Як захиститися від перешкод EMI?

Електромагнітні завади, відомі під скороченням EMI (Electromagnetic Interference), — це небажані електромагнітні сигнали, які можуть порушувати роботу електронних пристроїв. EMI виникає, коли електромагнітне поле, згенероване одним пристроєм, негативно впливає на інший, що призводить до помилок у роботі, втрати даних, а в крайніх випадках — навіть до пошкодження обладнання.

У щоденній роботі з електронікою проблеми, пов'язані з EMI, можуть проявлятися по-різному. Це можуть бути неправильні показники сенсорів, збої у передачі сигналів чи нестабільність живлення. Наприклад, неправильне екранування доріжок на друкованих платах або неналежно захищені кабелі можуть призводити до неконтрольованого зв'язку шумів, які негативно впливають на всю систему.

У зв'язку зі зростаючою складністю та мініатюризацією електронних пристроїв, проблема EMI стає все більш важливою. З цієї причини належне проєктування екранів, корпусів і фільтрів, що протидіють завадам, є важливим для забезпечення надійності та коректної роботи обладнання.

У подальших розділах ми обговоримо практичні методи захисту від EMI, починаючи від основ екранування електричних і магнітних полів, через проєктування корпусів і захист проводів, аж до просунутих технік придушення пульсацій.

Основи екранування електричних (електростатичних) полів

Екранування електричних полів, які також називають електростатичними, — це основний метод захисту електроніки від завад EMI. Він полягає у використанні провідних матеріалів, які ефективно блокують або спрямовують електричне поле, запобігаючи його впливу на чутливі елементи пристрою.

Принцип дії електростатичних екранів ґрунтується на ефекті проведення електричних зарядів на поверхні екрана. Коли зовнішнє електричне поле впливає на екран, заряди переміщуються по поверхні провідника, створюючи поле, що протидіє оригінальній заваді. В результаті, внутрішня частина, захищена екраном, залишається практично вільною від електростатичного поля.

Важливу роль у цьому контексті відіграє належне заземлення екрана. Заземлення дозволяє відвести накопичені заряди, забезпечуючи ефективний захист від завад. Без відповідного заземлення екран може діяти як антена, а не як щит, що збільшує рівень EMI всередині пристрою.

На практиці екранування на рівні друкованої плати (PCB) реалізується через застосування провідних щитів та відповідного розміщення маси (GND). Проєктувальники електроніки мають звертати увагу, щоб екрани та поля маси були неперервними, без перерв чи нещільностей, які могли б уможливити проникнення електричного поля до захищених кіл.

Підсумовуючи, ефективне екранування електричних полів вимагає застосування провідних щитів, з'єднаних із заземленням, та продуманого розміщення елементів на PCB, що значно мінімізує вплив електромагнітних завад на електроніку.

Механізми екранування магнітних полів

Екранування магнітних полів є значно складнішим, ніж екранування електростатичних, через фундаментальні властивості магнітного поля. Тоді як електричні поля можна ефективно блокувати провідними щитами, магнітне поле низької частоти проникає через більшість немагнітних матеріалів і вимагає застосування спеціальних механізмів захисту.

Одним із явищ, що використовуються в магнітному екрануванні, є вихрові струми (струми Фуко). Ці струми індукуються у провідних матеріалах, коли змінне магнітне поле проникає через екран. В результаті їх виникнення створюється магнітне поле, що протидіє первісному полю, що призводить до придушення магнітного поля всередині захищеної області.

Провідні матеріали, такі як мідь чи алюміній, можуть, отже, відігравати важливу роль у магнітному захисті, особливо при вищих частотах, де вихрові струми є більш ефективними. Проте при нижчих частотах їхня ефективність знижується, оскільки індуковані вихрові струми є слабшими.

Тому часто застосовуються магнітні матеріали з високою магнітною проникністю, які здатні ефективно спрямовувати та «перехоплювати» лінії магнітного поля. Такі матеріали, як сталь чи мю-метал, забезпечують альтернативний шлях для магнітного потоку, дозволяючи його переспрямувати подалі від захищених компонентів. В результаті магнітне поле «обминає» захищену область, мінімізуючи ризик завад.

Екранування магнітних полів вимагає розуміння механізмів вихрових струмів та застосування відповідних матеріалів — провідних для вищих частот і магнітних з високою проникністю для низьких частот.

Використання магнітних матеріалів для захисту від EMI

Екранування від електромагнітних завад вимагає застосування відповідних матеріалів, які ефективно пригнічують як електричні, так і магнітні поля. У випадку захисту від магнітного поля особливе значення мають магнітні матеріали з високою проникністю. У цьому розділі ми обговоримо їхні властивості та практичне застосування.

Проникні магнітні матеріали

Проникні магнітні матеріали характеризуються здатністю проводити магнітний потік всередині себе, що дозволяє ефективно «перехопити» та спрямувати магнітне поле. Завдяки цьому лінії поля обходять захищену область, зменшуючи її експозицію до завад.

Цей тип матеріалів часто застосовується як екранувальний шар всередині або ззовні електронних корпусів, щоб посилити захист від низькочастотних магнітних полів, які важко придушити іншими методами.

Приклади матеріалів: сталь та мю-метал

• Сталь – широко доступна і відносно дешева, сталь є добрим екранувальним матеріалом у багатьох застосуваннях. Її магнітні властивості дозволяють ефективно пригнічувати завади середніх і низьких частот. Проте її ефективність обмежена параметрами конкретного сплаву та товщиною матеріалу.
• Мю-метал – це спеціальний сплав із дуже високою магнітною проникністю, який використовується у ситуаціях, що вимагають дуже ефективного захисту від магнітних полів. Мю-метал характеризується винятковою здатністю поглинати та спрямовувати магнітне поле, тому він застосовується у прецизійних електронних та медичних пристроях.

