Экранирование как способ защиты

Экранирование как способ защиты

Экранирование является одним из самых эффективных методов защиты от электромагнитных излучений. Под экранированием понимается размещение элементов КС, создающих электрические, магнитные и электромагнитные поля, в пространственно замкнутых конструкциях. Способы экранирования зависят от особенностей полей, создаваемых элементами КС при протекании в них электрического тока.

Характеристики полей зависят от параметров электрических сигналов в КС. Так при малых токах и высоких напряжениях в создаваемом поле преобладает электрическая составляющая. Такое поле называется электрическим (электростатическим). Если в проводнике протекает ток большой величины при малых значениях напряжения, то в поле преобладает магнитная составляющая, а поле называется магнитным. Поля, у которых электрическая и магнитная составляющие соизмеримы, называются электромагнитными.

В зависимости от типа создаваемого электромагнитного поля различают следующие виды экранирования:

• экранирование электрического поля;
• экранирование магнитного поля;
• экранирование электромагнитного поля.

Экранирование электрического поля, заземленным металлическим экраном обеспечивает нейтрализацию электрических зарядов, которые стекают по заземляющему контуру. Контур заземления должен иметь сопротивление не более 4 Ом. Электрическое поле может экранироваться и. с помощью диэлектрических экранов, имеющих высокую относительную диэлектрическую проницаемость ε. При этом поле ослабляется в ε раз [64].

При экранировании магнитных полей различают низкочастотные магнитные поля (до 10 кГц) и высокочастотные магнитные поля.

Низкочастотные магнитные поля шунтируются экраном за счет направленности силовых линий вдоль стенок экрана. Этот эффект вызывается большей магнитной проницаемостью материала экрана по сравнению с воздухом.

Высокочастотное магнитное поле вызывает возникновение в экране переменных индукционных вихревых токов, которые создаваемым ими магнитным полем препятствуют распространению побочного магнитного поля. Заземление не влияет на экранирование магнитных полей. Поглощающая способность экрана зависит от частоты побочного излучения и от материала, из которого изготавливается экран. Чем ниже частота излучения, тем большей должна быть толщина экрана. Для излучений в диапазоне средних волн и выше достаточно эффективным является экран толщиной 0,5-1,5 мм. Для излучений на частотах свыше 10 МГц достаточно иметь экран из меди или серебра толщиной 0,1 мм.

Электромагнитные излучения блокируются методами высокочастотного электрического и магнитного экранирования.

Экранирование осуществляется на пяти уровнях:

• уровень элементов схем;
• уровень блоков;
• уровень устройств;
• уровень кабельных линий;
• уровень помещений.

Элементы схем с высоким уровнем побочных излучений могут помещаться в металлические или металлизированные напылением заземленные корпуса. Начиная с уровня блоков, экранирование осуществляется с помощью конструкций из листовой стали, металлических сеток и напыления. Экранирование кабелей осуществляется с помощью металлической оплетки, стальных коробов или труб.

При экранировании помещений используются: листовая сталь толщиной до 2 мм, стальная (медная, латунная) сетка с ячейкой до 2,5 мм. В защищенных помещениях экранируются двери и окна. Окна экранируются сеткой, металлизированными шторами, металлизацией стекол и оклеиванием их токопроводящими пленками. Двери выполняются из стали или покрываются токопроводящими материалами (стальной лист, металлическая сетка). Особое внимание обращается на наличие электрического контакта токопроводящих слоев двери и стен по всему периметру дверного проема. При экранировании полей недопустимо наличие зазоров, щелей в экране. Размер ячейки сетки должен быть не более 0,1 длины волны излучения.

Выбор числа уровней и материалов экранирования осуществляется с учетом:

• характеристик излучения (тип, частота и мощность);
• требований к уровню излучения за пределами контролируемой зоны и размеров зоны;
• наличия или отсутствия других методов защиты от ПЭМИН;
• минимизации затрат на экранирование.

В защищенной ПЭВМ, например, экранируются блоки управления электронно-лучевой трубкой, корпус выполняется из стали или металлизируется изнутри, экран монитора покрывается токопроводящей заземленной пленкой и (или) защищается металлической сеткой.

Экранирование, помимо выполнения своей прямой функции защиты от ПЭМИН, значительно снижает вредное воздействие электромагнитных излучений на организм человека. Экранирование позволяет также уменьшить влияние электромагнитных шумов на работу устройств.

