Ekranowanie aparatury elektronicznej

Ekranowaniu mogą podlegać zarówno elementy, układy, kompletne urządzenia jak i linie transmisyjne. W niniejszym tekście przedstawione zostały techniki ekranowania całych bloków i kompletnych urządzeń elektronicznych.

Ekran metaliczny stosowany jest do zmniejszenia stopnia przenoszenia pól elektrycznych i magnetycznych z jednego do drugiego obszaru. Ekran może obejmować zarówno źródło zakłóceń (dla zapobieżenia zakłócania urządzeń zewnętrznych) jak i urządzenie chronione (dla zapobieżenia przenikania do niego zakłóceń).

Właściwości pola elektromagnetycznego określone są przez rodzaj generującego go źródła, otaczającego ośrodka oraz odległości pomiędzy źródłem, a rozpatrywanym punktem (dla punktów bliskich źródła, właściwości pola są określone głównie przez rodzaj źródła; dla punktów odległych od źródła główną rolę gra ośrodek propagacji pola elektromagnetycznego). Można zatem z grubsza podzielić przestrzeń oddziaływania zakłócającego pola elektromagnetycznego na następujące obszary (pola):

• pole bliskie, zwane także indukcyjnym (jeśli odległość jest mniejsza niż λ/2π),

• pole dalekie, zwane także polem promieniowania (odległość jest większa niż λ/2π),

• obszar przejściowy, obszar w pobliżu λ/2π. Pole bliskie może ponadto mieć charakter pola elektrycznego lub magnetycznego.

Dla częstotliwości poniżej 1MHz większość sprzężeń wywołana jest przez pola bliskie (dla tej częstotliwości pole bliskie rozciąga się na odległość do 50m), a dla częstotliwości bardzo niskich pola bliskie rozciągają się na duże odległości (np. dla 30 kHz aż do 1,6km). Dlatego też problemy dotyczące zakłóceń wewnątrz urządzeń elektronicznych powinny być rozpatrywane jako związane z polami bliskimi. W polu takim składowe: elektryczna i magnetyczna powinny być rozpatrywane odrębnie z uwagi na fakt, że stosunek natężeń tych dwóch składowych nie jest stały. W polu dalekim tworzą one natomiast falę płaską i mogą być rozpatrywane łącznie.

Ekrany charakteryzuje się także poprzez:

• impedancję ekranu Z_s - dla przewodników impedancja ekranu Z_s jest równa:

gdzie: μ_r - względna przenikalność magnetyczna ośrodka, σ_r - konduktywność ośrodka, f-częstotliwość pracy,

• skuteczność ekranowania S - jest ona określona jako stopień zmniejszenia natężenia pola magnetycznego lub elektrycznego. Zazwyczaj jest ona podawana w decybelach (dB), ponieważ w łatwy sposób (poprzez dodawanie) można określić sumaryczne tłumienie zakłóceń podczas jednoczesnego stosowania kilku ekranów). Skuteczność ekranowania zależy min. od:

  • częstotliwości,

  • struktury geometrycznej ekranu,

  • rodzaju ekranowanego pola,

  • kierunku padania pola i jego polaryzacji.

Dla fali elektromagnetycznej padającej na powierzchnię metaliczną występują dwojakiego rodzaju straty. Pierwszy rodzaj strat jest związany ze zjawiskiem odbicia fali od powierzchni - straty odbicia, drugi natomiast z tłumieniem fali podczas przechodzenia przez ekran - straty pochłaniania. Straty pochłaniania są takie same zarówno dla pola bliskiego jak i dalekiego. Straty odbicia zależą natomiast od rodzaju pola (pole elektryczne albo pole magnetyczne). Całkowita skuteczność ekranowania jest równa sumie strat odbicia i strat pochłaniania.

Straty pochłaniania
Amplituda fala elektromagnetycznej przechodzącej przez ośrodek ulega eksponencjalnemu tłumieniu, związane jest to z występowaniem strat w otoczeniu i powstawaniu indukowanych w nim prądów. Tłumienie to określa się przez podanie tzw. głębokości wnikania δ, określanej jako odległość potrzebną do stłumienia pola do 37% jej pierwotnej wartości. Zatem im mniejsza jest głębokość wnikania, tym lepszymi właściwościami ekranującymi wykazuje się dany materiał. Niektóre wartości głębokości wnikania dla miedzi, aluminium i stali, dla różnych częstotliwości zostały zaprezentowane w tabeli.

