalap alakú keresztmetszettel;
- egyrétegű és többrétegű, légréssel.
Mivel a rétegek számának kiszámítása meglehetősen bonyolult, ezt az értéket leggyakrabban referenciakönyvekből választják ki, a kísérleti úton kapott árnyékolási hatékonysági görbék alapján. Vágások és varrások a dobozokban csak az örvényáramok mentén megengedettek. Ellenkező esetben az árnyékoló hatás csökken.
A gyakorlatban nehéz magas árnyékolási tényezőt elérni, mivel mindig szükséges lyukakat készíteni a kábelbevezetéshez, a szellőzéshez és a berendezések karbantartásához. A tekercseknél a varrat nélküli burkolatokat lapextrudálásos módszerrel készítik, és a hengeres szita alja levehető burkolatként szolgál.
Ezenkívül a szerkezeti elemek érintkezésekor a felületi egyenetlenségek miatt repedések keletkeznek. Ezek megszüntetésére használjavezető anyagból készült mechanikus bilincsek vagy tömítések. Különböző méretekben és különböző tulajdonságokkal kaphatók.
Az örvényáramok olyan áramok, amelyek sokkal kevésbé keringenek, de képesek megakadályozni a mágneses mező áthatolását a képernyőn. Ha a burkolatban nagyszámú lyuk van, az árnyékolási együttható csökkenése logaritmikus függés szerint történik. Legkisebb értéke nagy méretű technológiai furatoknál figyelhető meg. Ezért ajánlatos több kis lyukat kialakítani, nem pedig egy nagyot. Ha szabványos furatokat kell használni (kábelbevezetéshez és egyéb igényekhez), akkor transzcendentális hullámvezetőket használnak.
Egyen elektromos áram által létrehozott magnetosztatikus térben a képernyő feladata a térvonalak söntölése. A védőelemet a forráshoz a lehető legközelebb kell felszerelni. Földelés nem szükséges. Az árnyékolás hatékonysága a mágneses permeabilitástól és az árnyékolás anyagának vastagságától függ. Utóbbiként nagy mágneses permeabilitással rendelkező acélokat, permalloyokat és mágneses ötvözetek használatosak.
A kábelutak árnyékolása alapvetően két módszerrel történik - árnyékolt vagy védett csavart érpárú kábelekkel és védőcsövek alumíniumdobozokba (vagy betétekbe) történő fektetésével.
Szupravezető képernyők
A szupravezető mágneses képernyők működése a Meissner-effektuson alapul. Ez a jelenség abban áll, hogy a mágneses térben lévő test szupravezető állapotba kerül. Ugyanakkor a mágnesesa burkolat permeabilitása nullával egyenlővé válik, vagyis nem megy át a mágneses mezőn. Teljes mértékben kompenzálódik az adott test térfogatában.
Az ilyen elemek előnye, hogy sokkal hatékonyabbak, a külső mágneses tér elleni védelem nem függ a frekvenciától, és a kompenzációs hatás tetszőlegesen hosszú ideig tarthat. A gyakorlatban azonban a Meissner-effektus nem teljes, mivel a szupravezető anyagokból készült valódi képernyőkben mindig vannak szerkezeti inhomogenitások, amelyek mágneses fluxus befogáshoz vezetnek. Ez a hatás komoly problémát jelent a mágneses tér árnyékolására szolgáló burkolatok kialakításánál. Minél nagyobb a mágneses tér csillapítási együtthatója, annál nagyobb az anyag kémiai tisztasága. A kísérletekben az ólom esetében volt a legjobb teljesítmény.
A szupravezető mágneses mező árnyékoló anyagok további hátrányai:
- magas költség;
- maradék mágneses tér jelenléte;
- a szupravezető állapot megjelenése csak alacsony hőmérsékleten;
- képtelenség erős mágneses térben működni.
Anyagok
A mágneses tér elleni védelemre leggyakrabban szénacél árnyékolókat használnak, mivel kiválóan alkalmasak hegesztésre, forrasztásra, olcsók és jó korrózióállósággal rendelkeznek. Rajtuk kívül olyan anyagok, mint:
- műszaki alufólia;
- vas, alumínium és szilícium lágy mágneses ötvözete (alsifer);
- réz;
- vezetőképes bevonatú üveg;
- cink;
- transzformátoracél;
- vezetőképes zománcok és lakkok;
- réz;
- fémezett szövetek.