Источник

Экранирование

Защитное экранирование предназначено для ослабления электрических, магнитных и электромагнитных полей. 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.

Принцип действия защитных экранов

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. Это равнозначно увеличению пути между приёмником и источником возникающей помехи. Эффективность защитного экранирования зависти от ряда факторов:

• 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 падающей электромагнитной волны материалом экрана (aSR — коэффициент затухания).

Рис. 1. Защита от воздействия электрических и магнитных полей экранированием токовых контуров, 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 иaSR 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 Материалы для изготовления защитных экранов

Для качественного экранирования применяются ферромагнитные (сплавы железа) и немагнитные металлы (медь). Защитные экраны, изготовленные на основе ферромагнитных материалов , 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 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 применяются различные материалы и устройства для экранирования, поставляемые в виде пластин, лент, оплёток и в других формах:

• Стальные и медные пластины для изготовления 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. Испорльзуется 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.

Экранирование приборов, аппаратуры и помещений

Микропроцессорная аппаратура и электронные приборы размещаются как правило в металлических корпусах, которые являются своеобразным экраном от внешних электромагнитных полей. В то же время корпуса имеют окна, прорези, отверстия, которые снижают экранирующий эффект. Для соблюдения требований электромагнитной совместимости необходимо устранить указанные неоднородности. Для этих целей променяют гальваническое соединение всех стенок шкафов с применением уплотнений в виде металлических прокладок.

По всей длине соединений обеспечивается равномерная сила прижатия стенок. Для лучшего теплоотвода в шкафах предусмотрены отверстия и прорези в стенках. Электрические соединения с другими техническими устройствами и приборами выполняются только с помощью разъёмов. При правильном экранировании коэффициент затухания должен находиться в пределах 40-100 дБ. В приборах, где корпуса выполняются из пластиковых материалов, например, персональные компьютера, мониторы, контрольно-измерительные приборы, экранирование обеспечивается металлизацией поверхности частей корпуса или вкраплением металлических нитей материал корпуса.

При проведении испытаний приборов и электронных средств, при реализации надежной передачи данных по каналам связи или их хранения, во всех этих случаях требуется надежное экранирование помещений и зданий. Для следующих случаев необходимы мероприятия по комплексному экранированию помещений:

• проверка технических средств устройств для автоматизации, измерений и связи, оборудования с высоким рабочим напряжением,
• научные исследования для метрологических служб.
• реализация центров обработки данных.
• диагностическое оборудование в медицинских учреждениях.

При выполнении экранирования в ценрах обработки данных обеспечивается вместе с защитой от воздействия электромагнитных помех вычислительной техники, защита от утечек секретной информации, а также от промышленного шпионажа.
Комплексное экранирование помещений заключается в создании вокруг аппаратуры проводящей оболочки, эффективно отражающей электромагнитные поля. На современном этапе развития средства экранирования имеют модульную структуру.

Для создания полноценной защиты предназначены следующие элементы:

• Стеновые и потолковые модули (стальная или медная фольга, стальные листы).
• Электронные фильтры, предназначенные для предотвращения передачи в сети электромагнитных помех.
• Остекление из специальных светопрозрачных материалов с хорошими сглаживающими свойствами.
• Уплотнение дверей, окон проемов специализированным высокочастотным материалом.

Применяя комплексный подход к экранированию помещений можно достич хороших показателей затухания электромагнитных помех с коэффициентом от 80 до 100 дБ.

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.

Экраны для кабелей

Для изготовления кабельных экранов используются конструкционные материалы с высокими проводящими свойствами (металлические оплётки из медных и алюминиевых сплавов), позволяющие существенно снизить напряжения

Однако главная роль отводится заземлению экрана. При одностороннем заземлении экрана, благодаря байпасному эффекту уменьшается поперечное напряжение, связанное с воздействием поля Е.

При 2-х стороннем заземлении экрана (Рис.4в) образуется замкнутый контур; при изменении магнитного поля Н индуктируется ток I. При этом происходит уменьшение продольного напряжения

где Zk – полное сопротивление связи для экранированного кабеля.

Если для затухания недостаточно одного защитного экрана, используют два экрана, совмещённые друг с другом и полностью изолированные между собой. Однако снова возникает проблема, каким образом обеспечить заземление внутреннего экрана.

При 2-х стороннем заземлении (Рис. 4г) продольное напряжение рассчитывает по формуле:

Источник