Materiały ekranujące jako sposób ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi
| TechnikaKażde urządzenie elektroniczne przed wprowadzeniem na rynek powinno z pozytywnym wynikiem ukończyć testy kompatybilności elektromagnetycznej. Wymóg ten nie został wprowadzony bez powodu – produkt niespełniający norm grozi nieprawidłowym funkcjonowaniem nie tylko jego samego, ale również innych urządzeń znajdujących się w jego otoczeniu. Jednym ze środków pozwalających zwiększyć stopień ochrony układu przed zakłóceniami EMI są arkusze ekranujące, warto zatem bliżej przyjrzeć się oferowanym przez nie możliwościom.
Kompatybilność elektromagnetyczna powinna przykuwać uwagę projektantów już od najwcześniejszych etapów konstrukcji urządzenia. Jest to jednak na tyle złożone i wymagające zagadnienie, że nawet w przypadku możliwie najstaranniej realizowanych projektów mogą się pojawić niespodziewane problemy, skutkujące kłopotami z pozytywnym ukończeniem fazy badań laboratoryjnych. W takiej sytuacji rozwiązanie potrzebne jest natychmiast, zaś jakiekolwiek modyfikacje konstrukcji układu na tak późnym etapie projektu mogą wiązać się z dużymi kosztami oraz opóźnieniami. Typowe rozwiązania stosowane w tego typu przypadkach obejmują rozmieszczenie w newralgicznych punktach obwodu dodatkowych filtrów dolnoprzepustowych, często realizowanych za pomocą koralików ferrytowych, a także montaż ekranów elektromagnetycznych.
Alternatywnym wyjściem jest wykorzystanie arkuszy ekranujących NSS (Noise Suppression Sheet), z kompozytowych materiałów magnetycznych formowanych w postaci elastycznej folii. Folia ta może zostać docięta oraz zawinięta w taki sposób, aby zapewnić ochronę poszczególnym obszarom obwodu. Na rynku znaleźć można arkusze wykonane z różnych materiałów, charakteryzujących się odmiennymi wartościami przenikalności magnetycznej, co pozwala na zapewnienie tłumienia sygnałów z określonego pasma.
Arkusze ekranujące cechuje duża łatwość użycia, co pozwala uniknąć wzrostu komplikacji i istotnego wydłużenia czasu projektowania układu. Są zdecydowanie prostsze w implementacji od ekranów wykonanych z metalu, które muszą zostać na etapie montażu przykręcone lub w inny sposób przywiązane do podłoża. Arkusze NSS mogą zostać użyte również jako ekranowanie przewodów, tak jak pokazano to na rysunku 1. Do unieruchomienia i zabezpieczenia ekranu wykorzystana została koszulka termokurczliwa.
Wykorzystanie ich jako ostatniej deski ratunku w sytuacjach wymagających szybkiego rozwiązania nie jest jedynym z możliwych zastosowań tego typu komponentów. Arkusze ekranujące mogą zostać uwzględnione w projekcie już na jego wczesnych etapach, zapewniając nie tylko dobrą kompatybilność elektromagnetyczną, ale również ochronę ESD wrażliwych obszarów płytki. W celu lepszego wykorzystania tego typu produktów warto zrozumieć ich konstrukcję oraz wynikające z niej właściwości.
Konstrukcja i właściwości arkuszy ekranujących
Arkusz NSS to materiał kompozytowy wykonany w formie mieszanki drobinek substancji o właściwościach magnetycznych oraz bazy polimerowej. Całość konstrukcji charakteryzuje się właściwościami magnetycznymi. Przykładową strukturę tego typu przedstawiono na rysunku 2.
