Compatibilitatea electromagnetica
CORBU EUGEN AFCSMM I, 2010 - 2011
INTRODUCERE IN COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA
Compatibilitatea electromagnetica este un domeniu de mare actualitate, fiind impusa de dezvoltarea electronicii, a electrotehnicii neliniare, extinderea si diversificarea retelelor de comunicatii si transmisii de date, cresterea gradului de interconectare in cadrul retelelor energetice de alta natura. Toate acestea au condus la cresterea gradului de poluare electromagnetica atat in mediul inconjurator, cat si in cadrul tuturor retelelor energetice, de comunicatii sau de alta natura. Poluarea electromagnetica determina o serie de fenomene nedorite: - folosirea necorespunzatoare a spectrului de ra dio-frecvente; dio-frecvente; - disfunctionalitati pt echipamentele electrice, electr onice si de radio; - efecte negative asupra tesutur ilor umane; - aprinderea unor substante inflamabile. Ideea de compatibilitate electromagnetica isi are originea in procesul de influentare sau interferenta din tehnica radio, in sensul ca daca un receptor radio, acordat pe frecventa unui emitator radio, receptioneaza si un alt emitator, se asista la un fenomen de interferenta. Def.1: Compatibilitatea electromagnetica (CEM) reprezinta capacitatea echipamentelor electrice, electronice si de radio de a coexista, in sensul de a nu emite niveluri inacceptabile de perturbatii electromagnetice si de a nu reactiona imprevizibil la emisia altor sisteme din mediul lor ambiental in care lucreaza. Def. 2: Compatibilitatea electromagnetica reprezinta capacitatea unui echipament electric sau electronic de a functiona normal intr-un mediu de campuri electromagnetice, fara a influenta acest mediu in care se afla s i alte echipamente. Un dispozitiv electric se considera compatibil daca in calitate de emitator produce emisii tolerabile, iar in calitate de receptor poseda imunitate, respectiv rezistenta la perturbatii suficienta. Initial normativele de CEM urmareau cu precadere radioreceptiei, extinzandu-se apoi si in ceea ce priveste asigurarea imunitatii produselor. produselor. Cursul de compatibilitate electromagnetica va fi axat pe ur matoarele teme: un semnal util este interferat de catre un semnal Procesele fizice prin care un perturbator perturbator (galvanic, inductiv, prin radiatie radiatie electromagn electr omagnetica); etica); tehnice prin care care se realizeaza decuplarea semnalelor de interferenta Mijloacele tehnice (filtre, ecrane metalice, transmisia opto-electrica); Tehnica de masurare a nivelului si formei semnalelor perturbatoare emise (baza materiala necesara e foarte scumpa); s cumpa); Tehnica de testare a imunitatii unui echipament electric sau electronic la un nivel de semnal perturbator in conformitate cu recomandarile din normativele internationale. In cadrul transferului de semnal de la emitator la receptor sunt esentiale urmatoarele aspecte: - producerea proceselor fizice prin care ar e loc influentarea semnalului util; - mijloacele tehnice de masurare a influentarii. Influentarea sau interferenta se resimte la receptor, in sensul ca energia electromagnetica, provenind din alte emitatoare decat emitatorul pt care receptorul este pregatit, modifica sau interfereaza semnalul util. Influentarea sau interferenta s emnalului util se produce prin intermediul unor cuplaje: - galvanice
- inductive - capacitive - de radiatie electromagnetica. Din punct de vedere al compatibilitatii electromagnetice, exista emitatoare de perturbatii electromagnetice si receptoare de perturbatii electromagnetice. Emitatoare se considera: - lampile cu descarcari in gaze, in faza aprinderii; - sistemul ³DELCO´ de aprindere la autovehicule; - sistemele de emisie radio, TV, radar; - exploziile nucleare; - descarcarile atmosferice intre nori sau intre nor si pa mant; - motoarele electrice cu colector. Receptoare se considera: - sistemele de automatizare cu semiconductoare, care pot receptiona semnale false; - sistemele de receptie a informatiilor (telefonice, televizate, radar); - sistemele de masurare electrica a marimilor electrice si neelectrice (oscil oscoape, etc.); - retelele de calculatoare; - microscopul electronic.
