In ingineria electrica, ecranarea electromagnetica este practica reducerii sau blocarii campului electromagnetic (EMF) intr-un spatiu cu bariere din materiale conductoare sau magnetice. Se aplica in mod obisnuit la carcase, pentru izolarea dispozitivelor electrice de mediul inconjurator si la cabluri, pentru a izola firele de mediul prin care trece cablul (vezi cablu ecranat). Ecranarea electromagnetica care blocheaza radiatia electromagnetica de radiofrecventa (RF) este cunoscuta si sub denumirea de ecranare RF.
Ecranarea EMF serveste la minimizarea interferentelor electromagnetice. Ecranarea poate reduce cuplarea undelor radio, campurilor electromagnetice si campurilor electrostatice. O carcasa conductiva folosita pentru a bloca campurile electrostatice este cunoscuta si sub numele de cusca Faraday. Cantitatea de reducere depinde foarte mult de materialul utilizat, grosimea acestuia, dimensiunea volumului ecranat si frecventa campurilor de interes sau dimensiunea, forma si orientarea gaurilor dintr-un scut fata de un camp electromagnetic incident.
Materialele folosite
Materialele tipice utilizate pentru ecranarea electromagnetica includ tabla, ecranul metalic si spuma metalica. Tablele obisnuite pentru ecranare includ cuprul, alama, nichelul, argintul, otelul si staniul. Eficacitatea ecranului, adica cat de bine un scut reflecta sau absoarbe/suprima radiatia electromagnetica, este afectata de proprietatile fizice ale metalului. Acestea pot include conductivitatea, lipirea, permeabilitatea, grosimea si greutatea.
Proprietatile unui metal sunt un aspect important in alegerea materialului. De exemplu, undele dominante din punct de vedere electric sunt reflectate de metale foarte conductoare precum cuprul, argintul si alama, in timp ce undele dominante din punct de vedere magnetic sunt absorbite/suprimate de un metal mai putin conductiv, cum ar fi otelul sau otelul inoxidabil. In plus, orice gauri din scut sau plasa trebuie sa fie semnificativ mai mici decat lungimea de unda a radiatiei care este tinuta afara, sau incinta nu va aproxima in mod eficient o suprafata conducatoare neintrerupta.
O alta metoda de ecranare folosita in mod obisnuit, in special in cazul bunurilor electronice gazduite in carcase din plastic, este acoperirea interiorului carcasei cu o cerneala metalica sau un material similar. Cerneala consta dintr-un material purtator incarcat cu un metal adecvat, de obicei cupru sau nichel, sub forma de particule foarte mici. Este pulverizat pe carcasa si, odata uscat, produce un strat conductor continuu de metal, care poate fi conectat electric la masa sasiului echipamentului, oferind astfel o ecranare eficienta.
Ecranarea electromagnetica este procesul de scadere a campului electromagnetic dintr-o zona prin baricadarea acestuia cu material conductiv sau magnetic. Cuprul este folosit pentru ecranarea frecventei radio (RF), deoarece absoarbe unde radio si alte unde electromagnetice. Carcasele de ecranare RF proiectate si construite corespunzator satisfac majoritatea nevoilor de ecranare RF, de la computere si camere de comutare electrica pana la facilitati de scanare CAT si RMN din spitale.
Exemple de aplicatii
Un exemplu este un cablu ecranat, care are ecranare electromagnetica sub forma unei plase de sarma care inconjoara un conductor interior. Ecranarea impiedica scaparea oricarui semnal din conductorul miez si, de asemenea, impiedica adaugarea semnalelor la conductorul miez. Unele cabluri au doua ecrane coaxiale separate, unul conectat la ambele capete, celalalt doar la un capat, pentru a maximiza ecranarea campurilor electromagnetice si electrostatice.
Usa cuptorului cu microunde are un ecran incorporat in fereastra. Din perspectiva cuptorului cu microunde (cu lungimi de unda de 12 cm) acest ecran include o cusca Faraday formata din carcasa metalica a cuptorului. Lumina vizibila, cu lungimi de unda cuprinse intre 400 nm si 700 nm, trece cu usurinta prin gaurile ecranului.
