Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое экранирование, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое экранирование, проблема эмс, экран , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электромагнитная совместимость.
Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) радиоэлектронных средств понимают способность этих средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных помех, не создавая при этом недопустимых помех другим РЭС.
Сущность проблемы электромагнитной совместимости состоит в обеспечении функционирования РЭС в условиях данной ЭМО, не оказывая при этом недопустимого воздействия другие средства. Следовательно, основным направлением решения этой проблемы является снижение уровня радиопомех – основного фактора, ухудшающего условия нормального функционирования РЭС.
В целом, в процессе проектирования объектов радиосвязи электромагнитная совместимость (ЭМС) рассматривается на трех уровнях:
Первый этап решения проблемы ЭМС предполагает всесторонний анализ ЭМО и условий обеспечения ЭМС, основанный на измерениях и моделировании.
Анализ межсистемной ЭМС имеет целью обеспечить отсутствие взаимных радиопомех между радиосредствами каждой конкретной вводимой в действие радиосистемы и радиоэлектронными средствами гражданского и специального назначения.
Анализ внутрисистемной ЭМС проводится, преимущественно, в процессе проектирования и имеет целью обеспечить отсутствие взаимных помех для радиооборудования, применяемого в каждой конкретной совокупности РЭС. Составной частью внутрисистемной ЭМС можно считать и внутриаппратурную ЭМС, в которой анализируются условия и причины возникновения непреднамеренных помех непосредственно внутри функциональных узлов и блоков, образующих РЭС.
Анализ объектовой ЭМС имеет целью обеспечение ЭМС на выбранном объекте и проводится для всех установленных на нем радиосредств. Это особая область анализа условий ЭМС, учитывающая, в частности, ряд факторов, которые не принимались во внимание при анализе межсистемной и внутрисистемной ЭМС:
Второй этап решения проблемы ЭМС заключается в обеспечении условий совместимости. Здесь обычно выделяют технические и организационные мероприятия, способствующие решению этой проблемы.
Технические мероприятия осуществляются обычно на уровне отдельных РЭС и сводятся к улучшению характеристик аппаратуры с точки зрения ЭМС. К ним относятся, в основном, такие мероприятия, как снижение нежелательных излучений передатчиков и повышение помехозащищенности приемников по отношению к непреднамеренным помехам.
Наиболее распространенными из них являются фильтрация, экран ирование , создание специальных схем защиты от помех, увеличение динамического диапазона трактам РЭС и т.д., которые обычно реализуются на стадии разработки.
Организационные мероприятия осуществляются на уровне совокупности РЭС и сводятся к созданию такой структуры рассматриваемой большой радиосистемы, при которой обеспечивается эффективное использование участка спектра, выделенного для данной совокупности РЭС, и удовлетворяются требования с точки зрения качества работы.
К организационным мероприятиям можно отнести вопросы частотно территориального размещения (ЧТР), управления мощностью излучения, временным режимом работы РЭС и т.д.
Экранирование в электронике — это способ защиты электронных устройств и цепей от внешних электромагнитных помех (ЭМП), а также предотвращения излучения собственных помех наружу.
Электрическое или магнитное поле может индуцировать паразитные токи в проводах, мешать работе микросхем, радиомодулей, аудиотракта и т.д. Экранирование создает барьер, который отражает или поглощает эти поля.
Электростатическое экранирование
Защищает от электрических полей.
➜ Используется проводящий материал (медь, алюминий, фольга, металлическая сетка).
➜ Пример: оплетка коаксиального кабеля, фольгированная изоляция вокруг сигнального провода.
Электромагнитное экранирование (ЭМИ-экранирование)
Защищает от переменных электромагнитных полей высокой частоты.
➜ Применяются материалы с высокой проводимостью и малой толщиной.
➜ Используется в радиочастотных устройствах, Wi-Fi модулях, микропроцессорах.
