ecrane electromagnetice multistrat

7/25/2019 ecrane electromagnetice multistrat

1/7

1. Introducere

Una din cile principale de asigurare acompatibilitii electromagnetice i derealizare a stabilitii echipamentelorradioelectronice pe timpul funcionriiacestora n condiii perturbante de mediu oconstituie ecranarea ca mijloc de com-batere a cuplajului parazit prin radiaie.

Un ecran reprezint o barier metalicplasat ntre dou regiuni ale spaiului, cuscopul de a controla propagarea cmpurilorelectrice i magnetice dintr-o regiune nalta. n practic, se poate ecrana sursa deperturbaii sau receptorul de perturbaii

iar, n unele cazuri, ecranarea se face attla surs, ct i la receptor.Ecranarea reprezint un proces complex

care este legat de propagarea i inter-aciunea cmpurilor electromagnetice alesurselor de radiaii n medii cu proprietielectrice i fizice diferite care secaracterizeaz prin reflexia, refracia iabsorbia energiei electromagnetice [1]-[6].Astfel, unda electromagnetic, n cazul

Florin Doru IOSIF: Univ.Prof., Facultatea de tiineInginereti, Lumina The University of South-East Europe,Bucureti, Romnia; [email protected]

Marius Aurel, COSTEA: Lecturer, Facultatea de tiineInginereti, Lumina The University of South-East Europe,Bucureti, Romnia; [email protected]

interaciunii cu ecranul, este reflectat desuprafaa acestuia i ptrunde parial nperetele ecranului unde este supusabsorbiei de materialul ecranului i

reflectat n repetate rnduri ntre pereiiecranului i, n ultim instan, o parte dinenergia undei ptrunde n domeniulecranat. Toate procesele enumerate maisus sunt nsoite de pierderi de energieelectromagnetic pentru unda incident.

ns, aa cum se prezint n lucrare, oeficacitate mai bun poate fi obinut prinutilizarea unor ecrane combinate din maimulte straturi (ecran multiplu sau multi-strat), cu precdere nemagnetice (Cu, Al) imagnetice (oeluri speciale, permalloy etc.)care alterneaz [5], [7]-[12].

2. Pereii ecranelor cu mai multe straturi

Aciunea mai bun de ecranare aecranelor cu straturi multiple, n com-paraie cu cele omogene, este determinatde procesele fizice care se produc necranele combinate [7]-[12]:

reflexia energiei cmpului electro-magnetic pe numeroasele limite de

separare a mediilor cu caracteristicielectrofizice diferite; aciunea invers favorabil a dife-

ritelor straturi-ecran unul asupra

Ecrane electromagnetice multistrat pentru aparaturaelectronic

Florin Doru IOSIF, Marius Aurel COSTEA

Abstract

This electromagnetic field compatibility paper presentsa model for calculating the effectiveness of shieldingan electronic equipment with multilayer screens. The purpose of the screens is to protect the electronicdevice against interfering electromagnetic radiation. Starting from the shielding and interaction coefficientsof the layers of a spherical screen, the basic principles of the calculation of multilayer shielding effectivenessfor electronic equipment are applied for different scenarios: screens made out of the same ferromagneticmaterial, screens made out of different ferromagnetic and non-ferromagnetic materials and the screen withinscreen case. For each of them, the advantages of a multilayer screen are highlighted by comparison with the

single layer shielding, achieved for equivalent conditions. Consequently, for sensitive electronic equipment,the use of some multilayer shielding frames constitutes an ideal solution for electromagnetic compatibilityproblems.

