什么是靜電屏蔽 靜電屏蔽原理介紹

網(wǎng)上有網(wǎng)友問開關(guān)電源模塊的金屬外殼是否應(yīng)該接地，還有網(wǎng)友問銅紗網(wǎng)套的屏蔽線應(yīng)該如何使用。更有網(wǎng)友問如何讓自己的設(shè)備有能力抗干擾。

其實，在中學(xué)物理課程中，我們就曾學(xué)習(xí)過：靜電平衡狀態(tài)下，導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷，意思就是說：如果導(dǎo)體上有電荷，電荷都分布在導(dǎo)體表面上。

圖（01） 程守洙《普通物理學(xué)》第二冊93頁

在普通物理中，我們又學(xué)習(xí)過：靜電平衡狀態(tài)下，空腔導(dǎo)體外面的帶電體不會影響空腔內(nèi)部隊電場分布；一個接地的空腔導(dǎo)體，空腔內(nèi)的帶電體對腔外的物體不會產(chǎn)生影響。如圖（01）。

這種使導(dǎo)體空腔內(nèi)的電場不受外界的影響或利用接地的空腔導(dǎo)體將腔內(nèi)帶電體對外界的影響隔絕的現(xiàn)像，稱為靜電屏蔽。

圖（02）

對前一句“靜電平衡狀態(tài)下，空腔導(dǎo)體外面的帶電體不會影響空腔內(nèi)部隊電場分布”，可以用圖（02）來舉例表示。圖（02）空間中原沒有空腔導(dǎo)體，但有一個勻強電場（電力線彼此平行）。然后我們在此空間中放入內(nèi)部并沒有電荷的一個空腔導(dǎo)體，放入后電場變形，如圖（02）。

在圖（02）中，我們看到：空腔導(dǎo)體外面的電場不再是個勻強場，電場變了形。

電場變形，是因為外部電場使得空腔導(dǎo)體上電荷重新分布，直到這些電荷不再受到電場力為止，如圖中紅色和藍色符號所示?？涨粚?dǎo)體上這些電荷的移動，產(chǎn)生了一個新的電場（圖中未畫出）。這個新產(chǎn)生的電場和原有的勻強電場疊加，一方面使得原有的勻強電場變形，另一方面使得空腔導(dǎo)體內(nèi)部電場為零。

空腔導(dǎo)體內(nèi)部電場為零，很容易從空腔導(dǎo)體上電荷受力為零得到證明。

當外部電場不是恒定電場而是交變電場時，空腔導(dǎo)體內(nèi)部電場為零這個結(jié)論不復(fù)成立，因為空腔導(dǎo)體殼上電荷的重新分布需要時間，不可能立即達到平衡。但只要頻率不是太高，空腔導(dǎo)體上電荷的重新分布所需要的時間就可以忽略，空腔導(dǎo)體內(nèi)部電場為零這個結(jié)論依然近似成立。實際上，如果導(dǎo)體殼不是薄到納米數(shù)量級，頻率即使高到數(shù)十GHz，空腔導(dǎo)體內(nèi)部電場仍然是非常小的。

圖（02）中下劃藍色線的那一句“一個接地的空腔導(dǎo)體，空腔內(nèi)的帶電體對腔外的物體不會產(chǎn)生影響”，同樣是僅在靜電場情況下才成立。如果空腔內(nèi)的帶電體在運動，如圖（03），帶電體在作高速回轉(zhuǎn)運動，則帶電體的運動對空腔外有影響，同樣是因為空腔導(dǎo)體上的電荷重新分布需要時間。但和下劃紅線部分一樣，只要頻率不是太高，內(nèi)部帶電體對空腔導(dǎo)體外沒有影響這個結(jié)論依然近似成立。但需要注意：此結(jié)論僅在空腔導(dǎo)體接地時才成立，若空腔導(dǎo)體未接地，那么空腔導(dǎo)體內(nèi)部帶電體仍然會對外部產(chǎn)生影響，即使是在靜電情況下。

圖（03）

電子設(shè)備受到的干擾可以分成電場干擾、磁場干擾、電磁場干擾和傳導(dǎo)干擾。本帖只談?wù)勲妶龈蓴_。

電場干擾是由于干擾源和受干擾電子設(shè)備某些電路之間存在分布電容，這些分布電容對初學(xué)者來說，因為無形，可能不易分辨。但此分布電容是必定存在的。

圖（04）用兩塊導(dǎo)體板A1和A2表示干擾源S和受干擾設(shè)備R之間的分布電容，A1可能是干擾源中一根導(dǎo)線，A2可能是受干擾設(shè)備中電路板上一根導(dǎo)線或一個元件，A1和A2未必有圖（04）中那么明顯的體積。注意干擾源S和受干擾設(shè)備R具有公共點。

圖（04）

很明顯，A1和A2構(gòu)成一個電容器。如果按照電原理圖的畫法，可以畫成圖（05）那樣的形式。

圖（05）

圖（05）那樣的形式，就可以看得很清楚。干擾信號經(jīng)電容器C和電阻R分壓，R上分得S信號電壓的一部分。C越大，R越大，R上分到的電壓就越大，反之則越小。對同樣的C和R，頻率越高，R上分得的電壓越大。這正是高頻電場干擾往往較強的原因。