Магнитное экранирование
Защищает от низкочастотных магнитных полей (например, от трансформаторов).
➜ Требуются ферромагнитные материалы: пермаллой, μ-металл, сталь.
➜ Экраны делают многослойными, чтобы «замыкать» магнитные линии внутри.
В аудиоаппаратуре (для снижения фона и наводок).
В радиочастотных устройствах (Wi-Fi, GSM, GPS).
В кабелях (экранированные провода).
В блоках питания и микроконтроллерах (металлические корпуса, экраны на платах).
В медицине (МРТ-камеры полностью экранированы от внешних ЭМП).
Используют металлические корпуса или кожухи.
Применяют экранированные кабели с заземлением экрана с одной стороны (для избежания «петель тока»).
Разводят сигнальные и силовые цепи отдельно.
Добавляют ферритовые кольца и фильтры.
Наносят проводящее покрытие (например, графит или медь) на пластмассовые корпуса.
Для защиты электротехнического оборудования от помех и прочих электромагнитных влияний достаточно эффективной мерой является экранирование. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Согласно ГОСТ 30372-95, экранированием называется способ ослабления электромагнитной помехи с помощью экрана, имеющего высокую электрическую и (или) магнитную проводимость.
В электроэнергетике используются частоты 50 или 60 Гц. Гармоники от них можно принимать во внимание в диапазоне примерно до 1,5 кГц, если речь идет о воздействии на силовое оборудование (о средствах связи будет сказано отдельно). Спектр молнии очень широкий, помехи для радиосвязи наблюдаются вплоть до частоты 30 МГц. Тем не менее, пик спектра удара молнии находится в районе 500 Гц.
На низких частотах пригодна модель, предложенная еще Фарадеем. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию в толще экрана. В результате на поверхности внутри экрана находятся электрические заряды, противоположные по знаку зарядам на внешней поверхности. В итоге поле от этих зарядов компенсирует внешнее электрическое поле.
Экранирование от магнитного поля низкой частоты обусловлено тем, что, при коэффициенте магнитной проницаемости материала экрана много большим 1 и достаточной толщине конструкции силовые линии магнитного поля проходят по экрану, не попадая в пространство, заключенное внутри него.
Совсем не обязательно, чтобы экран был выполнен из сплошного листа без отверстий. В экране могут быть отверстия. Мало того, он может представлять собой клетку из электропроводящего материала. Такой вариант экрана называется «клетка Фарадея». Но при этом должно соблюдаться условие: линейные размеры отверстий или шаг между прутьями сетки по линейным размерам меньше (в идеале — много меньше) длины волны излучения, от которого производится экранирование. Также важен хороший электрический контакт (в идеале — сварка) между прутьями клетки.
Согласно ГОСТ Р 51317.1.2-2007 (МЭК 61000-1-2:2001) «Совместимость технических средств электромагнитная. Методология обеспечения функциональной безопасности технических средств в отношении электромагнитных помех» под низкими частотами применительно к экранированию подразумеваются частоты ниже 9 кГц.
На частотах выше 9 кГц при рассмотрении явления экранирования используется иная модель. Если предельно упростить процессы для облегчения понимания, то экран на высоких частотах работает следующим образом. Под действием внешнего излучения в экране возникают вихревые токи. Эти токи создают электромагнитное поле, компенсирующее внешнее воздействие.
Конструкции экранов
Казалось бы, создать качественный экран с высоким коэффициентом экранирования очень просто — необходимо изготовить замкнутый электрически герметичный контур (например, куб), и тогда легко получить Кэ порядка 100 дБ и более. К сожалению, в реальности это невозможно, так как понадобятся отверстия для ввода кабелей, вентиляции и обслуживания аппаратуры.