Fig. 1 Cuplaje de interferenta. Element perturbator (emitator)
Obs: Unele echipamente pot fi considerate atat emitatoare cat si receptoare. Un sistem format dintr-o sursa si un receptor poate suferi interferente cumulate (cuplaj galvanic, cuplaj inductiv, cuplaj capacitiv, etc.). Semnalul de interferenta se mai poate numi ³zgomot electromagnetic´ deoarece prezenta lui deformeaza informatia utila transmisa de la sursa la receptor si o face mai putin clara. In absenta unor masuri tehnice adecvate, nivelul zgomotului in domeniul transmiterii informatiei poate atinge acelasi ordin de marime cu nivelul semnalului util. Mecanism de cuplaj
Element perturbat (receptor)
Fig. 2 Model de interferenta. Nivelul de referinta al zgomotului electromagnetic se considera nivelul zgomotului galactic. Nivelul semnalului util se masoara in raport cu nivelul de referinta si in mod normal se situeaza deasupra nivelului interferentei functionale.
Nivelul de prag al zgomotului corespunde situatiei in care nivelul interferentei functionale este identic cu ni velul semnalului util. O diminuare in continuare a s emnalului util este perceputa la receptor ca zgomot. Nivelurile de semnal util si de zgomot mentionate sunt valabile numai pt o banda ingusta de frecventa ( f , in jurul unei frecvente centrale, fc si numai la un moment dat. Masurarea nivelurilor de semnal util si de zgomot se poate face in mod absolut. Distanta dintre nivelul semnalului util si nivelul zgomotului functional se masoara in decibeli (dB). Interferente de mod diferential si de mod comun
In cazul in car e semnalul util este transferat de la sursa la r eceptor prin intermediul conductoarelor electrice, pot aparea interferente sub forma unor curenti de conductie. Functie de modul de intrare al acestor curenti prin bornele receptorului exista: - interferente de mod diferential; - interferente de mod comun. Interferente de mod diferential - apar atunci cand curentul de interferenta intra printr-o borna a receptorului si iese prin borna cealalta.
Fig. 3 Masurarea unui curent intens cu ajutorul unui sunt . Prezenta unui conductor parcurs de curentul i 2 variabil in timp produce prin inductie electromagnetica o tensiune de interferenta, ce determina un curent care intra printr-o borna a receptorului si iese prin cealalta. Curentul I2 are un continut propriu de armonice, deci si curentul de interferenta, care circula in bucla de masurare, ar e acelasi continut de armonice. Armonica de ordin ³n´ a curentului de interferenta va fi: Idn !
Udn Rs Rdn Rr
,
unde: Udn ± este armonica de ordin ³n´ a t ensiunii de interferenta indusa; Rs,Rr ± rezistenta electrica a suntului, respectiv a receptor ului; Zdn ± impedanta transformatorica raportata la secundar. La bornele receptorului, intre bornele A si B, exista simultan atat tensiuni de semnal util cat si de interferenta.
Umr ! Rs Im Udnr !
Udn Rr Rs Rr Rdn
! Idn Rr
Interferente de mod comun In acest caz curentul de interferenta intra prin ambele borne ale receptorului si se inchide prin capacitati parazite.
Fig. 4 Ali entarea cu energie el a unui receptor electric sau electronic . Sursa este un transformator cu neutrul conectat la pamant. Receptorul are carcasa metalica conectata la pamant. In cordonul de alimentare al receptorului cele 2 conductoare electrice se afla practic in aceeasi pozitie si distanta fata de pa mant. Curentul variabil determina curenti de interferenta orientati in acelasi sens in cele 2 conductoare ale cordonului de alimentare a receptorului. Inchiderea curentilor de interferenta se face prin capacitatile parasite, prin pamant si prin neutrul transformatorului. Interferenta este importanta daca valoarea curentului este mare, iar frecventa armonicelor este de ordin superior. Neutralizarea efectului radiatiei electromagnetice se realizeaza cu ajutorul filtrelor, ecranelor si a spatiilor ecra nate.
FILTRE ELECTRICE
Filtrele electrice au rolul de a atenua interferentele de conductie, care altfel ar fi introduse in echipamentul electric sau electronic prin conductoarele de legatura intre sursa si echipament, sau prin linia electrica de alimentare a echipamentului. Din punct de vedere al rolului functional, in te hnica CEM filtrele se clasifica in: - filtre pentru semnalul util; - filtre de retea. Din punct de vedere al caracteristicii de frec venta, filtrele se clasifica in: - filtre trece-jos; - filtre trece-sus - filtre trece-banda - filtre cu banda de rejectie.
