Применение экранов для ослабления электромагнитного влияния на электронные приборы и системы

Защитное экранирование предназначено для ослабления физических полей электрической, магнитной и электромагнитной природы. Защитные экраны позволяют значительно уменьшить проникновение или полностью исключить воздействие электромагнитных полей на конструктивные элементы оборудования, электронную аппаратуру, измерительные приборы, кабели, помещения и здания энергетических объектов. Также, благодаря эффективному экранированию электрических и электронных технических средств можно подавить любые электромагнитные помехи, исходящие из них в сеть или в окружающее пространство.

По классической схеме защитный экран размещается между источником помехи и объектом, предназначенным для экранирования. Благодаря экранированию снижаются значения напряженности электромагнитного поля: от Е0 и Н0 непосредственно перед экраном до E1 и H1 за ним (См. Рис.1). Физическая сущность защитного экранирования объясняется созданием на поверхности экрана заряда или индуцированного тока, которые являются источниками полей, противодействующих существующим электромагнитным полям. Что эквивалентно увеличению расстояния между источником и приёмником помехи. На эффективность защитного экранирования влияют следующие факторы: 

• Частота поля.
• Электропроводимость материала, из которого изготовлен экран.
• Магнитная проницаемость материала защитного экрана.
• Месторасположение и размеры экрана.

В дальнейшем при проведении расчётов будем исходить из положения, что экранирование осуществляется за счёт следующих факторов:

• Поглощение материалом экрана энергии электрического и магнитного поля (коэффициент затухания aSА).
• Отражение материалом экрана падающей электромагнитной волны (коэффициент затухания aSR).

 
Рис. 1. Экранирование токовых контуров для защиты от воздействия электрических и магнитных полей, расположенных вне контура:

а – принципиальная схема расположения токовых контуров и защитного экрана S;  
б – условная граница между условиями для ближнего и дальнего поля.

Результатирующий коэффициент затухания (дБ) можно вычислить по формулам: 
 
 

Общий коэффициент затухания состоит из двух компонентов: 

В вышеприведённых расчётах не учитываются многочисленные отражения от экрана и стен помещения. Для определения существенных взаимосвязей между расчётными коэффициентами затухания, свойствами магнитного поля, геометрическими размерами и характеристиками материала экрана следует использовать полное сопротивление. В зависимости от расстояния Х между приёмником помехи и её источником (Рис. 1 а) и частоты f в каждой из областей (Рис. 1 б), для нахождения коэффициентов затухания aSА  и aSR можно применять следующие выражения:   
 
для магнитного поля в ближней зоне

для электрического поля в ближней зоне 

для электрического поля в дальней зоне                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

коэффициент поглощения для каждой зоны равен      

где    и   – относительная магнитная проницаемость материала и его электропроводность, тождественная коэффициенту электропроводности меди (  = 5,8 •107 См/м);  
fб = 1 Гц – базовая частота;  
d – толщина защитного экрана, отнесенная к d6 = 1 мм; хб = 1 м.

Выражения, находящиеся в квадратных скобках формул (1.4) …(1.7), связывают между собой свойства материала и толщину экрана с коэффициентом затухания. При f = 1 Гц ординаты функций (1.4) …(1.7) можно определить по выражениям для нахождения аSR и аSA. Зависимость между общим коэффициентом aS и частотой, при воздействии магнитного поля в ближней зоне, продемонстрирована на Рис.2. Данную зависимость можно найти при помощи суммирования значений aSR и aSА в соответствии с формулой (1.3). Зависимости aSА, aSR и aS от частоты для дальней зоны и для ближней зоны, определяемые по выражениям (1.6) и (1.7), представлены на Рис. 3. Необходимо отметить, что снижение коэффициента aSR для ближней зоны составляет 30 дБ (при увеличении частоты в 10 раз).  
 
Ориентировочная эффективность защитных экранов может оцениваться в следующем порядке:

• Если  aS  < 10 дБ – экранирование недостаточно эффективно.
• Если  10 < aS < 30 дБ – обеспечиваются минимальные требования по экранированию.
• Если  30 < aS < 60 дБ – требования по экранированию обеспечены для большинства случаев.
• Если  60 < aS < 90 дБ – хороший уровень экранирования.
• Если  90 <aS < 120 дБ – превосходная эффективность защитного экрана.  