Каждое отверстие или щель в экране, сравнимые с 1/20 длины волны, следует учитывать при планировании экрана (рис. 3). Так, для 1 ГГц отверстие диаметром 1,5 мм ухудшит коэффициент экранирования до 40 дБ; 1,5 см — до 20 дБ. При увеличении количества отверстий коэффициент экранирования ухудшится на Кn = 20 logn. Необходимо избегать больших отверстий и щелей в экране.
Много маленьких отверстий лучше, чем одно большое.
Для создания эффективного экрана необходимо:
• подобрать материал, его структуру и толщину в зависимости от составляющей электромагнитного поля, которую требуется экранировать;
• по возможности исключить любые отверстия и щели и любые другие прерывания электрического контакта, по размерам сравнимые с 1/20 длиной волны;
• для вентиляции и ввода кабелей использовать запредельные волноводы;
• для ввода сигналов и питания применять оптические линии связи и проходные фильтры;
• для обеспечения контакта по периметру сборных конструкций использовать проводящие прокладки или пружинные контакты;
• контролировать коэффициент экранирования корпусов, проводя натурные измерения, когда это возможно.
Некоторые типы силовых кабелей имеют экран. Чаще всего это экран представляет собой металлическую ленту, которой обмотана изоляция токопроводящих жил. Также встречаются варианты экрана из толстой проволоки и комбинация толстой проволоки и металлической ленты. Известны конструкции кабелей с экранами из токопроводящей бумаги и токопроводящей резины. Очень редко можно встретить силовые кабели с экраном, представляющим собой оплетку из тонкой проволоки, хотя для сигнальных кабелей такая конструкция весьма распространена.
Экранирование кабелей применяется в следующих основных случаях:
Силовые кабели, прокладываемые в земле и в воде, также часто имеют металлическую броню. Эта броня предназначена для механической защиты кабеля, тем не менее, она обладает экранирующими свойствами. Согласно ПУЭ-7, п. 3.4.11, наличие брони или металлической оболочки обязательно для кабеля, соединяющего вторичную обмотку трансформатора на напряжение 110 кВ и выше, со щитом.
На объектах генерации и высоковольтных подстанциях нашли свое применение комплектные пофазно-экранированные токопроводы. В них токопровод каждой фазы заключен в замкнутый непрерывный экран. При этом экран может быть герметичным, при больших напряжениях в него закачивают элегаз. Экраны подключают в одной точке к контуру заземления объекта.
Главные функции, которые выполняют пофазно-экранированные токоотводы — уменьшение взаимодействия между проводниками при внешних коротких замыканиях, а также устранение нагрева индуцированными токами расположенных поблизости конструкций из металла и железобетона. Другие важные функции экрана — защита токопровода от пыли и влаги, повышение безопасности эксплуатации и обслуживания.
Вопросы экранирования с целью защиты от вторичного воздействия молнии рассмотрены в СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций». Этот документ рекомендует использовать, при наличии такой возможности, в качестве экрана металлическую арматуру здания.
При электрическом соединении элементов арматуры друг с другом объекта получается «клетка Фарадея». Она защищает от электромагнитных воздействий удара молнии оборудование внутри здания. Арматура, согласно инструкции, должна быть соединена с системой молниезащиты здания.
В том случае, когда внутри защищаемого пространства имеются экранированные кабели, их экраны соединяются с системой молниезащиты на обоих концах и на границах зон. При прокладке кабелей между зданиями, если экран кабеля выдерживает ток молнии, дополнительное внешнее экранирование не требуется. Иначе для защиты кабеля рекомендуется размещать его в металлической трубе или экранированном коробе. Внешний экран или собственный экран кабеля на обоих концах соединяют электрически с общими заземляющими шинами зданий.
На понизительных станциях и открытых распределительных устройствах, находящихся под напряжением 300 кВ и выше, уровень электромагнитного излучения от оборудования опасен для обслуживающего персонала. В связи с этим применяются защитные меры в виде металлических сеток, магнитных экранов из материалов с высокой магнитной проницаемостью и т. п. Соответствующие рекомендации приведены в п. 4.2 ПУЭ-7.