從以上敘述看，受干擾設(shè)備輸入端阻抗越低，也就是R越小，越不容易受到電場干擾。是不是這樣呢？確實是這樣的。電子設(shè)備輸入阻抗越低，越不容易受到電場干擾。但是，低阻抗設(shè)備可能更容易受到磁場干擾。這是我們在生產(chǎn)中需要注意的。

圖（06）

如果我們在A1和A2之間插入一個導(dǎo)體板B，并把B聯(lián)接到S和R的公共點。那么B和A1、A2構(gòu)成的電路如圖（07）所示。

圖（07）

圖（07）如果按照通常的畫法，就成了圖（08）。其中C1是A1與B構(gòu)成的電容，C2是B與A2構(gòu)成的電容。

圖（08）中，我們看到：干擾源S的信號，被電容C1短路到公共點，受干擾設(shè)備R上沒有干擾源傳來的干擾信號。

圖（08）

圖（08）只是真實情況的一個近似，實際上B插入后，R上并不是完全沒有干擾信號。圖（06）中導(dǎo)體板B插入后，A1和A2仍存在分布電容（圖中沒有畫出），但A1和A2之間的分布電容比B沒有插入前大為減小，但不為零。要想A1和A2之間分布電容減小到零，R上完全不會受到干擾，只能用良導(dǎo)體把受干擾的設(shè)備R完全包起來形成空腔導(dǎo)體，這是很難做到的。但是，在A1與B、B與A2之間距離相對于板的大小來說比較小的情況下，插入B可以使R上受到的S產(chǎn)生的干擾也就減小到千分之一數(shù)量級。這可以看成A1和A2之間分布電容在B插入后減小到千分之一數(shù)量級。

這是靜電屏蔽的一種應(yīng)用。

其實，B不一定是實心的導(dǎo)體板。即使B是網(wǎng)狀，上面有許多孔，也能夠起到很好的靜電屏蔽作用。如圖（09）。

圖（09）

圖（10）是個開關(guān)電源模塊。在其外殼上我們看到有許多孔。有了這些孔，空氣就可以流通，幫助這個開關(guān)電源模塊散熱，所以這些孔叫散熱孔。雖然有許多孔，而且模塊一端并未封閉，這個鋁外殼仍然可以起到相當好的靜電屏蔽作用。

圖（10）

有一種導(dǎo)線，絕緣之外又包了一層銅紗網(wǎng)。這種導(dǎo)線通常叫屏蔽線。屏蔽線當中的導(dǎo)線數(shù)有多有少，最少當然是一根，多的有幾十根。圖（11）就是一種屏蔽線，銅紗網(wǎng)中包裹了三根絕緣導(dǎo)線。屏蔽線的銅紗網(wǎng)就是屏蔽層。

圖（11）

在生產(chǎn)活動中，我們經(jīng)常要用到示波器。示波器的輸入端阻抗很高，通常為兆歐甚至十兆歐。其靈敏度也非常高，普通示波器通?？梢宰龅?mV/div甚至2mV/div。所以示波器的輸入端是非常容易受到電場干擾的。為此示波器的探頭必定使用屏蔽線，如圖（12）。

圖（12）

普通示波器探頭聯(lián)接線外面的銅紗網(wǎng)，一端與示波器BNC插頭的螺母聯(lián)接，另一端與探頭外面包裹的銅套聯(lián)接，這樣就把探頭內(nèi)部的元件全都包在屏蔽之內(nèi)。這些元件通常是一個電阻和一個小可變電容器?？勺冸娙萜饕灿蟹旁贐NC插頭附近的，圖（12）中的探頭就是這樣。普通示波器探頭所使用的屏蔽線，內(nèi)部只有一根導(dǎo)線。

圖（04）中，干擾源S與受干擾設(shè)備R是有公共點的。但是，有些情況我們可能找不到干擾源與受干擾設(shè)備的公共點。往往是受到干擾，但干擾源不是很確定，例如示波器，使用之前并不知道干擾源在哪里。另一種情況是知道此設(shè)備是強烈干擾源，例如開關(guān)電源模塊，但不知道哪個設(shè)備會受到干擾。這種情況下，靜電屏蔽應(yīng)該接到什么地方？

從圖（01）到圖（10）所敘述內(nèi)容，可以知道：

如果你在考慮某設(shè)備可能受到的干擾，靜電屏蔽應(yīng)該接這個設(shè)備的“地”。例如圖（12）所示示波器探頭，其靜電屏蔽層也就是屏蔽線的銅紗網(wǎng)，應(yīng)該接示波器輸入放大器的“地”。但示波器輸入放大器的“地”并不一定是真實的大地，只不過是示波器各電路的公共參考點。同樣，音頻放大器的信號輸入端如果有靜電屏蔽，也應(yīng)該接音頻放大器的“地”。

如果你在考慮某設(shè)備可能干擾其它電子設(shè)備，靜電屏蔽應(yīng)該接真實大地。例如圖（10）所示開關(guān)電源，那是個相當強烈的干擾源。其金屬外殼就應(yīng)該接真實大地。圖中可見端子排右邊有個螺釘，是與金屬外殼聯(lián)接的，金屬外殼應(yīng)該通過此螺釘接大地，如果該開關(guān)電源模塊放置在機架上，至少應(yīng)該接到機架。