màn chắn điện từ EMc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Tương thích điện từ (EMC) Đề tài Màn chắn điện từ (EMC Shielding) Nhóm 1, mã lớp 133266 Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Việt Sơn Chữ ký của GVHD Bộ môn Kỹ thuật đo và Ti.aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Tương thích điện từ (EMC) Đề tài: Màn chắn điện từ (EMC Shielding) Nhóm 1, mã lớp: 133266 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Sơn Bộ môn: Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp HÀ NỘI, 6/2022 Chữ ký GVHD Mục lụ Danh mục hình ảnh CHƯƠNG Tổng quan Màn chắn điện từ (EMC Shielding) 1.1 Khái niệm Màn chắn điện từ (EMC shielding) 1.2 Màn chắn điện từ hoạt động nào? 1.3 Lí cần Màn chắn điện từ 1.4 Các kĩ thuật che chắn sử dụng 1.5 Hiệu suất che chắn với nguồn điện trường xa, gần CHƯƠNG Màn chắn điện từ trường tần số thấp .6 2.1 Sóng phẳng 2.2 Điện trường 2.3 Từ trường 2.4 Kết luận .7 CHƯƠNG Hiệu ứng khe hở .10 3.1 Nguyên nhân tạo khe hở 10 3.2 Nhiều khe hở .10 3.3 Đường nối 12 3.4 Chuyển trở kháng 12 CHƯƠNG Các ví dụ chắn điện từ trường 14 4.1 Màn chắn kim loại 14 4.2 Lớp phủ dẫn điện 16 4.3 Cửa sổ dẫn điện (conductive windows) .17 Tài liệu tham khảo 19 Danh mục hình ảnh Bảng 3-1 Chiều dài khe tối đa so với tần số cho Hiệu che chắn 20 dB .11 Bảng 3-2 Giảm hiệu che chắn so với số khe hở 12 Hình 1-1 Kĩ thuật che chắn vỏ bọc .4 Hình 1-2 Khơng gian xung quanh vùng xạ Hình 2-1 Tổn hao phản xạ sóng phẳng lớn tần số thấp vật liệu dẫn điện cao Hình 2-2 Vật liệu từ tính sử dụng chắn cách cung cấp đường dẫn có điện trở thấp chuyển hướng từ trường xung quanh vùng che chắn Hình 2-3 Hiệu che chắn điện trường, sóng phẳng từ trường chắn nhôm đặc dày 0,02 in Hình 2-4 Dữ liệu thực nghiệm tổn hao từ trường kim loại trường gần Hình 2-5 Kết thực nghiệm phép thử xác định độ suy giảm từ trường dẫn trường gần Hình 3-1Minh họa ảnh hưởng khe lên dòng điện cảm ứng chắn Nhiều lỗ nhỏ cung cấp nhiều lỗ thơng gió khe dài, làm nhiễu dịng điện cảm ứng nhiều, làm giảm suy giảm khe hở gây 10 Hình 3-2 Hiệu che chắn so với tần số chiều dài khe tối đa cho khe hở 11 Hình 3-3 (A) Trở kháng đường nối bao gồm thành phần điện trở điện dung; (B) chồng chéo đường may làm tăng điện dung qua mối nối .13 Hình 4-1 Màn chắn điện từ làm kim loại 14 Hình 4-2 Màn chắn sử dụng cho máy biến áp 15 Hình 4-3 Lớp phủ sơn dẫn điện bên hộp nhựa 17 Hình 4-4 Màn chắn phương pháp phun hồ quang 17 Hình 4-5 Lớp phủ dẫn điện suốt sử dụng làm che chắn điện từ .18 Hình 4-6 Cửa lị vi sóng sử dụng chắn lưới thép .18 CHƯƠNG Tổng quan Màn chắn điện từ (EMC Shielding) 1.1 Khái niệm Màn chắn điện từ (EMC shielding) Màn chắn điện từ (EMC shielding) phương pháp sử dụng để bảo vệ tín hiệu nhạy cảm khỏi tín hiệu từ bên ngồi ngăn tín hiệu mạnh bị rị rỉ gây nhiễu cho thiết bị điện tử xung quanh Nó bao gồm phần tử PCB chip IC thành phần