Częstotliwość	dla miedzi [cm]	ale aluminium [cm]	dla stali [cm]
50Hz	0,85	1,09	0,086
100Hz	0,66	0,846	0,066
1kHz	0,208	0,266	0,02
10kHz	0,066	0,084	0,0075
100kHz	0,02	0,028	0,002
1MHz	0,0075	0,0075	0,0075
10MHz	0,002	0,0025	0,0002

Straty pochłaniania w ekranie o grubości x centymetrów są równe:

W ekranie o grubości równej głębokości wnikania wynoszą one w przybliżeniu 9 dB. Tak więc podwojenie grubości ekranu podwaja straty (w mierze decybelowej) i straty te są proporcjonalne do grubości ekranu i odwrotnie proporcjonalne do głębokości wnikania ośrodka z którego zrobiony jest ekran. Zależność wielkości strat pochłaniania od częstotliwości dla różnych materiałów przedstawia rysunek:

Można zaobserwować, że cienka blacha miedziana o grubości 0,51 mm wprowadza znaczne straty pochłaniania dla dużych częstotliwości, a wprowadza bardzo małe straty dla małych częstotliwości (poniżej 1 kHz). Dla tak niskich częstotliwości znacznie lepiej zachowuje się stal, jednakże dla skutecznego tłumienia ekran z blachy stalowej musi być gruby.

Straty odbicia Fala elektromagnetyczna padając na granicę dwóch różnych ośrodków ulega odbiciu. Jest to drugi rodzaj strat wprowadzanych przez ekrany. Jeśli ekran jest zrobiony z metalu, największe odbicie zachodzi w przypadku pól elektrycznych dla fali padającej na ekran oraz w przypadku pola magnetycznego dla fali opuszczającej ekran. Ponieważ dla pól elektrycznych największe odbicie zachodzi na pierwszej powierzchni, zatem nawet bardzo cienkie materiały wprowadzają duże straty odbicia. Jednakże dla pól magnetycznych główne straty odbicia zachodzą na drugiej powierzchni i wielokrotne odbicia wewnątrz ekranu (dla cienkich ekranów) zmniejszają skuteczność ekranowania.

Dla fali płaskiej (pole dalekie) straty odbicia są równe:

Straty odbicia zwiększają się wraz ze zmniejszaniem się impedancji ekranu. Dlatego też należy stosować materiały o dużej konduktywności i małej przenikalności magnetycznej (miedź, aluminium). Rysunek poniżej ilustruje zależność strat odbicia od częstotliwości dla różnych materiałów.

Całkowite straty w polu dalekim są sumą strat odbicia i pochłaniania. Na rysunku poniżej przedstawiono graficznie całkowitą skuteczność ekranowania na przykładzie ekranu z blachy miedzianej o grubości 0,5mm.

Wynika z niego, że straty odbicia maleją ze wzrostem częstotliwości (gdyż impedancja ekranu wzrasta z częstotliwością), wraz ze wzrostem częstotliwości wzrastają straty pochłaniania (zmniejsza się głębokość wnikania) i wreszcie minimalna, wypadkowa skuteczność ekranu zachodzi dla częstotliwości pośrednich (kilka-kilkanaście kHz).

Dla pola bliskiego należy rozpatrywać odrębnie składowe: elektryczną i magnetyczną. Ponieważ straty odbicia zależą od wielkości wartości impedancji ekranu, zatem pole elektryczne ma większe straty odbicia niż fala płaska, natomiast pole magnetyczne ma mniejsze straty odbicia niż fala płaska. Zostało to przedstawione na rysunku:

Straty odbicia dla pola elektrycznego maleją z częstotliwością i dla odległości od źródła równej λ/2π są takie same jak dla fali płaskiej. Natomiast straty odbicia dla pola magnetycznego wzrastają z częstotliwością i dla odległości od źródła równej λ/2π zaczynają maleć tak samo jak dla fali płaskiej. Zatem straty odbicia są podstawowym mechanizmem ekranowania dla pola elektrycznego, natomiast podstawowym źródłem strat dla pól magnetycznych małych częstotliwości są straty pochłaniania.

Ekranowanie pola magnetycznego
Jeśli ekran jest zrobiony z materiału magnetycznego (zamiast dobrego przewodnika), to:

• wzrastają straty pochłaniania,

• maleją straty odbicia (wzrasta impedancja ekranu Zs).