Keywords:electromagnetic compatibility,screen,electromagnetic shielding, shielding coefficient, multilayerscreen, coefficients of interaction between the layers of the screen, screen within screen


2/7

ELECTROTEHNIC, ELECTRONIC, AUTOMATIC, vol. 62 (2014), Nr. 3 97

altuia, legat de interaciuneacurenilor turbionari indui n acestea,ca urmare a impactului exterior alcmpului purttor de perturbaie;

eliminarea efectului de saturaie al

materialelor feromagnetice din com-punerea ecranelor multistrat prinprotejarea lor preliminar cu ajutorulmetalelor cu conductivitate specificridicat i permeabilitate magneticsczut etc.

Cu toate c influena factorilorenumerai mai sus are un caracter complex,aportul fiecruia dintre acetia la cretereaeficacitii ecranrii unui ecran cu straturimultiple se manifest n mod diferit. Astfel,absorbia energiei cmpurilor electro-

magnetice n straturile ecranului combinati aciunile inverse reciproce ale straturilorecranelor se constat, n principal, lafrecvene nalte, n timp ce n cazul unuicmp de perturbaii de joas frecven, oinfluen favorabil asupra creterii efica-citii de ecranare o exercit proprietilemagnetice ale unui material feromagnetical ecranului multiplu [18]-[22].

Pentru evaluarea cantitativ a efica-citii ecranrii se utilizeaz:

coeficientul de ecranare ES sau HS ,egal cu raportul dintre amplitudineaintensitii cmpului electric saumagnetic ce caracterizeaz cmpul deperturbaie ntr-un punct oarecare aldomeniului ecranat (E3, H3) iamplitudinea intensitii cmpului nacelai punct n lipsa ecranului (E1,H1), adic:

3 1 3 1/ , /E HS E E S H H = = (1)

sau atenuarea ecranrii ce se determinca mrimea invers a coeficientuluide ecranare calcuat n dB [1]-[6].

n lucrare, se utilizeaz coeficienii deecranare i deci ecranarea va fi cu att maibun, cu ct acetia vor fi mai mici.

Coeficientul de ecranare pentru ecranelecu mai multe straturi se determin astfel:

pentru un ecran cu dou straturi:

1 2

1 21t

S SS

WW=

(2)

pentru un ecran cu trei straturi:

( )( )1 2 3

2

1 2 2 3 1 3 21 1t

S S SS

W W W W WW S =

(3)

unde: S1, S2, S3sunt coeficienii de ecranare

ai diferitelor straturi-ecran, ncepndcu cel exterior,

1W , 2W , 3W respectiv coeficienii de

interaciune ai straturilor-ecran [7]-[12].

Coeficienii de interaciune sau factoriide reacie Wstabilesc n ce msur cmpulmagnetic perturbator este distorsionat decmpul creat de circulaia curenilorturbionari n corpul ecranului sferic.

De regul, la ecranele cu straturi

multiple, nu se utilizeaz mai mult de treistraturi de protecie. De asemenea, pentruobinerea efectului dorit, este necesar castraturile s fie izolate ntre ele.

n continuare, pe baza unui ecran sfericcu straturi multiple, se examineazprincipiile de baz ale calculului eficacitiiecranrii aparaturii electronice cu ecrane-multistrat mpotriva cmpurilor magneticesinusoidale i n impulsuri. Totodat,studierea proceselor de ecranare cu straturimultiple prezint interes sub dou aspecteimportante: ntrebuinarea ca ecran deprotecie a unei structuri combinate custraturi multiple i, n al doilea rnd,studierea proprietilor de protecie aleecranelor diferitelor subansamble i blocuriale aparaturii aflate n corpul-ecran comunal echipamentului, adic studierea siste-mului ecran n ecran.

Ecranul sferic cu dou straturiferomagnetice. Pentru un ecran sferic cudou straturi, coeficienii de interaciune ai

straturilor-ecran sunt:( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )1

/ 2 2 /

3 2 /

K K sh kd W

ch kd K K sh kd

=

+ +

(4)

( ) ( )

( ) ( ) ( )2

2 1/

3 2 /

K K sh kd W

ch kd K K sh kd

=

+ +

(5)

unde:

/K kR = i ( )1 /k j = + ; este adncimea de ptrundere, d

grosimea ecranului i R raza ecranuluisferic (fig. 1), mrimi ce intr n notaiileK i kdefinite mai sus [7]-[12].