hoạt động, đầu nối cáp PCB Các tần số điện từ ảnh hưởng đến nhiều thiết bị nhạy cảm gây nhiều vấn đề khác từ ngắt quãng đơn giản đường dây liên lạc đến gián đoạn hoàn toàn tín hiệu quan trọng Nó ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực khác bao gồm thiết bị điện tử tiêu dùng công nghiệp, vào hệ thống quan trọng quân đội dịch vụ khẩn cấp 1.2 Màn chắn điện từ hoạt động nào? Mục đích chắn điện từ ngăn nhiễu điện từ (EMI) nhiễu tần số vô tuyến (RFI) ảnh hưởng đến thiết bị điện tử nhảy cảm Điều đạt cách sử dụng chắn kim loại để hấp thụ nhiễu điện từ truyền qua khơng khí Nó hoạt động dựa ngun tắc lồng Faraday Màn chắn hấp thụ tín hiệu truyền vào tạo dịng điện chạy bên dẫn xuống đất Bằng cách hấp thụ tín hiệu nhiễu trước chúng đến mạch điện nhạy cảm, tín hiệu giữ khỏi nhiễu điện từ, tối đa hóa hiệu che chắn 1.3 Lí cần Màn chắn điện từ Ví dụ:  Một điện thoại di động bất hợp pháp khơng chứng nhận phát EMI gây nhiễu hệ thống âm khác Ví dụ: sử dụng điện thoại ô tô, người dùng nghe thấy trị chuyện họ chuyển tiếp qua loa đài ô tô Đây trường hợp phát xạ EMI bất hợp pháp đơn giản  Hệ thống hạ cánh điện tử có dẫn đường sân bay Hãy tưởng tượng điều xảy bị trục trặc nhiễu điện từ từ thiết bị cầm tay không đạt tiêu chuẩn bất hợp pháp máy tính, máy tính bảng điện thoại di động  Nghiên cứu cho thấy phát xạ điện từ từ điện thoại di động gây tổn thương não cầm gần thời gian dài Biện pháp bảo vệ chống lại điều sử dụng điện thoại chứng nhận với chắn điện từ theo quy định tiêu chuẩn thích hợp Úc NZ 1.4 Các kĩ thuật che chắn sử dụng Một số kỹ thuật vật liệu sử dụng cho Màn chắn điện từ, vật liệu sử dụng phụ thuộc vào loại điện tử tần số liên quan Điều lượng tín hiệu giảm / chặn phụ thuộc vào vật liệu sử dụng, kích thước khối che chắn, độ dày vật liệu - yếu tố ảnh hưởng đến phạm vi cường độ tần số chắn hấp thụ Các kĩ thuật thường sử dụng:  Che chắn vỏ bọc: Được áp dụng cho vỏ thiết bị thành phần phụ hệ thống, sử dụng vật liệu kim loại tấm, hình kim loại bọt kim loại Hiệu phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, độ dày hướng độ Hình 1-1 Kĩ thuật che chắn vỏ bọc  Các chắn kim loại làm kim loại vật liệu ferit  Điện từ học chất lỏng cuộn dây khử trường tĩnh tần số thấp  Vật liệu siêu dẫn loại bỏ từ trường  Lá kim loại chắn bện để bao quanh cáp dây để chặn EMI  Sơn dẫn điện ngăn chặn phát xạ tần số điện từ (EMF)  Tụ điện, ống dẫn dây nối đất để giảm thiểu nhiễu EMI  Vật liệu từ tính dùng để hút EMI vào từ trường 1.5 Hiệu suất che chắn với nguồn điện trường xa, gần Không gian xung quanh nguồn xạ chia thành vùng gần xa ngăn cách vùng chuyển tiếp Hình 1- Khơng gian xung quanh vùng xạ Hiệu che chắn phân tích theo nhiều cách khác Trong chương sử dụng cách tiếp cận ban đầu phát triển SA Schekunoff Schekunoff coi việc che chắn cố đường truyền với suy hao phản xạ thành phần Sự mát kết nhiệt tạo bên