Следует помнить, что эффективность экранирования энергообъектов связана с состоянием стенки экрана. Наличие различных дефектов (трещины, раковины, неоднородности и пр.) или технологических отверстий (проёмы для ввода кабелей и проводов, отверстия для вентиляции и обслуживания) снижает защитные свойства экрана. Кроме того, внутри экранированных устройств и помещений могут возникать резонансные эффекты (практически любой корпус прибора с токопроводящими стенками в первом приближении можно рассматривать в качестве объёмного резонатора).                  

Рис. 2. Принципиальная схема, отражающая зависимости коэффициентов   (1),    (2) и    (3) от частоты магнитного поля (f) в пределах ближней зоны

Рис. 3. Принципиальная схема, отражающая зависимости между коэффициентами затухания и частотой электромагнитного поля в пределах дальней зоны и для электрического поля в пределах ближней зоны:

1 –  .  
2 –  . 
3 –   для электромагнитного поля в пределах дальней зоны (1.6).  
4 –   для электрического поля в пределах ближней зоны (1.5).

Для качественного экранирования применяются ферромагнитные (сплавы железа) и немагнитные металлы (медь). Защитные экраны, изготовленные на основе ферромагнитных материалов (  >>1,   <1), по эффективности ослабления электрического поля при низких частотах уступают экранам из немагнитных металлов, однако позволяют уменьшать постоянные магнитные поля. При увеличении частоты воздействующего поля показатели демпфирования в отношении электрических и магнитных полей улучшаются [см. (1.7) и Рис. 2 и 3]. Например, обычные здания и другие крупные строительные сооружения даже без применения специальной защиты уменьшают внешние поля на 6 …10 дБ, а железобетонные конструкции с приваренной стальной арматурой обеспечивают снижение воздействия внешних электромагнитных полей до 25 …30 дБ. Немагнитные материалы (  = 1,   = 0,6 ÷ 1) создают экранирующий эффект за счет магнитных полей, образуемых вихревыми токами. Постоянное магнитное поле практически не экранируется, а низкочастотное переменное поле ослабляется в незначительной степени [см. (1.4) и Рис. 2.]. Между тем подобные экраны отлично демпфируют электрические поля [см. (1.5), (1.6) и Рис. 3].

В настоящее время используются различные материалы и устройства для экранирования, поставляемые в виде пластин, лент, оплёток и в других формах:

• Медные и стальные листы для изготовления прочных экранированных корпусов, для покрытия потолков и стен помещений. Крепятся болтами или привариваются к конструктивным строительным элементам.
• Тонкая металлическая фольга из мягкомагнитных сплавов, обладающих повышенной магнитной проницаемостью. Применяется для изготовления опытных образцов и серийной аппаратуры.
• Экранирование кабелей металлической лентой и металлической оплёткой.
• Плетёные металлические шланги для эффективного экранирования кабельных жгутов и кабелей.
• Сотовые металлические структуры для создания экранирующих элементов с высоким пропусканием воздушных потоков.
• Сетки из тонкой проволоки, прозрачная проводящая фольга и стёкла с металлическим напылением для комплексного высокочастотного экранирования окон.
• Тонкослойные серебряные, медные и никелевые покрытия, наносимые на корпусные детали из пластика и пластмасс.
• Пластмассовые материалы с включением проводящих элементов (нити из углерода) или добавок (металлические порошки), предназначенные для производства экранированных корпусов.
• Материалы для высокочастотной экранирующей спецодежды, содержащие вплетенные волокна из нержавеющих сталей (в частотном диапазоне 100 кГц … 40 ГГЦ коэффициент затухания может доходить до 30 дБ).

Чтобы обеспечить высокие экранирующие свойства корпусов оборудования и технологических помещений выполняется уплотнение стыков, проёмов, щелей и других мест, через которые может пройти высокочастотное излучение. Качественные уплотнения гарантируют непрерывность вихревых токов от электромагнитных полей. Для изготовления уплотняющих элементов применяются высокотехнологичные материалы, которые обладают такими свойствами, как:

• Отличная проводимость.
• Хорошая формуемость.
• Устойчивость к воздействию магнитных и электрических полей.
• Низкое контактное сопротивление с металлическими частями конструкций.

