COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ

ECRANAREA, TORSADAREA, GARDAREA

Ogruţan Petre, noiembrie 2011

Ecranarea

Măsura ecranării este dată de factorul de ecranare Q

Q=Hi/Ho

Hi este câmpul în interiorul incintei ecranate

Ho este câmpul în exteriorul incintei ecranate

În mod curent se lucrează cu logaritmul inversului factorului de ecranare, adică atenuarea introdusă de ecran:

aE=20 lg 1/Q (dB)

Ecranarea împotriva cuplajelor capacitive

Ecranul, realizat dintr-un material conductor are rolul de a reduce cuplajele capacitive, figura a, b, c, d:

a. între punctele P1 şi P2 nu există ecran, apare capacitatea de cuplaj C

b. un ecran conductor nelegat la masă între cele două puncte micşorează capacitatea de cuplaj la valoarea

, neglijând C4

c. dacă ecranul este legat la masă dispare C4, deci situaţia este mai favorabilă din punct de vedere EMC

d. este mai favorabil ca ecranul să închidă cât mai mult circuitul P2 (perturbat sau perturbator), deoarece C3 devine foarte mic.

P1 P2CC4

C1C2

C3

P1 P2

a b

c d

P1 P2 P1 P2C1

C3

C2

C1 C2

C3

C CC CC Ce

3

1 2

1 2

 Atât pentru micşorarea radiaţiei parazite, cât şi a cuplajului capacitiv, ecranul trebuie realizat din materiale bune conductoare (Cu,Al), cu o grosime mai mare decât adâncimea efectului pelicular (Skin). Deci grosimea ecranului depinde de frecvenţă.

Reguli

Reguli de legare a ecranului.a -ecranul trebuie să închidă cât mai complet circuitul perturbat.b -ecranul să fie legat la masa electronică printr-o legătură cât mai scurtă.c -ecranul să nu aibă alte cuplaje galvanice.e -ecranul se leagă la masa electronică la ambele extremităţi sau la o singură extremitate, în

acest al doilea caz astfel:-la traductor, dacă traductorul are punct de masă împământat obligatoriu,-la amplificator, dacă amplificatorul are masa electronică împământată,-dacă şi traductorul şi amplificatorul au împământări, obligatoriu este nevoie de

separare galvanică pe calea de transmisie a receptorului.

Problema legării ecranului la una dintre extremităţi sau la ambele depinde de calitatea masei electronice.

Reguli

Legarea la o extremitate sau la ambele

Z1 Z2

uE

H

Tensiunea creată de câmpul electric în ecran perturbă tensiunea pe Z2. Tensiunea creată de fluxul magnetic care depinde de curent şi suprafaţa închisă perturbă de asemenea tensiunea pe Z2. În această situaţie ecranul este inutil.

Z1 Z2

uE

H

Tensiunea creat\ăde câmpul electric în ecran se scurge la masă. Tensiunea creată de fluxul magnetic perturbă la fel ca în cazul precedent.

Nici tensiunea creată de E nici cea creată de H nu perturbă circuitul receptor. Dacă distanţa dintre generator şi receptor este mare şi există o diferenţă de potenţial între mase se creează un curent prin ecran care are efecte extrem de perturbatoare.

Z1 Z2

uE

H

Când predomină cuplajele capacitive şi distanţa între generator şi receptor este mică se recomandă legarea ecranului la un singur capăt.

Legarea la o extremitate

Când ecranul se leagă la masa electronică la o singură extremitate astfel:-la traductor, dacă traductorul are punct de masă împământat obligatoriu,-la amplificator, dacă amplificatorul are masa electronică împământată,

Legarea la o extremitate

Când este obligatorie legarea la un singur capăt şi apar cerinţe contradictorii (şi traductorul şi amplificatorul au împământări) se pot folosi ecrane duble.

Regula este ca ecranul interior să se lege la potenţialul cel mai curat din punct de vedere antiperturbativ (cel al traductorului în cazul figurii). Este nevoie de asigurarea că cele două potenţiale ale împământării sunt neperturbante, pentru ca ecranul exterior să nu perturbe ecranul interior. Aspectul de protecţie umană este respectat. Dubla ecranare nu este la fel de favorabilă ca şi o decuplare galvanică.

Ecranarea împotriva cuplajelor inductive

Materialul ecranului trebuie să fie un material magnetic. Pentru ca fluxul creat de firul miez din ecran să fie compensat de fluxul ecranului, trebuie ca traseul de retur să fie asigurat prin ecran.

Din punct de vedere al cuplajelor capacitive, această legătură este defavorabilă. S este o sursă de curent care poate genera perturbaţii de natură inductivă.

Este important ca circuitul perturbator şi cel perturbat să închidă suprafeţe cât mai reduse pentru că tensiunea indusă într-o buclă conductivă este proporţională cu inducţia magnetică şi cu suprafaţa închisă de circuit.