chắn phản xạ kết khác biệt trở kháng sóng tới trở kháng chắn Hiệu che chắn (S) định nghĩa cho điện trường là: S = 20 log dB Và cho từ trường là: S = 20 log dB Với () cường độ điện (từ) trường tới () cường độ điện (từ) trường ló khỏi chắn Hiệu chắn thay đổi theo tần số, hình dạng chắn, vị trí đo, góc tới… Khi sóng điện từ chạm vào bề mặt chắn, sóng bị phản xạ phần từ bề mặt phần sóng truyền qua (khơng phản xạ) bị suy giảm qua chắn Hiện tượng gọi hấp thụ hay thâm nhập Tổng hiệu che chắn vật liệu rắn tổng mát hấp thụ (A) cộng với suy giảm phản xạ (R) hệ số hiệu chỉnh (B) viết là: S = A + R + B (dB) CHƯƠNG Màn chắn điện từ trường tần số thấp 2.1 Sóng phẳng Tổng tổn hao sóng phẳng trường xa kết hợp tổn hao hấp thụ tổn hao phản xạ Ta có phương trình tính tổn hao hấp thụ: A = 3.34tdB Trong trường hợp sóng phẳng (trường xa), trở kháng sóng trở kháng đặc trưng khơng gian tự (377 Ω) Ta có phương trình tính tổn hao phản xạ sóng phẳng: R = 20log dB  Trở kháng chắn thấp suy hao phản xạ lớn mà ta có 3.68 x nên: R = 168 + 10log() Như quan sát thấy, tổn hao hấp thụ giảm xuống theo tần số Ngược lại, tổn hao phản xạ tăng lên tần số thấp, trở kháng Z_S chắn giảm xuống theo tần số Hình 2- Tổn hao phản xạ sóng phẳng lớn tần số thấp vật liệu dẫn điện cao 2.2 Điện trường Tổng tổn hao cho điện trường thu cách kết hợp tổn hao hấp thụ: A = 3.34t dB tổn hao phản xạ: = 322 + 10 log( ) dB (Hệ số hiệu chỉnh đa phản xạ B thường bị bỏ qua trường hợp điện trường, suy hao phản xạ lớn thời hạn hiệu chỉnh nhỏ) Ta thấy, tần số thấp, tổn hao phản xạ chế che chắn cho điện trường tổn hao hấp thụ giảm theo tần số Ngược lại, tổn hao phản xạ tăng lên tần số thấp 2.3 Từ trường Tổng tổn hao cho từ trường thu cách kết hợp tổn hao hấp thụ: A = 3.34t dB tổn hao phản xạ: R_m = 14.6 + 10 log( = 14.6 + 10 log( dB (Nếu chắn dày (tổn hao hấp thụ > dB), hệ số hiệu chỉnh đa phản xạ B bị bỏ qua) Trong trường gần, tổn hao phản xạ từ trường tần số thấp nhỏ Điều thể rõ ràng chắn mỏng có nhiều phản xạ Tổn hao từ trường tổn hao hấp thụ Ta thấy, tần số thấp, tổn hao hấp thụ tổn hao phản xạ giảm Bởi tổn hao hấp thụ phản xạ nhỏ tần số thấp, nên tổng hiệu che chắn thấp  Rất khó để che chắn từ trường tần số thấp Do đó, đạt bảo vệ bổ sung chống lại từ trường tần số thấp cách cung cấp đường dẫn từ trường có điện trở thấp để chuyển hướng từ trường xung quanh mạch bảo vệ Hình 2-4 Vật liệu từ tính sử dụng chắn cách cung cấp đường dẫn có điện trở thấp chuyển hướng từ trường xung quanh vùng che chắn 2.4 Kết luận Ví dụ hiệu che chắn tổng hợp chắn nhôm đặc dày 0,02 in điện trường, sóng phẳng từ trường Hình 2-5 Hiệu che chắn điện trường, sóng phẳng từ trường chắn nhơm đặc dày 0,02 in Như quan sát hình, trường hợp tồn che chắn đáng kể từ trường tần số thấp Ở tần số cao (trên 1MHz), tổn hao hấp thụ chiếm ưu trường hợp chắn vững đủ dày để sử dụng thực tế cung cấp nhiều khả