Экранирование для защиты от ЭМП

Тема 7 ЭКРАНИРОВАНИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭМП 7.1. Принцип действия экранов. 7.2. Материалы для изготовления экранов. 7.3. Экранирование приборов и помещений. 7.4. Экраны кабелей 7.1. Принцип действия экранов Экранирование служит для ослабления электрических, магнитных и электромагнитных полей, чтобы исключить проникновение и воздействие этих полей на элементы, блоки, приборы, кабели, помещения и здания, а также для того, чтобы подавить исходящие из электрических и электронных промышленных средств и устройств помехи, обусловленные полями. Экран устанавливается между источником и приемником помех и снижает напряженности Е0, Н0 воздействующего поля до значений E1 H1 за экраном (рис. 7.1). Физически экранирование объясняется наведением на поверхности экрана заряда или индуктированием в нем тока, поле которых накладывается на воздействующее, ослабляя его. Тем самым чувствительный приемник помехи как бы удаляется от источника. На эффективность экранирования оказывают существенное влияние частота поля, электропроводность и магнитная проницаемость материала экрана, конфигурация и размеры экрана. Экранирование характеризуется: - поглощением энергии поля материалом экрана (коэффициент затухания αSA, обусловленный поглощением), - отражением падающей волны (коэффициент затухания αSR, обусловленный отражением). Рисунок 7.1 - Экранирование токовых контуров от внешних электрических и магнитных полей: а - принципиальное расположение контуров 1, 2 и экрана S; б - граница между условиями ближнего (нижняя левая часть) и дальнего (верхняя правая часть) полей. Результирующий коэффициент затухания, дБ, можно определить как a S  20 lg( E0 / E1 ) Или же (7.1) a S  20 lg( H 0 / H1 ) (7.2) Т.е. a S состоит из двух компонентов: a S  a SA  a SR . (7.3) При этом не учитываются многократные отражения от стенок экрана и помещения. Для установления существенных взаимосвязей между этими коэффициентами затухания и характеристиками магнитного поля, а также размерами экрана и свойствами его материала удобно воспользоваться понятием полных сопротивлений по аналогии с распространением волн в электрически длинной двухпроводной линии. В зависимости от расстояния х приемника помехи от источника (рис. 7.1, а) и частоты f в ближней или дальней областях (рис. 7.12, б) для определения коэффициентов затухания a SA и a SR , дБ, пригодны следующие выражения: для магнитного поля в ближней зоне (x с / 2 π f), a SR  168  10 lg(  r /  r )  20 lg( x / xб )  10 lg( f / f б ) , (7.6) а коэффициент поглощения, как для ближней, так и дальней зоне  aSA  (0,1314d / d б )  r  r  f / fб , (7.7) где  r ,  r - относительная магнитная проницаемость материала, его электропроводность, отнесенная к электропроводности меди (  Cu = 5,8 ·107 См/м); fб = 1 Гц - базовая частота; d - толщина экрана, отнесенная к d6 = 1 мм; хб = 1 м. Кроме того, выражения, заключенные в квадратные скобки формул (7.4)-(7.7), характеризуют влияние свойств материала экрана и его толщины на коэффициент затухания, и при f = 1 Гц ординаты функций (7.4)-(7.7) представляют собой значения αSR и αSA. Эффективность экранирующих устройств ориентировочно может быть оценена следующим образом: 1. Если αS не выше 10 дБ, то экранирование, как правило, недостаточно. 2. При 10 < αS < 30 дБ удовлетворяются минимальные требования по экранированию. Принципиально следует иметь в виду, что эффективность экранирования зависит от наличия дефектов и отверстий в стенке экрана (трещин, дверных, вентиляционных и оконных проемов, кабельных вводов и отверстий для элементов обслуживания и сигнализации), а также то, что внутри экранированных объемов могут возникать резонансные эффекты, так как любой корпус прибора с проводящими стенками можно рассматривать как объемный резонатор. 7.2. Материалы для изготовления экранов Для экранирования используют: -немагнитные металлы (чаще всего медь), -ферромагнитные материалы. Экранирующее действие известных немагнитных материалов (  r = 1,  r = 0,6 ÷ 1) происходит из-за магнитных полей, созданных вихревыми токами. При этом: 1. постоянное магнитное поле совсем не экранируется, 2. а низкочастотное переменное ослабляется незначительно. 