Apărarea împotriva cuplajelor capacitive şi inductive se face cu ecranări multiple: • E1 este un ecran pentru cuplaje capacitive din cupru, aluminiu sau tresă de cupru, legat la masa

electronică• E2 este un ecran pentru cuplaje capacitive legat la împământare• E3 este un ecran din materiale magnetice pentru cuplaje inductive

SE1E2E3

Ecranarea activă

Prin acest procedeu amplificatorul receptor controlează potenţialul ecranului şi îl aduce cât mai aproape de potenţialul semnalului util. Se anulează astfel motivaţia apariţiei unui curent (datorită capacităţilor parazite) între firul activ şi ecran. Prin divizorul rezistiv realizat cu R1 şi R2 şi amplificatorul A1, potenţialul ecranului este adus la o valoare egală cu potenţialul firului activ.

A

A1

R1

R2

vivo

vi

+Vcc

Torsadarea

Torsadarea este înfăşurarea firelor de semnal între ele. Torsadarea are efecte pozitive din punct de vedere EMC:

Astfel se egalizează cuplajele capacitive pentru cele două trasee, şi o recepţie diferenţială va rejecta perturbaţiile cuplate capacitiv. Printr-un efect de ecranare parţială se reduc capacităţile parazite. Din punct de vedere al influenţelor inductive, prin torsadare, câmpul radiat se compensează reciproc, între buclele vecine.

O caracteristică a torsadării este numărul de răsuciri pe metru.Un cablu torsadat, apoi ecranat, este extrem de eficient din punct de vedere al EMCÎn anumite situaţii cablul torsadat poate fi mai eficient decât unul ecranat (la recepţii

diferenţiale). În prezent cablurile torsadate s-au înlocuit pentru lungimi mici cu cablu panglică, cu trasee de masă între cele de semnal.

Gardarea

Pentru amplificarea unor tensiuni mici în prezenţa unor tensiuni de mod comun mari nu se pot aplica metode de separare. Gardarea este o măsură antiperturbativă foarte eficientă ce constă în ecranarea amplificatorului de intrare, fără ca amplificatorul de intrare să fie legat la masă cu o intrare (floating input).

Conectarea unei borne la masă ar duce la apariţia unui curent prin Z2 datorită tensiunii de mod comun UMC. Căderea de tensiune pe Z2 (impedanţa firului de intrare) se adaugă la tensiunea de intrare Ui şi denaturează măsurarea. Dacă borna nu se leagă la masă UMC generează un curent perturbator prin RG, CG şi Z2 (Z2 este de regulă o inductanţă). RG este rezistenţa de izolaţie (109 ohmi) iar CG capacitatea de cuplaj (1000pF). Se pot realiza astfel măsurători cu o atenuare a tensiunii de mod comun de 80dB.

ECRAN

Z1

Z2

Zi

Ui

UMC

RG, CG

AO

Gardarea dublă

O atenuare de 140dB-160dB se poate realiza cu o gardare dublă, aducând un fir suplimentar de la împământarea traductorului, de exemplu prin ecranul cablului de transmisie

ECRAN

Z1

Z2

Zi

Ui

UMC

RG, CG

AO

Ipert MC

RG1, CG1

ECRAN DUBLU

Exemple

La CI analogice BURR BROWN OPA101 şi OPA102 (amplificator operaţional de precizie) la pinul 8 este capsula, de care se leagă garda.

8,GARDA3,+

2,-1

2

3

8

La circuitele aceleiaşi firme, PGA200 şi PGA201(amplificator de instrumentaţie cu control digital) există un pin pentru comanda potenţialului ecranului în mod ecranare activă, (mai este nevoie de un amplificator operaţional conectat ca repetor)

Pin pentru ecranareactivă

Ecranarea la un modem USB

Internal antenna 900/2100 connected @ point A - connection pad is big and robust Coax cable central wire solder to ACoax cable shield solder to body of the connector B

Ecranarea traseelor de tact

Bornă de gardă la aparatura de măsură

Model 2768 is a Precision bridge used for the exact determination of resistance in the 100 MΩ to the 110MΩ Range with an accuracy of 0.01 to 0.05%. Guard circuits are provided to insure stable operation even In highly humid atmospheres. The instrument is housed in a metal case to assure -to operator of excellent shielding.

Cabluri coaxiale ecranate

Cabluri STP ecranate

Materiale pentru ecranare. IntroducereProprietăţile materialelor folosite pentru reducerea poluării electromagnetice trebuie să contribuie la

contracarea influenţelor nedorite ale câmpului electromagnetic. Cerinţele impuse materialelor folosite pentru reducerea perturbaţiilor radiate depind de necesităţile de ecranare. Pot fi considerate ecrane electromagnetice chiar şi împletiturile metalice, respectiv armăturile din fier ale clădirilor dacă cerinţele de ecranare sunt foarte reduse.