Fig. 5 Pozitia filtrului de se nal util si a celui de retea. Criteriul de baza in clasificarea filtrelor dupa caracteristica de frecventa il constituie atenuarea de -3 dB. Obs: Parametrii specifici filtrelor electrice sunt ate nuarea si defazajul. Atenuarea este raportul intre marimea de intrare si marimea de iesire (puteri, tensiuni sau curenti). Defazajul este unghiul dintre marimea de intrare si cea de iesire (tensiuni sau curenti sinusoidali). Atenuarea se poate exprima astfel: ¨ P ¸ 1 ¨ P ¸ a ! ln ©© 1 ¹¹, [ Np ] ; a ! 10 log©© 1 ¹¹, [dB ] 2 ª P 2 º ª P 2 º ¨ ¸ ¨ ¸ a ! ln©© 1 ¹¹, [ Np ] ; a ! 20 log©© 1 ¹¹, [dB] ª 2 º ª 2 º ¨ I 1 ¸ ¹¹, [ Np ] ; ª I 2 º
a ! ln©©
¨ I 1 ¸ ¹¹, [ dB] ª I 2 º
a ! 20 log©©
Filtrele atenueaza transmiterea perturbatiilor prin conductie. Utilizarea lor fara probleme presupune ca, pe cat posibil, componentele spectrale ale semnalului util sunt separate de componentele spectrale ale perturbatiilor. Printr-o alegere corespunzatoare a frecventelor de taiere si a pantei flancurilor functiilor de transfer ale filtrelor se obtine o atenuare selectiva a perturbatiilor, fara o infuenta importanta asupra semnalului util. Componentele pasive ale filtrelor formeaza, impreuna cu impedantele surselor si ale receptoarelor, divizoare de tensiune al caror raport de divizare, dependent de frecventa, reprezinta ³atenuarea reala a filtrului´. Deoarece o impedanta interna redusa a sursei de pertubatii de inalta frecventa nu permite o divizare importanta a tensiunii, prin conectarea in serie a unor bobine acest raport de divizare se poate mari. Componentele de baza a le filtrelor elementare sunt: - impedante longitudinale (bobine); - impedante transversale (condensatoare).
Fig. 6
Fig. 7 Se considera ca atenuarea filtrului este neglijabila in domeniul de frecventa al semnalului util. In tehnica CEM un loc important il ocupa filtrele trece-jos, deoarece in general semnalul de interferenta are o frecventa mult mai mare decat semnalul util sau decat frecventa retelei. Filtre electrice pasive pentru semnalul util
Din punct de vedere al CEM introducerea unui filtru intre sursa si receptor conduce la formarea unui divizor de tensiune, pe baza caruia se poate aprecia eficienta filtrului.
C alculul
atenuarii unui filtru trece-jos (pasiv)
(a)
(b)
(c)
Fig. 8 Filtre electrice pasive pentru se nalul util Filtru cu i pedanta longitudinala (Fig. 8 a) Eds ! I ( Zs Zl Zr ) ®
¯ ° dr ! IZr
Zs Z 1 Zr Eds , dB a=20log ! 20 log dr Zr
Filtru cu i pedanta transversala (Fig. 8 b)
¨ q r ¸ ¹ ± ds ! I ©© s q r º¹ ± ª q || r ¯ q r ± Udr ! I ± q r ° a ! 20 log
ds Udr
! 20 log s
s 1 r r
q r q r
, [ dB]
Filtru cu i pedanta longitudinala si i pedanta transversala (Fig. 8 c)
Zs si Zl sunt conectate in serie; Zq si Zr sunt conectate in paralel.
® ¨ Zq Zr ¸ ¹¹ Eds ! I ©© Zs Z 1 ± Zq Zr ± ª º ¯ ± dr ! I Zq Zr ± Zq Zr °
a ! 20 log
Eds dr
! 20 log Zs
Zs Z 1 Zr Zq Zr , [dB] Zr Zq Zr
Concluzie: atenuarea depinde de frecventa semnalului perturbator dar si de impedanta sursei si a receptorului.
Fig. 9 Conexiunea standard pentru deter inarea practica a atenuarii unui filtru electric Determinarea practica a eficientei unui filtru se face astfel: y se standardizeaza impedantele sursei si receptorului; Zs=Zr =50 y se masoara tensiunea de interferenta Udr in absenta filtrului si in prezenta filtrului. Atenuarea va fi: a ! 20 log
Udr ( fara filtru ) Udr (cu filtru )
, [d ]
s ! Z r ! 50; Z
Filtre de retea
Filtrul de retea se plaseaza intre reteaua electrica si aparat ul electric sau electronic.
Fig. 10 Pozitia filtrului de retea. Din punct de vedere functional, filtrul de retea este un filtru ³trece-jos´. Atenuarea produsa la trecerea curentului de 50Hz prin filtru est e nesemnificativa, in timp ce la frecvente superioare atenuarea este foarte mare. Rolul functional al filtrului de retea este atat de a opri ca semnalele de interferenta sa patrunda din reteaua electrica de alimentare in aparatul electric sau electronic, cat si de a opri ca semnalele de interferenta pr oduse de functionarea unui receptor sa fie transmise in retea. Filtrul trebuie sa fie eficient atat pentru semnalele de interferenta de mod diferential, cat si pentru semnalele de interferenta in acelasi tact.