3/7

ELECTROTEHNIC, ELECTRONIC, AUTOMATIC,vol. 62 (2014), Nr. 398

Figura 1.Explicativ la modul de dispunere astraturilor

n fig. 1, sunt prezentate dou ecranesferice cu dou straturi, cu dispunerediferit a straturilor, n care cu Fe estenotat stratul feromagnetic al ecranului, iarcu nFecel neferomagnetic.

n tabelul 1, pentru ecranul sferic cudou straturi, sunt calculate valorile

maxime ale coeficienilor de interaciune aistraturilor ecranului i legtura existentntre acetia i coeficientul de ecranare.

Tabelul 1. Legtura ntre coeficientul de ecranare icoeficienii de interaciune ai straturilor

Ecranare slab Ecranare puternic

1HS 0HS

1

2

0WW

1

2,

1,

pen tru un ecra n

electromagneticW

pen tru un ecran

magnetostatic

2

1 / 2,

1,

pentr u un ecran

electromagneticW

pentr u un ecran

magnetostatic

Dup cum rezult din datele prezentaten tabelul 1 i din relaia (2), folosirea dreptecran al straturilor de protecie identiceprin caracteristicile lor electrofizice con-duce la creterea coeficientului total de

ecranare St. ntr-adevr, numai n cazulunor materiale diferite prin caracteristicilelor electrofizice numitorul relaiei (2) va fi( )1 21 1WW > , n timp ce pentru materialele

identice ( )1 21 1WW


4/7


d un ecran omogen numai din oel. Acestlucru este determinat de faptul c, n gamade frecvene menionate, ecranareaelectromagnetic practic lipsete, aciuneade ecranare a stratului de cupru este

nensemnat i ntregul efect de proteciese obine datorit stratului de oel carefuncioneaz n cazul dat n regimmagnetostatic.

Zona a doua: cuprinde gama defrecvene 0,5 kHz ... 10 kHz. Pentru acestdomeniu, se recomand folosirea unorgrosimi identice ale straturilor de cupru ioel. n acest caz, aciunea stratului decupru ncepe s se manifeste n regimelectromagnetic, stratul de oel continu sfuncioneze n regim magnetostatic.

Zona a treia: se extinde asupra gamei defrecvene de la 10 kHz ... 20 kHz pn lafrecvene nalte. Att cuprul, ct i oelulfuncioneaz n acest caz n regimelectromagnetic dup principiul curenilorturbionari. Din fig. 2, rezult c, odat cucreterea frecvenei, se micoreazgrosimea optim a stratului de cupru, iarcea a stratului de oel crete.

Procedeele examinate anterior se referla studierea proprietilor de protecie ale

ecranelor combinate cu straturi multiplepentru cmpuri sinusoidale. n procesul detraversare al peretelui metalic al ecranuluide un cmp de perturbaii puternice nimpulsuri, spectrul de frecvene al acestuiase deplaseaz ntr-un domeniu de frecvenemai joase, spre deosebire de cmpurilesinusoidale la care frecvena de acionarermne constant pentru toate straturile.

Ca urmare, la aceasta, n cazul unorperturbaii n impulsuri, asupra fiecruistrat urmtor al ecranului cu straturi

multiple acioneaz un cmp n impulsuri cuun spectru de frecvene mai joase dectspectrul perturbaiilor exterioare. Aceastaconduce la faptul c valorile coeficienilorde interaciune pentru aceleai straturi aleecranului n cazul aciunilor sinusoidale i nimpulsuri s difere ntre ele.

Astfel, dac n cazul unui ecran sferic cudou straturi, stratul nFela exterior i Felainterior care asigur o ecranare bun(

1 2, 1S S


5/7


2 0W , distana ntre ecrane nu exercit oinfluen considerabil asupra proprietilorde protecie ale acestora.