Przenikalność magnetyczna jest z dwóch komponentów – μ' oraz μ". Matematyczny zapis tej wartości jest następujący: μ = μ'–j μ", przy czym μ' określa część rzeczywistą przenikalności, czyli indukcyjność, miarę zdolności wytwarzania pola magnetycznego, zaś μ" opisuje efektywność absorpcji zakłóceń. Podobnie jak w przypadku impedancji, wartości poszczególnych komponentów zespolonej przenikalności magnetycznej zależą od częstotliwości sygnału. Część rzeczywista charakteryzuje się stabilnym poziomem do pewnego punktu progowego, zaś po osiągnięciu tej wielkości zaczyna gwałtownie spadać, tak jak pokazano to na rysunku 3.
W zależności od rodzaju wykorzystanych materiałów oraz struktury otrzymanej konstrukcji parametry arkuszy ekranujących, w tym charakterystyki częstotliwościowe, ulegają zmianie. Poszczególne produkty nadają się do zastosowań w określonych pasmach częstotliwości, zapewniając wtedy najlepszy poziom tłumienia promieniowania elektromagnetycznego.
Mariusz Piękoś
|
Arkusze ekranujące a absorpcja promieniowania elektromagnetycznego
Arkusze ekranujące mogą być rozwiązaniem awaryjnym stosowanym ad hoc, lecz także stanowić pierwotny element projektu, znacząco poprawiający kompatybilność elektromagnetyczną urządzenia. Są w stanie nie tylko zabezpieczyć układ przed promieniowaniem pochodzącym z zewnątrz, ale także ochronić przed wzajemnym zakłócaniem się poszczególnych komponentów.
W każdym systemie znaleźć można liczne źródła zakłóceń elektromagnetycznych, do których zaliczyć można m.in. odbicia sygnału od obudowy czy też szumy generowane przez przewody połączeniowe oraz układy scalone.
W projektach wielopłytkowych dodatkowe problemy związane są z wzajemnym oddziaływaniem zakłóceń wytwarzanych przez poszczególne płytki. Klasyczne rozwiązanie tego kłopotu, oparte na umieszczeniu w wielu miejscach obwodu układów filtrujących w połączeniu z ekranowaniem wrażliwych elementów może okazać się dość uciążliwe w praktycznej realizacji, przyczyniając się jednocześnie do istotnego zwiększenia kosztów całego projektu. Podejście oparte na wykorzystaniu jednego lub kilku odpowiednio ukształtowanych arkuszy ekranujących może okazać się równie skutecznie a zarazem znacznie prostsze w implementacji.
Na rysunku 4 przedstawiono wykorzystanie arkusza ekranującego do ochrony obwodów odbiornika w przykładowym urządzeniu bezprzewodowym. Taka dodatkowa ochrona pozwala zwiększyć niezawodność transmisji radiowej oraz wydłużyć jej zasięg, ponieważ zapewnia poprawę współczynnika sygnał-szum odbieranego oraz transmitowanego sygnału radiowego. W efekcie może to pozwolić na obniżenie mocy nadajnika, co wydłuży czas pracy urządzenia oraz uprości konstrukcję obwodów zasilania. Na rysunku 5 przedstawiono zaś przykładowy sposób wykorzystania arkusza ekranującego do zapewnienia ochrony ESD wrażliwym układom scalonym.
Kształtowanie pola elektromagnetycznego za pomocą arkuszy ekranujących
Arkusze ekranujące mogą być również stosowane w celu kształtowania pola elektromagnetycznego wokół wybranego obiektu. Tak jak pokazano na rysunku 6, mogą zostać wykorzystane do ograniczenia propagacji energii elektromagnetycznej w wybranym obszarze, prowadząc do wzrostu natężenia pola w pobliżu anteny, np. w przypadku bezprzewodowej transmisji energii, technologii obecnej m.in. w ładowarkach indukcyjnych.
Formowanie strumienia pola elektromagnetycznego może być też użyteczne podczas konstrukcji rozwiązań opartych na technologii RFID. Przykład takiego rozwiązania przedstawiono na rys. 7. Umieszczenie arkusza za tagiem RFID pozwala zwiększyć koncentrację energii w bezpośrednim otoczeniu anteny odbiornika, co skutkować będzie nawet dwukrotnym zwiększeniem maksymalnego zasięgu komunikacji.
Damian Tomaszewski