Fig. 11 Sche a electrica a unui filtru de retea.
F unctionarea filtrului la interferente
contratact.
Fig. 12 Functionarea filtrului la interferente contratact Pentru frecventa de exploatare (50 Hz) fluxurile magnetice J produse de cele 2 bobine se anuleaza, cu exceptia unui mic flux de dispersie
J W (Fig. 13). In acest caz efectul
de filtrare este produs numai de condesatoarele C 1 si C2, de capacitate mare. Cand filtrul nu este in serviciu, descarcarea condensatoarelor C1 si C2 este asigurata de rezistenta R. In acest mod de functionare, condensatoarele C3 si C4 nu joaca un rol esential.
Fig. 13
F unctionarea filtrului la interferente in
acelasi tact
Fig. 14 Functionarea filtrului la interferente in acelasi tact. Interferenta in acelasi tact se datoreaza cuplajului prin radiatie electromagnetica al liniei L si a conductorului neutru N. In acest caz atat conductorul L cat si conductorul neutru N primesc practic acelasi potential fata de pamant. Acest tip de interferenta este de inalta frecventa (100 kHz«1GHz). La functionarea in acelasi tact, fluxurile magnetice generate de catre cele 2 bobine in miezul de ferita sunt in acelasi sens (Fig. 15). Deci, bobinele functioneaza ca si reactante sumatoare (valoarea reactantei fiind proportionala cu frecventa curentului). In consecinta, semnalul de interferenta ajunge mult atenuat la r eceptor. La frecvente mai ridicate (peste 10 MHz) permeabilitatea miezului de ferita dispare, iar functia de filtraj este pr eluata de condensatoarele C3 si C4.
Fig. 15
Filtre pentru retele trifazate
Invertorul static constituie una dintre cele mai suparatoare surse de perturbatii care se propaga pe linia de alimentare cu energie electrica si, ca urmare, poate produce efect de interferenta asupra altor receptoare conectate la linie. Efectul perturbator se datoreaza armonicilor de inalta frecventa care apar in procesul de choppare cu front drept. Aceste armonici excita reteaua de inductivitati si capacitati parazite si provoaca astfel oscilatii pe frecvente proprii.
Fara nici o protectie impotriva acestor oscilatii de inalta frecventa are loc atat o propagare galvanica pe conductoarele retelei, cat si o radiatie electromagnetica directa in mediul ambiant. Masuri pentru eliminarea acestor interferente: y se introduce convertorul static intr-o cutie metalica conectata la pamant; y linia de alimentare dintre convertor si consumator se ecraneaza prin introducerea conductoarelor intr-o teava metalica sau prin folosirea unui cablu ecranat cu manta din lita metalica; y convertorul static se alimenteaza prin intermediul unui filtru trifazat trece-jos, filtru a carui carcasa metalica este in contact direct cu cutia metalica a convertorului.
Fig. 16 Masuri pentru eli inarea interferentelor cauzate de functionarea convertorului static.
Fig. 17 Filtru trifazat de retea (trece-jos) Bobinele din structura filtrului trifazat de retea (3x5mH) sunt practicate pe acelasi miez de ferita. Bobinele sunt compensate, in sensul ca la functionarea normala fluxul magnetic produs de curentii de exploatare este nul in miezul de ferita. Se urmareste suntarea semnalelor de inalta frecventa atat intre faze, cat si intre faze si pamant.
Conexiuni de incercare
Performantele filtrelor de retea se apreciaza pe baza unor conexiuni standardizate, in care impedanta de intrare in filtru si impedanta de iesire a filtrului sunt normalizate. Conexiunea simetrica ± cu aceasta conexiune se simuleaza producerea semnalelor la interferenta contratact.
Fig. 18 In Fig. 18 un generator de semnal cu banda larga, cu tensiunea U0 si impendanta interna de natura rezistiva excita filtrul prin intermediul unui transformator de izolare de raport 1:1. Sarcina filtrului se alimenteaza tot prin intermediul unui transformator de izolare cu raportul 1:1. Bornele filtrului sunt izolate fata de masa, iar carcasa metalica a filtrului este legata la pamant. In absenta filtrului, u z=Uo/2 (deoarece impedanta interna a sursei si cea a receptorului sunt egale). Atenuarea filtrului se determinba cu relatia: a ! 20 log
o/2
! 20 log
o
, [ dB ] z 2 z Dezavantajul acestei conexiuni este legat de necesitatea utilizarii unor tranformatoare cu raportul 1:1 pana la frecvente foarte inalte. Conexiunea nesimetrica In aceasta conexiune se simuleaza tot interferente contratact; bornele filtrului nu mai sunt izolate fata de masa.