Folosirea unor straturi dielectrice subiri,egale ca grosime cu straturile metalice ale

ecranului, nu asigur un efect considerabil.Eficacitatea de protecie fa de ecranulcombinat fr distan ntre perei este de10 % ... 15 %.

Creterea distanei ntre ecrane exercito influen considerabil asupra creteriiproprietilor de protecie ale sistemuluiecran n ecran. O asemenea lege sepstreaz pn cnd se asigur aciuneainvers a unui ecran asupra celuilalt. Dacdimensiunea liniar a ecranului interior estecu mult mai mic dect a celui exterior,atunci

2 0W i coeficientul total deecranare este St=S1S2, deoarece( )1 21 1WW . Totodat, utilizareaecranrii locale n comparaie cu cea totalofer un ctig considerabil, nu numai dinpunct de vedere economic, ci i nasigurarea unui efect de ecranare mai bun.

Pentru exemplificare, se compar celedou variante de ecranare. n primavariant, protecia mpotriva unui cmpsinusoidal de nalt frecven este asiguratde un ecran sferic continuu dintr-unmaterial neferomagnetic avnd conduc-tivitatea specific , raza 2R i grosimea

peretelui 2d . n cea de-a doua variant,sistemul ecran n ecran, ecranele auconfiguraia identic i sunt confecionatedin acelai material cu conductivitateaspecific . Se admite c raza ecranuluiexterior este

1R i a celui interior este

2R ,

cu1 2R R>> . Ecranele au aceeai grosime a

pereilor: 1 2d d d= = . Astfel, n primavariant coeficientul de ecranare esteevaluat prin relaia:

( ) 13 2 exp 2 / / IS d R = (10)

Pentru sistemul ecran n ecran,coeficientul de ecranare este dat derelaia:

( ) ( )2 1 218 exp 2 / / IIS d R R = (11)

Raportul /I IIS S va avea valoarea:

( )2/ / 3 2I IIS S R = (12)

Dac n cazul ecranrii de naltfrecven

2/ 1R >> , atunci:

I IIS S>> ,

deci utilizarea sistemului ecran n ecranofer un ctig evident n comparaie cuecranarea general pentru condiii

echivalente.3. Discuii

Din studiul ecranului sferic cu doustraturi rezult c pentru realizarea unorproprieti de protecie nalt, la ecranelecu straturi multiple trebuie utilizat ocombinaie de metale feromagnetice ineferomagnetice diferite prin proprietilelor electrofizice.

Din cauza valorilor diferite ale

coeficienilor de interaciune pentrustraturile unui ecran din materialemagnetice i nemagnetice, o problemimportant din punct de vedere constructivo constituie modul de dispunere astraturilor n raport cu sursa cmpuluipurttor de perturbaii. Astfel, din punct devedere al micorrii probabilitii desaturaie total a materialului magnetic ideci al mbuntirii proprietilor deprotecie ale acestuia, este oportun castratul feromagnetic s se plaseze n

spatele celui neferomagnetic care are unrol de protecie preliminar a materialuluimagnetic al ecranului mpotriva saturaiei,proprietile de protecie ale ecranuluiastfel realizat fiind de dou ori mai bunedect n cazul dispunerii aceluiai strat ndirecia sursei cmpului purttor deperturbaie.

n ceea ce privete raportul optim algrosimilor straturilor feromagnetic ineferomagnetic din ecranele combinate,odat cu creterea frecvenei, rezult cgrosimea optim a stratului de cupru-nFe semicoreaz, iar cea a stratului de oel-Fecrete.

Referitor la studiul ecranului dispus necran, dup cum atest calculele, utilizareaecranrii locale n comparaie cu cea totalofer un ctig n ceea ce priveteasigurarea unui efect de ecranare maimare.