Szerkezetileg lapok, hálók és fólia formájában is elkészíthetők. A lemezanyagok jobb védelmet biztosítanak, a hálós anyagok pedig kényelmesebben összeszerelhetők - ponthegesztéssel 10-15 mm-es lépésekben összeilleszthetők. A korrózióállóság biztosítása érdekében a rácsokat lakkozzák.
Ajánlatok az anyagválasztáshoz
A védőernyők anyagának kiválasztásakor a következő ajánlásokat kell követni:
- Gyenge mezőben nagy mágneses permeabilitású ötvözeteket használnak. Technológiailag a legfejlettebb a permalloy, amely jól alkalmazható nyomásra és vágásra. A teljes lemágnesezéshez szükséges mágneses térerősség, valamint az elektromos ellenállás elsősorban a nikkel százalékos arányától függ. Ennek az elemnek a mennyisége alapján megkülönböztethetők az alacsony nikkeltartalmú (legfeljebb 50%) és a magas nikkeltartalmú (legfeljebb 80%) permallomok.
- A váltakozó mágneses tér energiaveszteségének csökkentése érdekében a burkolatokat vagy jó vezetőből vagy szigetelőből kell elhelyezni.
- 10 MHz-nél nagyobb térfrekvenciához 0,1 mm vagy annál nagyobb vastagságú ezüst- vagy rézfilmbevonatok (fóliával bevont getinakból és egyéb szigetelőanyagokból készült képernyők), valamint réz, alumínium és sárgaréz, jó hatást keltenek. A réz oxidáció elleni védelme érdekében ezüsttel van bevonva.
- Vastagságanyaga az f frekvenciától függ. Minél kisebb az f, annál nagyobbnak kell lennie a vastagságnak, hogy ugyanazt az árnyékoló hatást érjük el. Nagy frekvenciákon, bármilyen anyagból készült burkolat gyártásához 0,5-1,5 mm vastagság is elegendő.
- A magas f értékkel rendelkező mezőknél nem használnak ferromágneseket, mivel nagy az ellenállásuk és nagy energiaveszteséghez vezetnek. Az acélon kívül más nagy vezetőképességű anyagokat sem szabad állandó mágneses mezők árnyékolására használni.
- A széles f tartományon belüli védelem érdekében a többrétegű anyagok (acéllemezek erősen vezető fémréteggel) jelentik az optimális megoldást.
Az általános kiválasztási szabályok a következők:
- A magas frekvenciák erősen vezető anyagok.
- Az alacsony frekvenciák nagy mágneses permeabilitással rendelkező anyagok. Az átvilágítás ebben az esetben az egyik legnehezebb feladat, mivel így nehezebb és bonyolultabb a védőernyő kialakítása.
Fóliaszalagok
A fóliavédő szalagokat a következő célokra használják:
- Szélessávú elektromágneses interferencia árnyékolása. Leggyakrabban elektromos szekrények ajtóihoz és falaihoz használják eszközökkel, valamint árnyékolás kialakítására az egyes elemek (szolenoidok, relék) és kábelek körül.
- A félvezetőket és katódsugárcsöveket tartalmazó eszközökön, valamint az információk bevitelére/kimenetére használt eszközökön felhalmozódó statikus töltés eltávolításaszámítógép.
- A testáramkörök alkotóelemeként.
- A transzformátor tekercsek közötti elektrosztatikus kölcsönhatás csökkentése érdekében.
Strukturálisan vezetőképes ragasztóanyagon (akrilgyanta) és fólián (hullámos vagy sima felülettel) alapulnak, amelyek a következő típusú fémekből készülnek:
- alumínium;
- réz;
- ónozott réz (forrasztáshoz és jobb korrózióvédelemhez).
Polimer anyagok
Azokban az eszközökben, ahol a mágneses tér árnyékolásával együtt a mechanikai sérülések elleni védelem és az ütéselnyelés is szükséges, polimer anyagokat használnak. Poliuretán habpárnák formájában készülnek, amelyek poliészter fóliával vannak bevonva, akril ragasztó alapján.
A folyadékkristályos monitorok gyártása során vezetőképes anyagból készült akril tömítéseket használnak. Az akril ragasztórétegben egy háromdimenziós vezetőképes mátrix található, amely vezető részecskékből áll. Rugalmasságának köszönhetően ez az anyag hatékonyan nyeli el a mechanikai igénybevételt is.