che chắn thích hợp cho hầu hết ứng dụng Nếu vật liệu từ sử dụng chắn thay cho chất dẫn điện tốt, độ từ thẩm µ tăng độ dẫn điện σ giảm Điều có tác dụng: Làm tăng tổn hao hấp thụ, độ từ thẩm tăng nhiều độ dẫn điện giảm hầu hết vật liệu từ tính Làm giảm tổn hao phản xạ Tổng tổn hao qua chắn tổng tổn hao hấp thụ phản xạ Trong trường hợp từ trường tần số thấp, tổn hao phản xạ xảy ít, tổn hao hấp thụ chế che chắn Trong điều kiện này, thường có lợi sử dụng vật liệu từ tính để tăng suy hao hấp thụ Trong trường hợp điện trường tần số thấp sóng phẳng, chế che chắn phản xạ Do đó, sử dụng vật liệu từ tính làm giảm khả che chắn  Hiệu che chắn tần số thấp phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu che chắn Khi vật liệu từ tính sử dụng làm chắn, phải tính đến ba đặc tính thường bị bỏ qua Các thuộc tính sau: Độ từ thẩm giảm dần theo tần số Độ từ thấm phụ thuộc vào cường độ trường Gia công khai thác vật liệu từ tính có tính từ thẩm cao, chẳng hạn mumetal, thay đổi tính chất từ chúng Kết thử nghiệm thực để đo hiệu che chắn từ trường tần số thấp loại kim loại khác nhau: Hình 2- Dữ liệu thực nghiệm tổn hao từ trường kim loại trường gần Hình 2- Kết thực nghiệm phép thử xác định độ suy giảm từ trường dẫn trường gần Các phép đo thực trường gần với nguồn tiếp nhận cách 0,1 in Các chắn dày từ đến 60 mils (in x 10^(-3)) tần số thử nghiệm nằm khoảng từ đến 100 kHz CHƯƠNG Hiệu ứng khe hở 3.1 Nguyên nhân tạo khe hở Như trước đó, có nhiều trường hợp tránh lỗ hở chắn liền kề khác lý thực tế Một điều phổ biến cần phải thơng gió cho thiết bị điện tử bên lý tản nhiệt Các khe hở thường sử dụng để di chuyển khơng khí nóng bên chắn bên Người quan sát thấy kiểu lỗ thường dạng nhiều lỗ nhỏ lỗ lớn Có lý quan trọng cho điều này, minh họa Hình 3.1 Hãy xem xét chắn vững hiển thị hình sau: Hình 3-8Minh họa ảnh hưởng khe lên dòng điện cảm ứng chắn Nhiều lỗ nhỏ cung cấp nhiều lỗ thơng gió khe dài, làm nhiễu dòng điện cảm ứng nhiều, làm giảm suy giảm khe hở gây Hình 3.1a Các dịng điện tạo chắn này, dòng điện trường liên quan chúng tạo trường "phân tán", chống lại giảm tác động trường cố Trong ta coi sóng phẳng đồng thường tới bề mặt vật dẫn hoàn hảo Trường cố tạo dịng điện bề mặt, coi tạo trường tái sinh Trường phát lại có cực tính cho có xu hướng hủy bỏ trường tới để thỏa mãn điều kiện biên tổng trường điện tiếp tuyến với vật dẫn hoàn hảo phải không Để chắn thực việc hủy bỏ này, dòng điện cảm ứng phải phép không bị cản trở Giả sử đặt khe chắn vng góc với phương dòng điện cảm ứng Khe cắm làm gián đoạn dịng điện có xu hướng làm giảm hiệu che chắn Chiều rộng rãnh không ảnh hưởng đáng kể đến điều này, minh họa Hình 3.1b, c Mặt khác, định hướng khe cắm song song với hướng dòng điện cảm ứng, khe cắm ảnh hưởng đến chắn, minh họa Hình 3.1d Vì khơng khả thi xác định hướng dịng điện cảm ứng đặt hướng rãnh cách thích hợp, số lượng