Uo
Fig. 19
a ! 20 log
o
2 z
, [dB]
Conexiunea asimetrica Aceasta conexiune simuleaza generarea semnalelor de interferenta in acelasi tact, bornele de intrare ale filtrului sunt legate impreuna, la fel si bornele de iesire sunt legate impreuna. Uo a ! 20 log , [ dB ] 2Uz
Fig. 20 Filtre pentru hiperfrecvente
In domeniul producerii microundelor (cu magnetroane, klystroane, f=2450 MHz, 5800 MHz, 22125 MHz in Europa), pentru utilizari in tehnica radar si in transmitatoarele de microunde, filtrarea instalatiilor de frecventa joasa se realizeaza cu ajutorul filtrelor de absorbtie, in domeniul de frecventa 100 MHz « 100 GHz. In domeniul microundelor, filtrele de absorbtie sunt mai avantajoase decat filtrele cu bobine pe miez de ferita (de ex: se elimina reflexiile, formarea de unde stationare, discontinuitatea de impendanta, conectarea la pama nt). Filtrele de absorbtie se construiesc in 2 variante: (1). Varianta solenoidala Componenta esentiala a filtrului este masa absorbanta pe baza de rasina epoxidica (rezistenta la temperature 175o C), optimizata d.p.d.v. magnetic, in care este inglobat solenoidul, parcurs de curentul intens ( 60 A), de frecventa joasa.
Fig. 21 Filtru de absorbtie , varianta solenoidala Structura activa a filtrului (Fig. 21), protejata de invelisul izolant este inchisa cu capacele izolante, astfel incat spre exterior, conductorul se conecteaza prin lipitura sau insurubare la circuitul principal .
Fig. 22 Diagra a atenurii pentru filtrul de absorbie din fig. 21
Fig. 22 Filtrul de absorbie , varianta flexibil
(2). Varianta flexibila In fig. 22 este prezentata varianta flexibila a unui filtru pentru hiperfrecvente, care se compune din: 1- conductorul central parcurs de curent de lucru intens (1«100 A) la tensiune relativ mare (500 V... 15 kV); 2 - invelisul absorbant; 3 - izolatie; 4 ± ecran din tresa metalica; 5 invelisul izolant de protectie. Atenuarea oferita de un astfel de filtru flexibil depinde de lungimea sa, care poate varia intre aproximativ 75 mm si 600 mm. Cu cat lungimea este mai mare, cu atat atenuarea este mai mare. Spre exemplu la 1GHz, atenuarea 100dB se obtine pentru lungimea de 75mm. Aceeasi atenuare se regaseste la 200MHz la o lungime a filtrului de 600 mm.
ECRANE ELECTROMAGNETICE In cazul cuplajului prin radiatie, energia electromagnetica se transfera de la sursa perturbatoare spre receptor (³victima´) atat prin camp electric, cat si prin camp magnetic, ansamblul celor doua ca mpuri propaganda-se in spatiu sub forma de unde electromagnetice. Pentru protectia impotriva cuplajului electromagnetic se utilizeaza ecranarea electrica, ecranarea magnetica, respectiv ecranarea electromagnetica, in functie de natura campului perturbator. In acest scop se utilizeaza ecrane electrice, ecrane magnetice si ecrane electromagnetice. Ecranul electromagnetic este o anvelopa conductoare care separa spatiul in doua regiuni, una care contine sursele de camp electromagnetic si alta, care nu contine astfel de surse. Deci, functia ecranului este sa izoleze cele doua regiuni una fata de cealalta, d.p.d.v. al campului electromagnetic perturbator. Rolul ecranului este de a oferi o aceeasi referinta de potential atat pentru circuitele externe, cat si pentru circuitele interne, din int eriorul anvelopei. Problema ecranarii presupune 2 as pecte:
(1). Proiectarea, constructia si determinarea efectelor ecranelor; (2). Modul de conectare al ecranului la masa. Practica demonstreaza ca un ecran bine construit, dar legat gresit la masa conduce la aparitia unor perturbatii mai mari decat in lipsa ecranului. Efectul de ecranare este reciproc: este indiferent daca campul care trebuie cranat se afla in interiorul sau in exteriorul anvelopei de ecranare.