Kompenzációs módszer
A kompenzációs árnyékolási módszer elve a külső térrel ellentétes mágneses tér mesterséges létrehozása. Ezt általában Helmholtz tekercsrendszerrel érik el. 2 egyforma vékony tekercsből áll, amelyek koaxiálisan helyezkednek el a sugaruktól távol. Az áramot átvezetik rajtuk. A tekercsek által indukált mágneses tér nagyon egyenletes.
Árnyékoló dobozplazma is termeli. Ezt a jelenséget figyelembe veszik a mágneses tér térbeli eloszlásánál.
Kábelárnyékolás
A mágneses tér elleni védelem elengedhetetlen a kábelek lefektetésekor. A bennük indukált elektromos áramot a háztartási gépek helyiségbe helyezése (klíma, fénycsövek, telefon), valamint a bányákban lévő liftek okozhatják. Ezek a tényezők különösen nagy hatással vannak a széles frekvenciasávú protokollokon működő digitális kommunikációs rendszerekre. Ennek oka a hasznos jel teljesítménye és a spektrum felső részén lévő zaj közötti kis különbség. Ezenkívül a kábelrendszerek által kibocsátott elektromágneses energia hátrányosan befolyásolja a helyiségben dolgozó személyzet egészségét.
Keresztbeszéd jön létre a vezetékpárok között, a köztük lévő kapacitív és induktív csatolás miatt. A kábelek elektromágneses energiája hullámimpedanciájuk inhomogenitása miatt is visszaverődik, és hőveszteség formájában gyengül. A csillapítás következtében a jelteljesítmény a hosszú vonalak végén több százszorosára csökken.
Jelenleg 3 árnyékolási módszert alkalmaznak az elektromos iparban:
- Teljesen fém dobozok (acél vagy alumínium) használata vagy fémbetétek beépítése műanyag dobozokba. A térfrekvencia növekedésével az alumínium árnyékolási képessége csökken. A hátránya a dobozok magas költsége is. A hosszú kábelfutásokhoz vanaz egyes elemek elektromos érintkezésének és földelésének biztosításának problémája a doboz nullapotenciáljának biztosítása érdekében.
- Használjon árnyékolt kábeleket. Ez a módszer maximális védelmet nyújt, mivel a köpeny magát a kábelt veszi körül.
- Fém vákuumleválasztása a PVC csatornán. Ez a módszer 200 MHz-ig nem hatékony. A mágneses tér „kioltása” tízszer kisebb, mint a kábel fémdobozokba fektetése a nagy ellenállás miatt.
Kábeltípusok
Kétféle árnyékolt kábel létezik:
- Közös képernyővel. A védelem nélküli sodrott vezetékek körül található. Az ilyen kábelek hátránya, hogy nagy az áthallás (5-10-szer több, mint az árnyékolt pároké), különösen az azonos csavarásszögű párok között.
- Kábelek árnyékolt csavart érpárral. Minden pár egyedileg árnyékolt. Magasabb költségük miatt leggyakrabban szigorú biztonsági követelményeket támasztó hálózatokban és nehéz elektromágneses környezettel rendelkező helyiségekben alkalmazzák. Az ilyen kábelek párhuzamos fektetésű használata lehetővé teszi a köztük lévő távolság csökkentését. Ez csökkenti a költségeket az osztott útválasztáshoz képest.
A sodrott érpárú árnyékolt kábel egy szigetelt vezetőpár (számuk általában 2 és 8 között van). Ez a kialakítás csökkenti az áthallást.vezetők között. Az árnyékolatlan pároknak nincs földelési követelménye, nagyobb a rugalmasságuk, kisebbek a keresztirányú méreteik és egyszerű a telepítésük. Az árnyékolt pár védelmet nyújt az elektromágneses interferencia ellen és kiváló minőségű adatátvitelt biztosít a hálózatokon keresztül.
Az információs rendszerek kétrétegű árnyékolást is használnak, amely csavart érpárok védelméből áll fémezett műanyag szalag vagy fólia formájában, valamint egy közös fémfonatból. A mágneses tér elleni hatékony védelem érdekében az ilyen kábelrendszereket megfelelően földelni kell.
