技術文章—靜電屏蔽專業解答

網上有網友問開關電源模塊的金屬外殼是否應該接地，還有網友問銅紗網套的屏蔽線應該如何使用。更有網友問如何讓自己的設備有能力抗幹擾。

其實，在中學物理課程中，我們就曾學習過：靜電平衡狀態下，導體內部沒有淨電荷，意思就是說：如果導體上有電荷，電荷都分布在導體表面上。

圖（01） 程守洙《普通物理學》第二冊93頁

在普通物理中，我們又學習過：靜電平衡狀態下，空腔導體外面的帶電體不會影響空腔內部隊電場分布；一個接地的空腔導體，空腔內的帶電體對腔外的物體不會產生影響。如圖（01）。

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

圖（02）

對前一句「靜電平衡狀態下，空腔導體外面的帶電體不會影響空腔內部隊電場分布」，可以用圖（02）來舉例表示。圖（02）空間中原沒有空腔導體，但有一個勻強電場（電力線彼此平行）。然後我們在此空間中放入內部並沒有電荷的一個空腔導體，放入後電場變形，如圖（02）。

在圖（02）中，我們看到：空腔導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。空腔導體上這些電荷的移動，產生了一個新的電場（圖中未畫出）。這個新產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體內部電場為零。

空腔導體內部電場為零，很容易從空腔導體上電荷受力為零得到證明。

當外部電場不是恆定電場而是交變電場時，空腔導體內部電場為零這個結論不復成立，因為空腔導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，空腔導體上電荷的重新分布所需要的時間就可以忽略，空腔導體內部電場為零這個結論依然近似成立。實際上，如果導體殼不是薄到納米數量級，頻率即使高到數十GHz，空腔導體內部電場仍然是非常小的。

圖（02）中下劃藍色線的那一句「一個接地的空腔導體，空腔內的帶電體對腔外的物體不會產生影響」，同樣是僅在靜電場情況下才成立。如果空腔內的帶電體在運動，如圖（03），帶電體在作高速迴轉運動，則帶電體的運動對空腔外有影響，同樣是因為空腔導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，內部帶電體對空腔導體外沒有影響這個結論依然近似成立。但需要注意：此結論僅在空腔導體接地時才成立，若空腔導體未接地，那麼空腔導體內部帶電體仍然會對外部產生影響，即使是在靜電情況下。

圖（03）

電子設備受到的幹擾可以分成電場幹擾、磁場幹擾、電磁場幹擾和傳導幹擾。本帖只談談電場幹擾。

電場幹擾是由於幹擾源和受幹擾電子設備某些電路之間存在分布電容，這些分布電容對初學者來說，因為無形，可能不易分辨。但此分布電容是必定存在的。

圖（04）用兩塊導體板A1和A2表示幹擾源S和受幹擾設備R之間的分布電容，A1可能是幹擾源中一根導線，A2可能是受幹擾設備中電路板上一根導線或一個元件，A1和A2未必有圖（04）中那麼明顯的體積。注意幹擾源S和受幹擾設備R具有公共點。

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

圖（05）那樣的形式，就可以看得很清楚。幹擾信號經電容器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。這正是高頻電場幹擾往往較強的原因。

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

如果我們在A1和A2之間插入一個導體板B，並把B聯接到S和R的公共點。那麼B和A1、A2構成的電路如圖（07）所示。

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

圖（08）中，我們看到：幹擾源S的信號，被電容C1短路到公共點，受幹擾設備R上沒有幹擾源傳來的幹擾信號。

圖（08）只是真實情況的一個近似，實際上B插入後，R上並不是完全沒有幹擾信號。圖（06）中導體板B插入後，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上完全不會受到幹擾，只能用良導體把受幹擾的設備R完全包起來形成空腔導體，這是很難做到的。但是，在A1與B、B與A2之間距離相對於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產生的幹擾也就減小到千分之一數量級。這可以看成A1和A2之間分布電容在B插入後減小到千分之一數量級。

這是靜電屏蔽的一種應用。

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

圖（10）是個開關電源模塊。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，而且模塊一端並未封閉，這個鋁外殼仍然可以起到相當好的靜電屏蔽作用。

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

在生產活動中，我們經常要用到示波器。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，普通示波器通常可以做到5mV／div甚至2mV／div。所以示波器的輸入端是非常容易受到電場幹擾的。為此示波器的探頭必定使用屏蔽線，如圖（12）。

普通示波器探頭聯接線外面的銅紗網，一端與示波器BNC插頭的螺母聯接，另一端與探頭外面包裹的銅套聯接，這樣就把探頭內部的元件全都包在屏蔽之內。這些元件通常是一個電阻和一個小可變電容器。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，內部只有一根導線。

圖（04）中，幹擾源S與受幹擾設備R是有公共點的。但是，有些情況我們可能找不到幹擾源與受幹擾設備的公共點。往往是受到幹擾，但幹擾源不是很確定，例如示波器，使用之前並不知道幹擾源在哪裡。另一種情況是知道此設備是強烈幹擾源，例如開關電源模塊，但不知道哪個設備會受到幹擾。這種情況下，靜電屏蔽應該接到什麼地方？

從圖（01）到圖（10）所敘述內容，可以知道：

如果你在考慮某設備可能受到的幹擾，靜電屏蔽應該接這個設備的「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，應該接示波器輸入放大器的「地」。但示波器輸入放大器的「地」並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，也應該接音頻放大器的「地」。

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