lớn lỗ nhỏ sử dụng thay thế, minh họa Hình 3.1e Lượng rò rỉ từ khe hở phụ thuộc chủ yếu vào ba mục sau:  Kích thước tuyến tính tối đa, khơng phải diện tích khe hở  Trở kháng sóng trường điện từ  Tần số trường 3.2 Nhiều khe hở 10 Nhiều khe hở làm giảm hiệu che chắn lớp vỏ Mức độ giảm phụ thuộc vào (1) số lượng khe hở, (2) tần số (3) khoảng cách khe hở Đối với mảng tuyến tính có khe hở gần nhau, giảm hiệu che chắn tỷ lệ với bậc hai số khe hở (n) Do đó, hiệu che chắn, tính decibel, từ nhiều khe hở là: S  20 log n , S  10 log n Phương trình áp dụng cho mảng tuyến tính, có kích thước khe hở cách nhau, tổng chiều dài mảng nhỏ 1/2 bước sóng Lưu ý S số âm Hiệu che chắn ròng mảng tuyến tính gồm lỗ có kích thước hiệu che chắn lỗ cộng với việc che chắn Hình 3- Hiệu che chắn so với tần số chiều dài khe tối đa cho khe hở Frequency (MHz) 30 50 100 300 500 1000 3000 5000 Maximun Slot Length (in) 18 12 1.2 0.6 0.2 0.1 Bảng 3-1 Chiều dài khe tối đa so với tần số cho Hiệu che chắn 20 dB 11 Các độ nằm bề mặt khác không làm giảm hiệu che chắn tổng thể, chúng tỏa hướng khác Do đó, việc phân bố độ xung quanh bề mặt sản phẩm thuận lợi để giảm thiểu xạ theo hướng Number of Apertures S (dB) Munber of Apertures S (dB) -3 20 -13 -6 30 -15 -8 40 -16 -9 50 -17 10 -10 100 -20 Bảng 3- Giảm hiệu che chắn so với số khe hở 3.3 Đường nối Đường nối khe hẹp dài có không tiếp xúc điện điểm khác dọc theo chiều dài Đơi thật khó để hình dung đường cấu trúc xạ kích thước nhỏ, vài nghìn inch Điều thường hình dung tốt cách xem xét thực tế, nói trước đây, cường độ xạ từ khe giống với cường độ ăng ten bổ sung Phần bổ sung đường nối dài hẹp sợi dây mảnh dài trông rõ ràng giống ăng-ten chắn — lưỡng cực Khái niệm minh họa rõ ràng chiều dài khe lại quan trọng diện tích việc xác định xạ phát xạ Chiều dài khe biểu thị chiều dài lưỡng cực miễn phí tương đương Nếu chiều dài đường xảy theo thứ tự 1/2 bước sóng, trở thành ăng-ten thích hợp Do đó, cần phải đảm bảo điểm tiếp xúc điện cách thường xuyên dọc theo đường nối để giảm chiều dài ăng ten thu Khi đó, đường nối với điểm tiếp xúc tuần hồn coi mảng tuyến tính độ gần 3.4 Chuyển trở kháng Hiệu che chắn đường may mối nối tham số khó đo lường xác liên quan đến thử nghiệm phát xạ xạ phức tạp thiết lập với nhiều biến số Một phương pháp tốt hơn, đáng tin cậy lặp lại nhiều để đo chất lượng tiếp xúc điện phận giao phối chắn cách đo trở kháng truyền Khái niệm trở kháng chuyển giao bắt nguồn từ 75 năm trước phương tiện đo lường hiệu cáp có vỏ bọc Từ đó, khái niệm mở rộng để bao gồm hoạt động khớp nối vật che chắn Trở kháng qua đường nối bao gồm thành phần điện trở thành phần điện dung mắc song song, thể Hình 3.3A Điện trở hàm tiếp xúc điện thực tế phận giao phối phụ thuộc chủ yếu vào bề mặt áp suất Điện dung không yêu cầu tiếp xúc điện thực tế, thay vào phụ thuộc vào khoảng cách diện tích bề mặt hai nửa đường