Fig. 23 Reciprocitatea efectului de ecranare: a) atenuarea radiaiei perturbatoar e a unei surse de pereturbaii; b) protecia unui receptor împotriva unei radiaii perturbatoare;
O masura a ecranarii este factorul de ecranare Q, care stabileste legatura dintre intensitatea campului in interiorul unui ecran si intensitatea campului existenta in exterior, in absenta ecranului. Intensitat e ca p int erior ecran Q! Intensitat e ca p exterior ecran Factorul de ecranare este de regula un numar complex. In practica se lucreaza deseori cu factorul de atenuare a ecranului , sau eficacitatea ecranului , care este logaritmul inversului raportului dintre intensitatea campului in interior si in exterior. 1 1 , [ Neper ] ; a e ! 20 log , [dB ] a e ! ln Q Q
Deci: a e ! 20 log
ca p fara ecran ca p cu ecran
, [dB ]
Eficacitatea ecranului este o marime adimensionala si reprezinta efectul de reducere a perturbatiilor. Atenuarea ecranelor se defineste atat pentru campul electric cat si pentru campul magnetic si pentru ca mpul cuplat (electromagnetic): a E ! 20 log
E fara ecran E cu ecran
, [dB ]
a
! 20 log
H fara ecran
, [dB ]
H cu ecran
In cazul in care a e " 0 are loc o atenuare a undei perturbatoare; situatia in care a e 0 semnifica efectul de directivitate (un ecran se poate comporta la inalta frecventa ca si o a ntena directive, care concentreaza r adiatia intr-o directie privilegiata). O unda electromagnetica care soseste pe suprafata unei tole conductoare se reflecta pe aceasta:
, H i
Tola conductoare
i
E n
E n
r t
, H r
Fig. 24 Reflexia ideala la suprafata unei tole de grosi e ³a´ (unghiul de incidenta este egal cu unghiul de reflexie , i ! r ). Se constata ca tola conductoare se comporta ca si un ³as pirator´ pentru campul electric si ca o suprafata ³alunecoasa´ pentru campul magnetic ( H n ! 0, t ! 0 ); componentele normale ale undelor incidenta si reflectata (
n
) se anuleaza reciproc.
In cazul ecranelor reale, peretii nu sunt conductori perfecti si suprafetele lor nu sunt perfect netede. In aceste conditii, reflexia nu este totala, ci o parte din unda incidenta este absorbita in peretii ecranului, unde sufera o degradare prin transformare in ca ldura. Eficacitatea de absorbtie a ecranului se defineste astfel:
! 8,7
a
, H unde: a- este grosimea peretelui ecranului; ± este adancimea de patrundere a ca mpului electromagnetic; 1 6 H ! 66 10 Q r W r f A
f[MHz] ± frecventa; r ± permeabilitatea magnetica relative a materialului ecranului; r ± conductivitatea relativa a materialului ecranului, raportata la cupru. Materialele care produc cele mai mari pierderi prin absorbtie sunt cele bune conductoare electric si cu o mare permeabilitatte magnetica (ex. otelul). La frecvente inalte, absorbtia intr-un ecran omogen devine foarte mare. Absorbtia amortizeaza rezonantele si este independenta fata de impedanta de camp. Este eficace si in camp magnetic. Dar, in campuri puternice, in apropierea unor surse de campuri magnetice intretinute, absorbtia determina incalzirea tolelor. In aceste conditii, un ecran din cupru este preferabil unui ecran din otel.
Curenti slabi pe fata interioara a ecranului
RECEPTOR
Curenti care se deplaseaza pe fata exterioara a ecranului
Fig. 25 La inalta frecventa , fetele exterioara si interioara ale peretilor unui ecran sunt independente. La inalta frecventa, fetele exterioara si interioara ale peretilor unui ecran care protejeaza in interiorul sau un receprtor sunt independente. Datorita efectului pelicular, campurile magnetice ale curentilor care circula pe fata exterioara a peretilor ecranului induc in interior tensiuni electromotoare foarte slabe, care determina curenti foarte mici pe fata interioara a ecranului. Fenomenul este reciproc.
Ecranarea campurilor statice C ampurile
electrostatice
La introducerea unei sfere goale conductoare in camp electrostatic, asupra sarcinilor electrice din materialul ecranului actioneaza forta electrostatica F= qE, care provoaca o redistribuire a acestora ce se incheie cand componenta tangentiala a intensitatii campului electric la suprafata exterioara a ecranului devine nula si astfel nu mai exista nici un motiv de deplasare a sarcinilor electrice pe suprafata ecra nului. In mod logic liniile de camp electric vor fi atunci normale la suprafata ecranului. Campul sarcinilor redistribuite si campul exterior perturbator se anuleaza reciproc in orice punct din interiorul ecranului. Se poate arata ca acest efect nu apare numai in cazul unei sfere goale, ci la orice corp conductor gol, indiferent de forma sa geometrica ( Efectul custii Faraday). Factorul de atenuare al unui ecran conductor lipsit de imbinari, fata de campuri electrostatice este infinit , ceea ce face inutila calcularea lui in fiecare caz in parte. Cu ajutorul legii fluxului electric, se obtin componentele normale ale intensitatii campului electric in interiorul si in exteriorul ecranului: ni
!0
, E ne !
