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(shí)，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(cè) 93 頁(yè)

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(huì)影響空腔內(nèi)部隊(duì)電場(chǎng)分布；一個(gè)接地的空腔導(dǎo)體，空腔內(nèi)的帶電體對(duì)腔外的物體不會(huì)產(chǎn)生影響。如圖(01)。

這種使導(dǎo)體空腔內(nèi)的電場(chǎng)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(duì)外界的影響隔絕的現(xiàn)像，稱為靜電屏蔽。

圖(02)

對(duì)前一句“靜電平衡狀態(tài)下，空腔導(dǎo)體外面的帶電體不會(huì)影響空腔內(nèi)部隊(duì)電場(chǎng)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(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)(電力線彼此平行)。然后我們?cè)诖丝臻g中放入內(nèi)部并沒有電荷的一個(gè)空腔導(dǎo)體，放入后電場(chǎng)變形，如圖(02)。

在圖(02)中，我們看到：空腔導(dǎo)體外面的電場(chǎng)不再是個(gè)勻強(qiáng)場(chǎng)，電場(chǎng)變了形。

電場(chǎng)變形，是因?yàn)橥獠侩妶?chǎng)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(chǎng)力為止，如圖中紅色和藍(lán)色符號(hào)所示?？涨粚?dǎo)體上這些電荷的移動(dòng)，產(chǎn)生了一個(gè)新的電場(chǎng)(圖中未畫出)。這個(gè)新產(chǎn)生的電場(chǎng)和原有的勻強(qiáng)電場(chǎng)疊加，一方面使得原有的勻強(qiáng)電場(chǎng)變形，另一方面使得空腔導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零。

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

當(dāng)外部電場(chǎng)不是恒定電場(chǎng)而是交變電場(chǎng)時(shí)，空腔導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零這個(gè)結(jié)論不復(fù)成立，因?yàn)榭涨粚?dǎo)體殼上電荷的重新分布需要時(shí)間，不可能立即達(dá)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(shí)間就可以忽略，空腔導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零這個(gè)結(jié)論依然近似成立。實(shí)際上，如果導(dǎo)體殼不是薄到納米數(shù)量級(jí)，頻率即使高到數(shù)十 GHz，空腔導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)仍然是非常小的。

圖(02)中下劃藍(lán)色線的那一句“一個(gè)接地的空腔導(dǎo)體，空腔內(nèi)的帶電體對(duì)腔外的物體不會(huì)產(chǎn)生影響”，同樣是僅在靜電場(chǎng)情況下才成立。如果空腔內(nèi)的帶電體在運(yùn)動(dòng)，如圖(03)，帶電體在作高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則帶電體的運(yùn)動(dòng)對(duì)空腔外有影響，同樣是因?yàn)榭涨粚?dǎo)體上的電荷重新分布需要時(shí)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(duì)空腔導(dǎo)體外沒有影響這個(gè)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(shí)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(huì)對(duì)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(chǎng)干擾、磁場(chǎng)干擾、電磁場(chǎng)干擾和傳導(dǎo)干擾。本帖只談?wù)勲妶?chǎng)干擾。

電場(chǎng)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(duì)初學(xué)者來說，因?yàn)闊o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(gè)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(diǎn)。

圖(04)

很明顯，A1 和 A2 構(gòu)成一個(gè)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(hào)經(jīng)電容器 C 和電阻 R 分壓，R 上分得 S 信號(hào)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(duì)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(chǎng)干擾往往較強(qiáng)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(chǎng)干擾。是不是這樣呢？確實(shí)是這樣的。電子設(shè)備輸入阻抗越低，越不容易受到電場(chǎng)干擾。但是，低阻抗設(shè)備可能更容易受到磁場(chǎng)干擾。這是我們?cè)谏a(chǎn)中需要注意的。

圖(06)

如果我們?cè)?A1 和 A2 之間插入一個(gè)導(dǎo)體板 B，并把 B 聯(lián)接到 S 和 R 的公共點(diǎn)。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(hào)，被電容 C1 短路到公共點(diǎn)，受干擾設(shè)備 R 上沒有干擾源傳來的干擾信號(hào)。

圖(08)

圖(08)只是真實(shí)情況的一個(gè)近似，實(shí)際上 B 插入后，R 上并不是完全沒有干擾信號(hào)。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(huì)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(duì)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(jí)。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(jí)。

這是靜電屏蔽的一種應(yīng)用。

其實(shí)，B 不一定是實(shí)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(gè)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(gè)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(gè)鋁外殼仍然可以起到相當(dāng)好的靜電屏蔽作用。

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(dāng)中的導(dǎo)線數(shù)有多有少，最少當(dāng)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。

在生產(chǎn)活動(dòng)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?5mV/div 甚至 2mV/div。所以示波器的輸入端是非常容易受到電場(chǎng)干擾的。為此示波器的探頭必定使用屏蔽線，如圖(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(gè)電阻和一個(gè)小可變電容器。可變電容器也有放在 BNC 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(diǎn)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(diǎn)。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(qiáng)烈干擾源，例如開關(guān)電源模塊，但不知道哪個(gè)設(shè)備會(huì)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(gè)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(shí)的大地，只不過是示波器各電路的公共參考點(diǎn)。同樣，音頻放大器的信號(hào)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(shí)大地。例如圖(10)所示開關(guān)電源，那是個(gè)相當(dāng)強(qiáng)烈的干擾源。其金屬外殼就應(yīng)該接真實(shí)大地。圖中可見端子排右邊有個(gè)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(jī)架上，至少應(yīng)該接到機(jī)架。