Metodologia prezentat, exemplificrileabordate i concluziile ce rezult din

tratarea principiilor de baz n calcululeficacitii ecranrii aparaturii electronicecu ecrane multistrat, mai puin evideniaten literatura de specialitate recent,


6/7


constituie un material util pentruspecialitii din domeniul proiectrii icompatibilizrii echipamentelor electrice ielectronice.

4. Concluziin studiul compatibilitii electro-

magnetice, ecranarea constituie singuracale de protejare a echipamentelormpotriva cuplajului parazit prin radiaie.Teoria ecranrii implic o fenomenologiecomplex, legat de modul de calcul, deproiectare i de evaluare i, adesea, greude realizat din punct de vedere alspecialitilor care se ocup cu compa-tibilizarea aparaturii electronice (material,grosime, form).

Plecnd de la acest deziderat,contribuia acestei lucrri o reprezintmetodologia propus pentru evaluarea uneiecranri multistrat i evidenierea avan-tajelor acesteia n comparaie cu ecranareageneral realizat pentru condiiiechivalente.

Astfel, pe baza ecranului sferic custraturi multiple s-au examinat principiilede baz ale calculului eficacitii ecranriiaparaturii electronice cu ecrane multistrat

din acelai material feromagnetic, dinmateriale diferite feromagnetic i nefero-magnetic i cazul ecranului n ecran.

Deoarece att testele de emisie, ct itestele de susceptibilitate cuprind pecizriprivind perturbaiile radiate, iar acesteteste sunt obligatorii pentru omologareaoricrui produs electronic, problemaecranrii, n scopul protejrii echipamen-telor radioelectronice fa de perturbaii i,n special, fa de perturbaiile electro-magnetice de putere [6], [17], capt o

mare importan practic, nct pentruechipamentele electronice sensibile,ecranarea multistrat poate constitui soluiaideal de compatibilizare electromagnetic.

5. Acknowledgment

This work was financially supported by theIT&C Department of Lumina of the University ofSouth-East Europe, Bucureti, Romnia.

6. Resurse bibliografice

[1] Bdic, M., Pslaru-Dnescu, L., tefan, M.,

Bazele ecranrii electromagnetice [Funda-mentals of electromagnetic shielding], Vol. Ii Vol. II, Editura ELECTRA, Bucureti, 2007i 2009.

[2] Schwab, J.A., Kurner, W.W., Compati-bilitate electromagnetic [Electro-magneticcompatibility], Editura AGIR, Bucureti,2013.

[3] Pitic, D., Proiectare antiperturbativ nsisteme electronice[Design antiperturbativeelectronic systems], Editura Albastr, Cluj-Napoca, 2000.

[4] Ignea, A., Introducere n compatibilitateaelectromagnetic [Introduction to Electro-magnetic Compatibility], Editura de Vest,Timioara, 1998.

[5] Radu, S., Introducere n CEM-Ecranareaaparaturii electronice[Introduction to EMC-Shielding electronics], Vol.I, Editura Gh.Asachi, Iai, 1995.

[6] Iosif, F.D., Compatibilitate electro-magnetic. Perturbaii electromagnetice de

putere [EMC. Electromagnetic InterferencePower], Editura ATM, Bucureti, 2008.

[7] Wolfsperger, H., ElektromagnetischeSchirmung. Theorie und Praxisbeispiele[Electromagnetic shielding. Theory andPractice Examples], Springer Verlag, 2008.

[8] Apollonski, S.M., Rascet elektromagnitnhekraniruiucih obolocek[Calc.ulation of theelectromagnetic shielding shells], Leningrad,Ed.Energoizdat, 1982.

[9] Kneazaev, A.D., Element teorii i praktikiobespecenia elektromagnitnoi savmesti-mosti radioelektronh sredstv [Theoretical

and practical elements in achieving EMCradio electronic means], Ed. Radio i Sviazi,1984.