Ecranarea RF este, de asemenea, utilizata pentru a preveni accesul la datele stocate pe cipurile RFID incorporate in diferite dispozitive, cum ar fi pasapoartele biometrice.
NATO specifica ecranare electromagnetica pentru calculatoare si tastaturi pentru a preveni monitorizarea pasiva a emisiilor de la tastatura care ar permite capturarea parolelor; tastaturile pentru consumatori nu ofera aceasta protectie in primul rand din cauza costului prohibitiv.
Ecranarea RF este, de asemenea, utilizata pentru a proteja echipamentele medicale si de laborator pentru a oferi protectie impotriva semnalelor de interferenta, inclusiv AM, FM, TV, servicii de urgenta, dispecerat, pagere, ESMR, celulare si PCS. De asemenea, poate fi folosita pentru a proteja echipamentul la unitatile de difuzare AM, FM sau TV.
Un alt exemplu de utilizare practica a ecranarii electromagnetice ar fi aplicatiile de aparare. Pe masura ce tehnologia se imbunatateste, creste si susceptibilitatea la diferite tipuri de interferente electromagnetice nefaste. Ideea de a inchide un cablu intr-o bariera conductiva impamantata poate oferi atenuarea acestor riscuri.
Cum functioneaza
Radiatia electromagnetica este formata din campuri electrice si magnetice cuplate. Campul electric produce forte asupra purtatorilor de sarcina (adica, electroni) din conductor. De indata ce un camp electric este aplicat pe suprafata unui conductor ideal, acesta induce un curent care provoaca deplasarea sarcinii in interiorul conductorului care anuleaza campul aplicat in interior, moment in care curentul se opreste.
In mod similar, campurile magnetice variate genereaza curenti turbionari care actioneaza pentru a anula campul magnetic aplicat. (Conductorul nu raspunde la campurile magnetice statice decat daca se misca in raport cu campul magnetic.) Rezultatul este ca radiatia electromagnetica este reflectata de la suprafata conductorului: campurile interne raman in interior, iar campurile externe raman in exterior.
Mai multi factori servesc la limitarea capacitatii de ecranare a scuturilor RF reale. Una este ca, datorita rezistentei electrice a conductorului, campul excitat nu anuleaza complet campul incident. De asemenea, majoritatea conductorilor prezinta un raspuns feromagnetic la campurile magnetice de joasa frecventa, astfel incat aceste de campuri nu sunt complet atenuate de conductor. Orice gauri din scut forteaza curentul sa curga in jurul lor, astfel incat campurile care trec prin gauri nu excita campuri electromagnetice opuse. Aceste efecte reduc capacitatea de reflectare a scutului.
In cazul radiatiilor electromagnetice de inalta frecventa, ajustarile mentionate mai sus dureaza o perioada de timp deloc neglijabila, dar orice astfel de energie de radiatie, in masura in care nu este reflectata, este absorbita de piele (cu exceptia cazului in care este extrem de subtire) , deci in acest caz nu exista nici un camp electromagnetic in interior. Acesta este un aspect al unui fenomen mai mare numit efectul pielii. O masura a adancimii pana la care radiatiile pot patrunde in scut este asa-numita adancime a pielii.
Ecran magnetic
Echipamentul necesita uneori izolare de campurile magnetice externe. Pentru campuri magnetice statice sau care variaza lent (sub aproximativ 100 kHz), ecranarea Faraday descrisa mai sus este ineficienta. In aceste cazuri pot fi utilizate scuturi din aliaje metalice cu permeabilitate magnetica ridicata, cum ar fi foi de permalloy si mu-metal sau cu acoperiri metalice feromagnetice cu structura de granule nanocristaline. Aceste materiale nu blocheaza campul magnetic, ca in cazul ecranarii electrice, ci mai degraba atrag campul in sine, oferind o cale pentru liniile campului magnetic din jurul volumului ecranat.