V s I 0
unde s este densitatea superficiala a sarcinilor electrice. Pentru componentele tangentiale ale campului electric conform celor aratate mau sus, este valabila relatia: E te ! E ti ! 0
In final, trebuie mentionat ca invelisurile dielectrice poseda un anumit efect de ecranare fata de campurile electrostatice. La fel cum un flux magnetic este condus printr-un circuit agnetic realizat dintr-un aterial cu per eabilitate ridicata , si fluxul electric este condus printr-un dielectric cu per itivitate ridicata. Datorita refractiei liniilor de camp electric, la suprafata de frontiera dintre cele doua medii, fluxul electric va trece mai ales prin peretele sferei, in cazul unui raport mare intre grosimea peretelui d si diametrul sferei D (fig. 25).
Fig. 26 Efectul de ecranare produs de o sfer goal dielectric , cu peretele gros , de exe plu zidrie , ecranat din titanat de bariu. Conditiile de frontiera se exprima astfel: E I E t 1 ! E t 2 ; n1 ! r 2 E n 2 I r 1 unde 1 reprezinta mediul din exteriorul ecranului, iar 2 reprezinta materialul ecranului. Factorul de atenuare al ecranului in Neperi va fi: E a E ! ln e } ln(1 1,33I r d / D ) E i
C ampuri
magnetostatice
Un efect de ecranare prin redistribuirea "sarcinilor" comparabil cu cel pentru campuri electrostatice nu exista in ca zul campurilor magnetostatice. De exemplu, ecranul de cupru al cablurilor coaxiale nu are efect de ecranare asupra campurilor magnetostatice. Totusi, in acelasi mod in care ca purile electrostatice pot fi atenuate prin ecrane dielectrice de are per itivitate , si ca purile agnetostatice pot fi ecranate prin invelisuri fero agnetice cu per eabilitate agnetica ridicata. In cazul ecranelor cu pereti grosi si permeabilitate inalta, datorita refractiei liniilor de camp la suprafata de separatie dintre cele doua medii, fluxul magnetic circula cu precadere prin pereti. Conditiile de frontiera se exprima astfel: Q n1 ; ! r 2 t 1 ! t 2 Q r 1 n2 unde 1 reprezinta mediul din exterior ul ecranului, iar 2 reprezinta materialul ecranului. Atenuarea in Neperi oferita de ecran va fi: H e } ln(1 1,33Q r d / D ) a H ! ln H i
Pentru ecrane se folosesc toate materialele care prezinta, pentru fluxul unui anumit tip de camp, o conductivitate suficient de mare sau care sunt in stare sa creeze campuri de reactie prin influenta sau inductie. Cel mai des se utilizeaza ecrane din materiale neferoase si din materiale feromagnetice. Pentru ca un ecran electric sa fie activ, este necesar sa fie conectat la masa (la referinta, in general) printr-o impedanta cat mai mica posibil (nula, teoretic). Regula 1: Ecranul electric se conecteaza la masa (punctual cu potential de referinta zero) circuitului protejat, plasat in interiorul ecranului. 2: Ecranul electric trebuie sa fie legat la masa intr-un singur punct, pentru ca toti curentii perturbatori sa circule spre punctul de potential minim. Daca ecranul s-ar conecta la masa in mai multe puncte, datorita impedantei proprii a ecranului, curentii perturbatori care s-ar inchide prin ecran ar determina caderi de tensiune pe acea impedanta si curentii perturbatori s-ar inchide prin conductoarele de semnal. Eficacitatea unei bune incinte ecranate va fi imediat redusa la zero daca un singur conductor patrunde nefiltrat din spatiul perturbat in spatiul ecranat, iar acolo actioneaza ca si o antena. Un ecran poate sa-si indeplineasca rolul numai atunci cand toate conductoarele de alimentare cu energie, ca si cele de comanda care intra si ies din incinta ecranata, sunt prevazute cu filtre. Pentru conductoarele de alimentare cu energie exista filtre de retea care, in majoritatea cazurilor, sunt formate din mai multe componente elementare, asamblate astfel incat sa aiba efect de filtrare in anumite domenii de frecventa. Conductoarele pentru semnalul de masura trebuie ecranate (trebuie utilizate cabluri coaxiale). Rigletele elastice de contact ale usilor , ferestrele fagure si filtrele de retea trebuie sa fie foarte bine corelate unele cu altele. Toate aceste filtre, legaturi de pamantare si conexiuni ale ecranelor cablurilor trebuie sa fie amplasate intr-o singura zona , foarte apropiate unele de altele, pentru eliminarea curentilor de egal izare in peretele ecranului, fig. 7.5. Regula
Fig. 27 a) Dispunere corect; b) Dispunere greit a accesului cablurilor electrice într-o incint ecranat Pentru asigurarea unei legaturi de rezistenta mica a tuturor ecranelor cablurilor si a pamantarii incintei, se recomanda intarirea peretelui ecranului in zona comuna de patrundere, printr-o placa masiva de cupru. In cazul din fig. 27.b, eventualii curenti perturbatori din ecranele cablurilor si din sistemul de pamantare circula prin peretii metalici ai incintei ecranate si produc in interiorul acesteia un ca mp magnetic perturbator.