[10]Kaden, H., Wilberstrome und Schirmung inder Nachrichtentechnik [Wilberstrome andshielding in communication engineering],Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, NewYork, 1959.

[11]Vonsovski, S.V., Teoria modern amagnetismului [The modern theory ofmagnetism], Editura Tehnic, Bucureti,1956.

[12]White, D.R.J., Eledtromagnetic Shilding

Materials and Performance, Ed. Don WhiteConsultants, USA, 1988.[13]Ziolkowski, M., Gratkowski, S.R., Shielding

from external magnetic fieds by rotatingnonmagnetic conducting cylindrical shell inIEEE Transactions on EMC, August 2009, Vol.51, nr.3.

[14]Charoy, A., Compatibilit Electro-magnetique [Electromagnetic compa-tibility], Vol. I, II, III, IV, Dunod, Paris, 1992.

[15]Chatterton, A.P., Houlden, A.M.,Electromagnetic Theory to Practical Design,Ed. John Wiley & Sons Ltd., England, 1992.

[16]Degauque, P., Hamelin, J., Electro-magnetic Compatibility, Oxford UniversityPress, England, 1993.

[17]Gavriloaia, Gh., Analiza numeric a


7/7


cmpului electromagnetic, Editura Teora,Bucureti, 2001.

[18]Vasilescu, M., Maricaru, M., Vrticeanu,B.,Costea, M., An efficient integral methodfor the computation of the bodies motion inelectromagnetic field, in EEA, 2012, Vol.57, no. 2, pp. 144-145.

[19]Vrticeanu, B., Maricaru, M., Vasilescu, M.,Costea, M., Eddy current integralformulation for electromagnetic field andforces computation in domains withpermanent magnets, nonlinear media andmoving bodies, in Revue Roumaine desSciences Techniques, 2012, Vol. 57, No. 2.

[20]Costea, M. A., Vrticeanu, B. D., Blan,C.,The actuating time of an electromagnetexcited by DC voltage, in EEA, 2012, Vol.60, nr.1, pp.50-53.

[21]Costea, M.A., Vasilescu, G.M., Vrticeanu,B.D., Calculul direct al timpului deacionare al unui electromagnet de curentcontinuu, (The Direct Computation Of TheActuating Time Of A Direct CurrentElectromagnet), in EEA, 2011, Vol. 59, nr. 4,pp. 37-41.

[22]Costea, M.A., Vasilescu, M., The ActuatingTime of an Electromagnet with NonlinearFerromagnetic Armature, in EEA, 2011,Vol. 59, nr. 3, pp 62-70.

[23]Iosif, F.D., Contribuii privind studiulaciunii perturbaiilor electromagnetice de

putere asupra mijloacelor radioelectronice[Contributions to the study of the action ofelectromagnetic disturbances power on theelectronics means], Editura ATM, Bucureti,1996.

7. Biography

Florin Doru IOSIF was born inFocani (Romnia), on August 14,1950.He graduated the Military

Technical Academy, Faculty forCommunications and MilitaryElectronic Systems, in Bucharest, Romania, in1974.He received the PhD degree in electronics andtelecommunications engineering from theMilitary Technical Academy, of Bucharest(Romania), in 1996.He is Professor at the LUMINA - The Universityof South-East Europe, in Bucharest (Romania).His research interests concern electromagneticcompatibility, materials and electroniccomponents.

Marius-Aurel COSTEA was bornin Buzu (Romnia), on December7, 1982.He graduated the PolitehnicaUniversity, Faculty of Electrical

Engineering in Bucharest, Romania, in 2006.He received the PhD degree in electricalengineering from the same university, in 2011.He is lecturer at the LUMINA - The University ofSouth-East Europe, in Bucharest (Romania).His research interests concern powerelectronics, electric machines and numericalfield computation.

ecrane electromagnetice multistrat

Documents