3. электрические поля такими экранами ослабляются максимально. Экраны из ферромагнитных материалов (  r >>1,  r <1) ослабляют электрические поля в области низких частот хуже, чем экраны из немагнитных, однако, в отличие от последних, они оказывают определенное ослабление постоянных магнитных полей. Экранирующие материалы и устройства, поставляемые в различных формах: 1. пластины и тонкие стальные и медные листы для экранированния корпусов электроустановок и стен помещений; 2.тонкая легкоразрезаемая и деформируемая фольга из мягкомагнитных сплавов с высокой магнитной проницаемостью для электроприборов; 3.металлические ленты и оплетки для кабелей; 4.металлические плетеные шланги для дополнительного экранирования кабелей и кабельных жгутов; 5.металлические сотовые структуры для воздухопроницаемых экранирующих элементов (например, для экранированных кабин); 6.металлические сетки, проводящая прозрачная фольга и стекла с напыленным металлом для окон при комплексном высокочастотном экранировании; 7.наносимые на пластмассовые корпусы распылением серебряные, никелевые или медные покрытия; 8.пластмассовые комбинированные материалы с проводящими добавками (металлическим порошком, нитями, например, из углерода и т.п.) для изготовления экранированных корпусов; 9.тканые материалы со вплетенными нитями из нержавеющей стали для высокочастотной экранирующей одежды (коэффициент затухания достигает 30 дБ в области частот от 100 кГц до 40 ГГц). Здания, массивные строительные сооружения без особых мер защиты ослабляют внешние поля на 6-10 дБ, железобетонные со сваренной стальной арматурой - до 25-30 дБ. Для обеспечения экранирующих свойств корпусов, кабин и помещений часто неизбежные вводы, щели, стыки стен, дверные проемы и другие элементы, прозрачные для высокочастотного излучения, уплотняются. Соответствующие уплотнения должны гарантировать непрерывность вихревых токов, индуктированных полем. Поэтому они должны быть изготовлены из хорошо проводящих и механически формируемых материалов, достаточно устойчивых к функционально обусловленным воздействиям и окружающим условиям, обладать по возможности малым контактным сопротивлением с соприкасающимися металлическими конструктивными элементами. Находят применение и другие уплотняющие материалы и изделия: 1.эластомеры с добавками, обеспечивающими достаточную электропроводность, на основе силанового каучука в виде пластин, кольцевых шнуров, трубок. В качестве наполнителей используют углерод, никелевые или серебряные частицы, посеребренный медный, никелевый или стеклянный порошок, посеребренную алюминиевую пудру; полностью металлические плетеные изделия в форме чулка, круглых или прямоугольных прокладок, двойных прокладок с эластомерным сердечником или без него для уплотнения, например, прикрепляемых болтами крышек, стенок корпуса; 2.проволочные оплетки, пропитанные эластомером, например, уплотнений электрических соединений; 3.пластины из силиконового каучука, содержащие перпендикулярно расположенные к поверхности металлические нити; 4.пружинящие устройства из бериллиевой бронзы для уплотнения дверей; 5.проводящие технологические добавки для улучшения переработки пластмассы и клея. 7.3. Экранирование приборов и помещений Металлические корпусы электронных устройств обеспечивает определенную защиту от проникновения из окружающего пространства в него электромагнитных помех. Однако неизбежные разрезы, швы, отверстия для кабелей и вентиляции сильно снижают их экранирующее воздействие. В корпусах, удовлетворяющих требованиям электромагнитной совместимости, этот недостаток должен быть устранен. Соответствующие конструкции обеспечивают сплошное гальваническое соединение всех стенок прибора, с применением подходящих уплотнений, например проволочных плетеных прокладок. Приборные шкафы имеют непрерывные коррозионно-стойкие контактные поверхности, с которыми по всему периметру дверей соприкасаются пружинные контакты из бериллиевой бронзы, причем специальная система обеспечивает одинаковую силу прижатия пружин пo всему периметру двери. Отвод тепла из шкафов осуществляйся через отверстия или через жалюзи в стенках. Электрические соединения с внешними устройствами осуществляются исключительно при помощи разъемов. Иным образом внутрь шкафа нельзя вводить кабели. При этом коэффициент затухания достигает 40-100 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц. Эффективное экранирование электронных приборов с пластмассовыми