7.2
Incaperi ecranate (cabina de masurare)
Incaperile ecranate se utilizeaza fie pentru evitarea interferentelor electromagnetice exterioare in cazul masuratorilor sensibile, fie pentru limitarea in spatiu a emisiilor perturbatoare (in zona in care se produc); adesea ambele functiuni sunt combinate. Din punct de vedere constructiv, incaperile ecranate sunt realizate prin placarea spatiilor respective cu fasii din folie de cupru lipite intre ele, prin constructii sudate autoportante din tabla de otel sau prin constructii modularizate obtinute din elemente prefabricate. 3 Cabina de masurare este o incinta cu dimensiuni relativ reduse (2×2×2 m ); este realizata din tola de otel zincat sa u CuE, cu grosimea g=0,3 « 2mm (fig. 28). 5
3
6
2 7
220V 50 Hz 9
1
4
8
Fig. 28 Cabina ecranata. Echipa entul cabinei ecranate. 1 ± transformator de separare; 2 ± filtru de retea; 3 ± constructie metalica; 4, 5, 6 ± ferestre fagure; 7 ± cablu coaxial; 8 ± usa de acces; 9 ± borna de pamantare.
Peretii incintei sunt autoportanti sau sustinuti de un schelet metalic de otel zincat sau inox. Este destinata unor masuratori de mare acuratete a marimilor de tip ³u´(prin divizor de tensiune exterior) sau ³i´(prin sunt coaxial exterior); In interiorul cabinei se instaleaza osciloscopul (digital, cu stocare) calculatorul care conduce procesul secvential de incercari si alte periferice ale osciloscopului sau calculatorului. Cablul coaxial, dublu ecranat este folosit pentru introducerea semnalului util in spatiu ecranat din interiorul cabinei. Pentru a evita pericolul de electrocutare in cazul unei defectiuni de izolatie, carcasa metalica a cabinei este conectata da priza de pa mant. Cabina ecranata nu este prevazuta cu pereti absorbanti pentru radiatii electromagnetice. O radiatie electromagnetica generala in interiorul cabinei produce reflexii multiple pe peretii interiori si, ca ur mare, cuantificarea radiatiei emis e devine imposibila.
Incaperi ecranate fara reflexii - Camere anechoice
Undele electromagnetice produse in interiorul incaperilor ecranate sufera reflexii datorita peretilor acestora. Undele reflectate se suprapun peste undele incidente formand unde stationare cu noduri si ventre pronuntate. Repartitia spatiala a campului devine astfel puternic neomogena si rezultatele masuratorilor de emisii perturbatoare sau de imunitate la perturbatii vor depinde, intr-o maniera neprevazuta, de frecventa, de dispunerea in spatiu a obiectelor de incercat si a antenelor. Pentru evitarea influentei perturbatoare a reflexiilor astfel produse , incaperile ecranate pentru asurarea CEM sunt placate i n interior cu ele ente absorbante. Elementele absorbante realizeaza o adaptare de impedanta continua si lipsita de reflexii intre impedanta de unda a interiorului incintei (Z o = 377) si impedanta de unda a peretilor ecranului (Z l = 0). De aceea masuratorile in ca ere anechoice permit realizarea in interior a masuratorilor de ca mp efectuate pana acum numai in aer liber. Elementele absorbante sunt realizate din dielectrici sau feromagnetici cu pierderi, in care o parte importanta din energia electromagnetica incidenta se transforma in caldura.
Fig. 7.7 Ca er anechoic In majoritatea cazurilor se foloseste spuma poliuretanica impregnata cu vopsea conductoare pe baza de carbon. Uneori, placarea peretilor se realizeaza din placi de ferita. Elementul absorbant din spu a poliuretanica are, in majoritatea cazurilor, forma de pira ida astfel incat undele electromagnetice au ocazia sa intalneasca multiple suprafete absorbante si sa fie absorbite cvasitotal intre piramide.