Cea mai buna forma pentru scuturile magnetice este astfel un recipient inchis care inconjoara volumul ecranat. Eficacitatea acestui tip de ecranare depinde de permeabilitatea materialului, care scade in general atat la intensitati foarte scazute ale campului magnetic, cat si la intensitati mari ale campului, unde materialul devine saturat. Asadar, pentru a obtine campuri reziduale scazute, scuturile magnetice constau adesea din mai multe incinte unul in celalalt, fiecare dintre acestea reducand succesiv campul din interiorul sau.
Din cauza limitarilor de mai sus ale ecranarii pasive, o alternativa utilizata cu campuri statice sau de joasa frecventa este ecranarea activa; folosind un camp creat de electromagneti pentru a anula campul ambiental dintr-un volum. Solenoizii si bobinele Helmholtz sunt tipuri de bobine care pot fi utilizate in acest scop.
In plus, materialele supraconductoare pot expulza campuri magnetice prin efectul Meissner.
Interferenta electromagnetica
Interferenta electromagnetica (EMI), numita si interferenta de radiofrecventa (RFI) atunci cand se afla in spectrul de frecventa radio, este o perturbare generata de o sursa externa care afecteaza un circuit electric prin inductie electromagnetica, cuplare electrostatica sau conductie. Perturbarea poate degrada performanta circuitului sau chiar poate opri functionarea acestuia. In cazul unei cai de date, aceste efecte pot varia de la o crestere a ratei de eroare pana la o pierdere totala a datelor.
Atat sursele artificiale, cat si cele naturale genereaza curenti si tensiuni electrice in schimbare care pot cauza EMI: sisteme de aprindere, retea celulara de telefoane mobile, fulgere, eruptii solare si aurore (luminile nordice/sudice). EMI afecteaza frecvent radiourile AM. De asemenea, poate afecta telefoanele mobile, radiourile FM si televizoarele, precum si observatiile pentru radioastronomie si stiinta atmosferica.
EMI poate fi folosit in mod intentionat pentru bruiaj radio, ca in razboiul electronic.
Tipuri
Interferenta electromagnetica poate fi clasificata dupa cum urmeaza:
- EMI sau RFI in banda ingusta, care de obicei provine din transmisiile dorite, cum ar fi posturile de radio si TV sau telefoanele mobile
- EMI in banda larga sau RFI, care este radiatie neintentionata de la surse precum liniile de transport de energie electrica.
- Interferenta electromagnetica condusa care este cauzata de contactul fizic al conductorilor, spre deosebire de EMI radiat, care este cauzat de inductie (fara contactul fizic al conductorilor). Perturbatiile electromagnetice din campul EM al unui conductor nu vor mai fi limitate la suprafata conductorului si vor radia departe de acesta. Acest lucru persista in toti conductorii si inductanta reciproca intre doua campuri electromagnetice radiate va avea ca rezultat EMI.
Definitia ITU
Interferenta cu semnificatia interferentei electromagnetice, de asemenea, interferenta de radiofrecventa (EMI sau RFI) este – conform articolului 1.166 din Regulamentul de radiocomunicatii al Uniunii Internationale de Telecomunicatii (ITU) (RR) – definita ca „Efectul energiei nedorite cauzat de una sau o combinatie de emisii, radiatii sau inductie la receptia intr-un sistem de radiocomunicatii, manifestata prin orice degradare a performantei, interpretare gresita sau pierdere de informatii care ar putea fi extrase in absenta unei astfel de energii nedorite”.
Aceasta este, de asemenea, o definitie utilizata de administratia de frecventa pentru a oferi atribuiri de frecventa si alocarea canalelor de frecventa catre statii sau sisteme radio, precum si pentru a analiza compatibilitatea electromagnetica intre serviciile de radiocomunicatii.
In conformitate cu ITU RR (articolul 1), variatiile de interferenta sunt clasificate dupa cum urmeaza:
- interferente admisibile
- interferenta acceptabila
- interferente nocive
Interferenta condusa
EMI condusa este cauzata de contactul fizic al conductorilor, spre deosebire de EMI radiata, care este cauzata de inductie (fara contactul fizic al conductorilor).
Pentru frecventele inferioare, EMI este cauzata de conductie si, pentru frecvente mai mari, de radiatie.
EMI prin cablul de impamantare este, de asemenea, foarte frecventa intr-o instalatie electrica.