корпусами (компьютеров, радиопереговорных устройств, измерительных приборов, мониторов и др.) достигается применением металлических нитей в связующем материале или металлизацией поверхности корпуса. Обеспечение электромагнитной совместимости, создание условий измерений и испытаний приборов без помех, как и аспекты обеспечения надежности данных, требуют электромагнитного экранирования cktle.ob[ помещений: 1. испытательные помещения и лаборатории для средств связи, измерений, автоматизации и техники высоких напряжений; 2. измерительные помещения для научных исследований и службы метрологии; 4. медицинские диагностические и терапевтические кабинеты в больницах; 5. вычислительные центры на промышленных предприятиях, в банках и многих других гражданских и военных организациях. В последнем случае речь идет не только о защите вычислительной техники от помех, но и о том, чтобы ограничить распространение компрометирующего электромагнитного излучения и тем самым исключить возможность подслушивания секретной информации. Современные экранирующие устройства помещений выполняются по модульному принципу. При этом техническая задача состоит в том, чтобы для всего защищаемого помещения создать однородную проводящую отражающую электромагнитное излучение оболочку, для этого необходимо устанавливать: -экранирующие модули для стен и потолков (стальные листы, стальная и медная фольга для болтового или сварного соединения); -двери, ворота и тамбуры с высокочастотным уплотнением; -внутренние и внешние окна помещений с демпфирующими высокочастотными свойствами ; емпфер (глушитель, от dämpfen — заглушать) — устройство для гашения (демпфирования) колебаний или предотвращения механических колебаний, возникающих в машинах и приборах при их работе. -сотовые каминные элементы для каналов кондиционирования воздуха; -полые вводы для световодов; -электрические фильтры для системы электрообеспечения, -линий передачи данных, коммуникаций и управления, предотвращающие как поступление, так и выход помех, обусловленных гальванической связью. По условиям обеспечения безопасности (защиты от напряжения прикосновения) корпусы приборов и экраны помещений заземляются в определенных точках. 7.4. Экраны кабелей Кабельные экраны предназначены для снижения влияния напряжений помех на кабели и излучений помех кабелями и проводами, а также для того, чтобы обеспечить развязку помехосодержащих и чувствительных к помехам проводов при их прокладке в общих кабельных трассах, каналах или жгутах, если это необходимо по каким-либо внешним условиям. Кабельные экраны из хорошо проводящих материалов (медные или алюминиевые оплетки) позволяют ослабить эти напряжения, однако при этом существенную роль играет заземление экрана (рис.7.2). Если затухание в одном экране недостаточно, используют два экрана, наложенные друг на друга и изолированные один от другого. При двустороннем заземлении (рис. 7.2, г) продольное напряжение, U l  I Z Ka Z Ka Z Ki  Z Ki  jL (7.8) а при одностороннем заземлении (рис. 7.2, д) U l  I Z Ka Z Ka Z Ki  Z Ki  1 / jL (7.9) В этих уравнениях L представляет собой индуктивность соединеия, а С - емкость между экранами, ZKa и ZKi - комплексные полные сопротивления внутреннего и внешнего экранов соответственно. При высоких частотах ( jL  Z Ka  Z Ki имеет место значительно лучшее экранирование, чем при одном экране. При одностороннем заземлении внутреннего экрана картина обратная. Рисунок 7.2 -. Воздействие экранов кабелей: а - неэкранированный кабель; б - одностороннее заземление экрана; в двустороннее заземление экрана; г - кабель с двойным экраном и двусторонним заземлением внутреннего экрана; д - кабель с двойным экраном и односторонним заземлением внутреннего экрана При использовании кабельных экранов, необходимо соблюдать следующие правила: 1.обычные экраны и внешние оболочки двойных экранов должны иметь на обоих концах хорошие контакты с корпусами приборов; 2.внутренний экран в зависимости от частоты поля помехи следует заземлять с одной стороны или с обеих сторон; 3.внешний экран нельзя вводить внутрь прибора или там заземлять, так как при этом могут частично утрачиваться экранирующие свойства корпуса Вывод: экранирование кабелей служит и для того, чтобы снизить влияние разности потенциалов между точками заземления корпусов приборов, связанных кабелями.