Importanţa materialelor plastice conductoare a crescut o dată cu înlocuirea carcaselor metalice ale aparatelor. Materialele plastice conductoare au în componenţa lor adaosuri de materiale conductoare (negru de fum, pulberi metalice, etc.) în cantităţi importante şi sunt adecvate numai anumitor utilizări. Pentru a putea fi utilizate ca ecrane, carcasele din material plastic sunt metalizate în interior cu un strat conductor. Metalizarea se face cu flacără sau plasmă, aplicare de lac conductor, tratament galvanic, vaporizare în vid, etc. La frecvenţe înalte şi la grosimile de ecrane utilizate în practică, efectul de ecranare al unei carcase este în mai mică măsură determinat de materialul ecranului cât de zonele slabe care rezultă din condiţiile funcţionale sau din motive de fabricaţie sau montaj.

Alegerea materialului pentru ecrane trebuie adaptată condiţiilor existente în care funcţionează sistemul electric respectiv. Astfel, adeseori, alegerea materialului ecranului nu este determinată numai de efectul de ecranare propriu-zis, ci şi de alte puncte de vedere, cum ar fi: dacă materialul ecranului serveşte ca înveliş al unei clădiri deja existente, dacă trebuie să formeze o cabină ecranată autoportantă sau dacă există probleme de coroziune, etc. În general, sunt necesare materiale cu conductivitate suficient de mare sau care sunt capabile să creeze câmpuri de reacţie prin influenţă sau prin inducţie.

Elastomeri

Elastomerii (polimeri elastici) conductivi au rolul de etanşare a incintelor din punct de vedere mecanic şi de ecranare electromagnetică din punct de vedere electric. Elastomerii conductivi sunt realizaţi prin dispersia particulelor conductoare în elastomeri, prin inserarea de fire conductoare orientate în elastomeri solizi sau în elastomeri spongioşi sau prin inserarea de reţele metalice conductoare. Aceşti elastomeri se pun între carcasa metalică a unui aparat electric şi capac, asigurând un contact electric suficient pentru a se asigura ecranarea electromagnetică dar şi o etanşare suficientă pentru ca apa să nu poată pătrunde în carcasă.

În figură sunt prezentate câteva exemple de garnituri realizate din elstomeri conductivi (stânga) şi elastomeri siliconici cu fire de monel uniform distribuite pentru a asigura contact electric maxim:

Elastomeri

La temperatură joasă proprietăţile elastice ale elastomerilor se pierd şi elastomerii devin tari. După creşterea temperaturii proprietăţile elastice revin la normal. Temperaturile înalte produc înmuierea elstomerilor. Expunerea prelungită la temperaturi înalte poate produce modificări chimice în structură care sunt ireversibile.

În Military Handbook 695 se arată că timpul de viaţă pentru elastomerii de tip Etylene Propylene Diene este între 5 şi 10 ani iar pentru ceilalţi (Silicon, Fluorsilicone etc. ) este mai mare de 20 de ani.

Compatibilitatea galvanică între conductorul inserat în elastomer şi materialul carcasei este importantă deoarece apa sărată sau umiditatea produc coroziune, cu atât mai rapidă cu cât compatibilitatea galvanică este mai mică.

În figura sunt prezentate două aplicaţii ale garniturilor cu elastomeri conductivi, în stânga la un telefon mobil iar în dreapta la o placă electronică:

Pereţi de ecranare

Folii de elastomeri pentru etanşare şi ecranare

Adezivi

Lipirea elastomerilor coductivi poate fi realizată cu adezivi conductivi, asa cum este adezivul ElectroBond din figura :

Acesta este un adeziv dintr-o singură componentă care se foloseşte la temperatura camerei pentru a lipi elastomerii conductivi de metal. Timpul de lipire este de 30 minute dar stabilitatea maximă este atinsă după o săptămână. Lipitura este flexibilă şi conductivă în gama de temperaturi de la –57 la +177 grade Celsius.

Un adeziv din 2 componente aşa cum este ElectroPoxy poate fi folosit de asemenea. ElectroPoxy foloseşte partucule de argint dispersate în polimer şi poate fi folosit şi la repararea circuitelor integrate

Folii conductive pentru ecranare şi materiale acoperite cu straturi conductive

Cablurile pot fi ecranate cu folii conductive de aluminu pe suport izolator, costul pentru asemenea ecranări fiind redus. Pe o parte a foliei este depus un adeziv care face ca montarea să fie simplă. Eficacitatea ecranării este de 105dB în gama 2MHz-1GHz. Folia de aluminiu are grosimea de 12m iar folia izolantă este dintr-un polimer (PET sau PVC) cu grosimea 25-100m

Un alt material utilizabil la ecranări este format dintr-o spumă poliuretanică cu diferite forme acoperită cu Nichel+Cupru. Rezistenţa de suprafaţă este mai mică de 0,08 iar eficienţa ecranării este mai bună de 60dB în gama 10MHz-10GHz. Soluţia aceasta poate fi folosită şi împotriva descărcărilor electrostatice.

O folie de cupru adezivă cu puritate a cuprului 99,99% prevăzută cu un adeziv conductiv cu praf de Nichel poate fi folosită pentru ecranare. Grosimea foliei de cupru este de 0,035mm.