Dla pól magnetycznych małych częstotliwości (np. 50Hz) występują bardzo małe odbicia, a podstawowy mechanizm ekranowania stanowią straty pochłaniania. Stosowanie zatem materiału magnetycznego na ekran jest niewątpliwą zaletą. Dla pól elektrycznych małej częstotliwości (także dla fal płaskich) podstawowym mechanizmem ekranowania jest odbicie i dlatego też materiał magnetyczny jako ekran mógłby zmniejszyć skuteczność ekranowania. Przy stosowaniu materiałów magnetycznych należy mieć na uwadze następujące właściwości:

• przenikalność magnetyczna zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości,

• przenikalność magnetyczna zależy od natężenia pola, dla dużych wartości przenikalność ta jest niewielka (z uwagi na nasycanie się materiału magnetycznego,

• obróbka mechaniczna materiału magnetycznego może zmienić jego właściwości magnetyczne.

Ogólnie, im większa jest przenikalność magnetyczna, tym szybciej nasyca się materiał (dla mniejszych natężeń pola). Dlatego też w celu uniknięcia zjawiska nasycania wykorzystywane są ekrany magnetyczne wielowarstwowe (pierwszy ekran charakteryzuje się małą wartością przenikalności magnetycznej i w rezultacie wysokim poziomem nasycania, natomiast drugi ekran charakteryzuje się dużą wartością przenikalności magnetycznej i w rezultacie wysoką skutecznością ekranowania). Ilustruje to rysunek:

Nieszczelności ekranu
W praktyce większość ekranów nie jest idealnie szczelna występują bowiem różnorakie otwory: na przeprowadzenie przewodów, otwory wentylacyjne, połączenia, pokrywy. Występowanie tego rodzaju niejednorodności w ekranie znacznie obniża skuteczność ekranu. Nieszczelności w ekranie mają z reguły większy wpływ na przenikanie pola magnetycznego niż pola elektrycznego. Stopień przenikania zależy w głównej mierze od następujących czynników:

• maksymalnych rozmiarów otworu (nie powierzchni, dlatego też zespół małych otworów ma mniejszy wpływ na skuteczność ekranowania niż pojedynczy, podłużny otwór o równoważnej powierzchni),

• częstotliwości źródła zakłócającego,

• impedancji falowej.

Pojedyncze otworyPrzy stosowaniu otworów w ekranie, można powiększyć tłumienie poprzez specjalne ukształtowanie otworu w odcinek falowodu. Przedstawione to zostało na rysunku:

Falowód tak ukształtowany charakteryzuje się pewną częstotliwością graniczną, poniżej której zachowuje się jak tłumik. Wielkość tłumienia zależy od długości x falowodu. Częstotliwość graniczna wynosi (dla falowodu kołowego):

gdzie: d - średnica (w cm).

Jeśli rozpatrywana częstotliwość pracy jest dużo mniejsza od częstotliwości granicznej, to skuteczność ekranowania pola magnetycznego jest równa:

gdzie: d - średnica, x - długość falowodu.

Maksymalną skuteczność ekranowania zapewniają połączenia spawane lub lutowane. Mniej skuteczne są połączenia nitowe i śrubowe. Stosując je jednak należy dążyć do utrzymania ciągłości elektrycznej - śruby skręcane jak najściślej. Można też stosować przewodzące uszczelki przeciwzakłóceniowe o częstotliwościach roboczych od kilku kHz aż do dziesiątek GHz. Najprostszym przykładem takiej uszczelki jest oplot druciany dociskany w szczelinie ekranu.

Wskazówki praktyczne

• straty odbicia są bardzo duże dla składowej elektrycznej i fal płaskich, natomiast zazwyczaj małe dla składowej magnetycznej o małej częstotliwości,

• ekran o grubości równej głębokości wnikania wprowadza straty pochłaniania około 9dB,

• znacznie trudniej jest ekranować pole magnetyczne niż pole elektryczne,

• jako ekran przeciwko polom magnetycznym małej częstotliwości najlepiej stosować materiał magnetyczny,

• jako ekran przeciwko polom elektrycznym, falom płaskim i polom magnetycznym dużej częstotliwości najlepiej stosować dobry przewodnik,

• duże znaczenie ma przenikanie pola na otworach i połączeniach co rzutuje na wypadkową skuteczność ekranowania,

• wielkość upływności określa maksymalny gabaryt (a nie powierzchnia) otworu,

• lepiej jest stosować dużą liczbę małych otworów niż większy otwór o równoważnej powierzchni całkowitej.

Literatura:
"Elektronik" Grudzień 1997