Чаще всего используются следующие виды уплотняющих изделий:

• Электропроводимые эластомеры на основе силанового каучука, поставляемые в виде пластин, трубок и кольцевых шнуров. В качестве материала для наполнителей применяется технический углерод, никелевый или серебряный порошок, посеребренная алюминиевая мелкодисперсная пудра.
• Металлические плетёные прокладки круглой и прямоугольной формы.
• Пластины на основе силиконового каучука, внутри которых находятся металлические нити с перпендикулярным расположением к поверхности.
• Проволочные оплётки, армированные эластомером.
• Токопроводящие технологические добавки, изготовленные из переработанной пластмассы и клея.
• Уплотнительные пружинящие устройства (бериллиевая бронза) для надёжного уплотнения дверей и входных групп.

Металлические корпуса электронных приборов и аппаратуры создают некоторую защиту от внешних помех электромагнитной природы. Однако наличие локальных неоднородностей в защитной оболочке (швы, отверстия и др.) неизбежно снижает экранирующий эффект. Поэтому, для обеспечения условий электромагнитной совместимости следует устранить все существенные недостатки в конструкции технических средств. Для этого применяют непрерывное гальваническое соединение стенок с использованием уплотнений в виде плетенных металлических прокладок. Контактные поверхности приборных шкафов обладают непрерывными коррозионно-стойкими свойствами. Прижатие дверей осуществляется с помощью пружинных контактов из особой бериллиевой бронзы. Благодаря  специальной системе по всему периметру обеспечивается одинаковая сила прижатия пружин. Для отвода из шкафов лишнего тепла предусмотрены специальные отверстия или жалюзи в стенках. Для электрического соединения со всеми внешними техническими устройствами используются только разъёмы. При грамотном экранировании обеспечивается коэффициент затухания от 40 до 100 дБ в частотном диапазоне 30 … 1 000 МГц. Полноценное экранирование электронных приборов, имеющих пластмассовые корпусные детали (персональные компьютеры, экраны, мониторы, устройства для радиосвязи, контрольно-измерительные приборы и др.), обеспечивается за счёт металлизации поверхности корпусных элементов или включением металлических нитей в связующий материал. Создание условий для электромагнитной совместимости технических средств и оборудования, отсутствие электромагнитных помех при проведении испытаний (измерений) приборов и аппаратуры, обеспечение надёжности данных при их передаче и хранении – в этих и в других случаях требуется комплексное электромагнитное экранирование помещений и зданий. Чаще всего защитное экранирование применяется для следующих объектов:

• Испытательных лабораторий и помещений, где проверяются технические средства для измерений и связи, устройства для автоматизации, оборудование с высоким рабочим напряжением.
• Измерительных помещений, предназначенных для метрологических служб и проведения научных исследований.
• Информационно-вычислительных центров на предприятиях, в организациях и учреждениях.
• Диагностических и терапевтических кабинетов в медицинских учреждениях.

При использовании экранирующих средств в вычислительных центрах обеспечивается как обычная защита электронно-вычислительной техники от воздействия электромагнитных помех, так и защита от промышленного шпионажа и утечек конфиденциальной (секретной) информации. В техническом плане экранирование помещений заключается в создании однородной проводящей оболочки, которая будет эффективно отражать электромагнитное излучение. Современные технические средства для экранирования помещений изготавливаются по модульному принципу.

Для создания полноценной защиты предназначены следующие элементы:

• Модули для стен и потолков с экранирующим эффектом (стальные листы, фольга из меди или стали для болтовых и сварных соединений).
• Электрические фильтры для системы электропитания, управления и передачи данных, препятствующие распространению в сети электромагнитных помех.
• Внешнее и внутреннее остекление из прозрачных материалов с превосходными демпфирующими свойствами.
• Входные и внутренние двери, тамбуры и ворота, обладающие высокочастотным уплотнением.
• Фильтрующие сотовые элементы с высокими экранирующими свойствами для воздушных каналов и систем кондиционирования воздуха.

При соблюдении правил экранирования помещений можно обеспечить отличный коэффициент затухания электромагнитных помех, достигающий порядка 80 …100 дБ в гигагерцовом частотном диапазоне. В соответствии с требованиями стандартов безопасности (прежде всего, защита персонала энергообъектов от напряжения прикосновения) корпусные элементы и защитные экраны заземляются в строго установленных точках.

Для уменьшения воздействий высокочастотных помех на кабели и провода, для снижения электромагнитных излучений от кабелей и проводов, а также для обеспечения развязки проводов с высокой чувствительностью к помехам и содержащих помехи (при близком расположении) используются экраны для кабелей.