В современной электроэнергетике широко применяются разнообразные устройства связи. В частности, цифровизация энергетики без них невозможна.
Электроэнергетическое оборудование и линии электропередач является источником широкополосных помех. Для нормальной работы систем связи, установленных на подстанциях, необходимо обеспечить надежное экранирование слаботочного оборудования. С этой целью аппаратуру связи устанавливают в металлические шкафы, подключенные к общему контуру заземления объекта. Поскольку на работу средств связи могут оказывать влияние даже помехи с длиной волны порядка нескольких сантиметров, конструкция шкафа не должна иметь в себе крупных отверстий. При необходимости контролировать работу оборудования связи через смотровое окно, применяется экранирование окна токопроводящей сеткой, либо установка в окно токопроводящего стекла. Указанные элементы должны иметь электрическое соединение со шкафом.
Экранирование средств связи в электроэнергетике регламентируется семейством стандартов ГОСТ МЭК 6100, а также стандартами организаций. Данное экранирование должно защищать аппаратуру связи от составляющих спектра выше 9 кГц, т. е. относится к категории высокочастотного экранирования. Для высоких частот металлический экран может быть тонким, но важна его высокая проводимость.
Приборы для экранирования
Измерители электромагнитного излучения – позволяют определить уровень помех и эффективность экрана.
Фазоуказатели и индикаторы напряжения – применяются для контроля электрических параметров в экранированных системах.
Указатели последовательности фаз – помогают при настройке оборудования, чтобы исключить сбои из-за ЭМИ.
Приспособления для экранирования
Экранирующие сетки и обои – создают барьер для радиочастотных волн.
Экранирующие чехлы и сумки – защищают мобильные устройства от внешнего излучения.Сумка Фарадея полностью блокирует радиосигналы для защиты гаджетов, а экранирующие электромагнитные штукатурки и краски создают проводящий барьер на стенах, уменьшая проникновение Wi-Fi, 5G и других ЭМ волн
Магнитные экраны – применяются для защиты от низкочастотных магнитных полей.
Экранирующая одежда и ткани – используются в медицине и промышленности для защиты персонала.
Вещества и материалы для экранирования
Экранирующая краска и штукатурка – содержат проводящие наполнители (графит, металлы), создают защитный слой на стенах.Принцип работы: содержат проводящие наполнители (графит, углерод, металлы), создают сплошной барьер на поверхности.Назначение: защита помещений от внешних электромагнитных волн (Wi-Fi, 5G, радиочастоты, высоковольтные линии).
Экранирующая пленка на окна – снижает проникновение радиочастотных волн.
Экранирующие ткани и сетки (например, YSHIELD HNG80) для окон и перегородок
Металлы (медь, алюминий, сталь) – традиционные материалы для корпусов и кабельных экранов.
Композитные материалы – современные покрытия с высоким коэффициентом экранирования (до 49 дБ).
Сравнительная таблица
| Категория | Примеры | Эффективность | Применение |
|---|---|---|---|
| Приборы | Измерители ЭМИ, индикаторы | Контроль и диагностика | Настройка и проверка |
| Приспособления | Сетки, чехлы, одежда | Средняя–высокая | Защита устройств и людей |
| Вещества | Краска, пленка, металлы | Высокая | Стены, окна, корпуса |
Важные моменты и риски
Неправильный выбор материала может снизить эффективность экранирования. Например, краска работает только при сплошном покрытии без зазоров.
Экранирование снижает, но не полностью устраняет ЭМИ – для полной защиты часто комбинируют несколько методов (экраны + фильтры).
Стандарты (Tempest, EMC) определяют минимальные требования к экранированию, особенно в военной и промышленной электронике
Исследование, описанное в статье про экранирование, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое экранирование, проблема эмс, экран и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электромагнитная совместимость
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Электромагнитная совместимость
Термины: Электромагнитная совместимость