nối Việc thiết kế đường nối để có mối nối fl ange chồng lên (Hình 3.3B), trái ngược với mối nối đối đầu, thể Hình 6-31A hữu ích việc tăng điện dung Tuy nhiên, tăng điện dung không đủ để tạo đường nối trở kháng thấp mà không cung cấp tiếp xúc điện trực tiếp với áp 12 suất cao phận giao phối Như trước đây, để có hiệu che chắn tốt, trở kháng truyền qua đường nối không lớn vài mili giây Một điện dung 100 pf, lượng lớn điện dung cho đường nối, tần số GHz có trở kháng 1,6 O Kết gần ba bậc cường độ lớn vài mili giây; điện dung tăng lên khơng có tác dụng nhiều việc giảm trở kháng đường nối có ảnh hưởng nhỏ đến tổng trở mối nối Hình 3-10 (A) Trở kháng đường nối bao gồm thành phần điện trở điện dung; (B) chồng chéo đường may làm tăng điện dung qua mối nối 13 CHƯƠNG Các ví dụ chắn điện từ trường 4.1 Màn chắn kim loại Hình 4- 11 Màn chắn điện từ làm kim loại Phân tích qua ví dụ cụ thể:  Ví dụ 1: Đối với nguồn điện trường xa (far field) Lựa chọn chắn cho nguồn có tần số 100MHz Khơng có lỗ hay khe hở chắn Phân tích: Vì nguồn xa nên xét đến sóng phẳng, khơng đề cập đến hệ số điều chỉnh chắn mỏng Đối với sóng phẳng nguồn có tần số cao lựa chọn vật liệu có tính dẫn điện cao  Lựa chọn đồng làm vật liệu chắn, với chiều dày mils Tính tốn hiệu che chắn:  Đối với đồng: σCu = 5.82 x 107 siemens/m Đối với không gian trống: Hằng số điện môi: ε = 8.85 x 10-12 F/m Độ từ thẩm: µ = 4π x 10-7 H/m Độ sâu bề mặt (skin depth) đồng 100MHz là: Chiều dày vật liệu (t = mils = 50.8 μm) lớn nhiều so với độ sâu bề mặt nên sử dụng để tính tốn hiệu che chắn Tổn hao hấp thụ là:  Trở kháng chắn đồng: |Zs| 3.68 x 10-3 Ω Trong trường hợp sóng phắng, trở kháng sóng Zw trở kháng đặc trưng không gian trống Z0 (377 Ω) Khi tổn hao phản xạ xác định:  Hiệu che chắn: S = A + R = 66.9 + 80 = 146.9 (dB) 14 Nhận xét kết quả: Hiệu che chắn tốt Trong thực tế, hầu hết thiết bị kiểm tra kỹ thuật có dải động tối đa khoảng 80 - 120 dB Do hiệu che chắn tính tốn cao 100 dB có nghĩa vật liệu khơng thể xun thủng Vật liệu có hiệu che chắn tính tốn 154 dB khơng tốt vật liệu có giá trị tính tốn 120 dB  Ví dụ 2: Đối với nguồn gần (near field) Một máy biến áp tạo chủ yếu từ trường đặt cách kết cấu che chắn 10 cm Kết cấu che chắn làm từ đồng dày cm Ước tính hiệu che chắn cấu trúc 1,5 kHz Hình 4-12 Màn chắn sử dụng cho máy biến áp Phân tích: Đối với nguồn gần máy biến áp, từ trường chiếm ưu xấp xỉ trở kháng sóng Trong trường hợp này, tổn hao hấp thụ đóng vai trị quan trọng hiệu che chắn tổng thể Ở tần số thấp gần nguồn từ trường, trở kháng sóng thấp tổn hao phản xạ chắn nhỏ Tính tốn hiệu che chắn:  Độ sâu bề mặt (skin depth) đồng 1,5 kHz là:  Trở kháng chắn đồng: |Zs| 14 x 10-6 Ω Trở kháng sóng: |Zw|m = 2πfµr = 1.2 x 10-3 Ω Khi tổn hao phản xạ xác định:  Tổn hao hấp thụ là:   Vì A > 9dB nên phải tính đến hệ số điều chỉnh chắn mỏng Đối với vật liệu dẫn điện mỏng (t