Обидва ці матеріали можуть застосовуватися у різній формі – від плит, через фольгу, аж до покриттів, що наносяться на корпуси, залежно від проєктних потреб.

Застосування магнітних матеріалів на практиці

На практиці, щоб досягти ефективного екранування від EMI, проєктувальники часто поєднують провідні матеріали з магнітними. Такі рішення дозволяють захищати пристрої як від електричного, так і від магнітного поля, забезпечуючи комплексний захист.

Вибір конкретного матеріалу залежить від вимог щодо частоти завад, вартості, розмірів та умов навколишнього середовища. У багатьох застосуваннях використовується, наприклад, сталь як основний матеріал корпусу, збагачений вставками або покриттями з мю-металу у місцях, найбільш наражених на завади.

Проєктування та конструкція екранованих корпусів

Ефективне екранування електронних пристроїв від завад EMI вимагає ретельного проєктування корпусу. Корпус виконує роль фізичного бар'єра, який обмежує проникнення електромагнітних полів до середини або з середини пристрою. У цьому розділі ми обговоримо, які риси має мати ідеальний екранований корпус та з якими практичними викликами треба боротися під час його побудови.

Ідеальні властивості екранованих корпусів

Добре спроєктований екранований корпус повинен:

• Бути виготовлений з провідних матеріалів, які ефективно відбивають або поглинають електромагнітні хвилі. Найчастіше це метали з хорошою електричною провідністю, такі як алюміній чи сталь.
• Забезпечувати електричну неперервність на всій поверхні, щоб уникнути перерв, які могли б спричиняти витоки EMI.
• Мати відповідне заземлення, яке дозволить ефективно відводити накопичені заряди та завади до маси.
• Мінімізувати щілини та прогалини — навіть невеликі перерви можуть значно знизити ефективність екранування.

Практичні виклики: шви, отвори та проникнення

У дійсності, ідеальний екранований корпус — це важкодосяжне завдання, оскільки необхідно врахувати багато конструкційних елементів, які можуть бути потенційними місцями витоків EMI.

• Шви та з'єднання — місця з'єднання елементів корпусу є критичними, оскільки неналежне їхнє припасування або відсутність неперервності провідності може спричиняти проникнення електромагнітних хвиль. Важливо застосовувати техніки, що забезпечують добрі контакти, такі як провідні ущільнювачі або відповідні механічні з'єднувачі.
• Отвори та вентиляція — корпуси часто вимагають отворів для охолодження чи вентиляції. Проте ці отвори можуть зменшувати ефективність екранування, уможливлюючи вихід хвиль EMI. Тому їхній розмір, форма та розміщення мають бути ретельно спроєктовані.
• Проникнення проводів та сигналів — будь-які проводи, що виходять із корпусу, можуть стати шляхом виходу завад. Необхідне застосування екранованих кабелів та відповідних фільтрів, які мінімізують ризик проникнення EMI через ці елементи.

Проєктування екранованого корпусу — це отже баланс між забезпеченням захисту EMI та виконанням функціональних вимог, таких як вентиляція чи легкий доступ до елементів пристрою.

Значення конструкції отворів та вентиляції у корпусах

Проєктування екранованих корпусів — це не лише питання матеріалів та герметичності, але й відповідного планування вентиляційних отворів. Отвори часто необхідні для охолодження електронних пристроїв, проте можуть стати місцем проникнення електромагнітних завад (EMI). У цьому розділі ми обговоримо, як розмір та розміщення отворів впливають на ефективність екранування та як проєктувати ефективні вентиляційні сітки.

Вплив розміру та розміщення отворів на екранування

Вентиляційні отвори у корпусах мають бути відповідно спроєктовані, оскільки:

• Розмір отворів: Якщо розміри отвору є відносно великими по відношенню до довжини хвилі завад, то електромагнітні хвилі легко проникають через ці отвори, знижуючи ефективність екранування. Натомість, коли отвори значно менші за половину довжини хвилі (півхвильова довжина), електромагнітна енергія сильно пригнічується.
• Розміщення отворів: Схема та густина отворів впливають на загальну пропускну здатність повітря та рівень екранування. Занадто густі або занадто великі отвори можуть створювати «переходи» для хвиль EMI, тоді як оптимальне розміщення дозволяє підтримувати належний баланс між вентиляцією та електромагнітним захистом.

Проєктування ефективних вентиляційних сіток

Щоб забезпечити добре охолодження без надмірного погіршення екранування, застосовуються різні рішення:

• Збільшення глибини отворів: Можна спроєктувати отвори таким чином, щоб їхня глибина нагадувала хвилевід. Тоді на частотах нижче т. зв. частоти відсікання, електромагнітна хвиля не пройде через отвір, оскільки вона пригнічується способом, подібним до хвилеводів.
• Металеві сітки та перфоровані панелі: Застосування металевих сіток із дрібними вічками або панелей із дрібними перфораціями, які зменшують розмір отворів, дозволяє ефективно екранувати при збереженні потоку повітря.
• Оптимізація форми отворів: Часто користуються отворами такої форми, що мінімізує поширення хвиль EMI, наприклад, вузьких щілин чи отворів із видовженим шляхом.

Завдяки таким рішенням можливе збереження як високого рівня екранування, так і ефективного охолодження, що є ключовим у проєктуванні сучасних електронних пристроїв.

Проблеми з'єднань корпусів та їхні рішення

У конструкції екранованих корпусів ключову роль відіграють з'єднання між металевими елементами, такими як шви, стики чи кришки. Навіть дрібні прогалини чи неналежно виконані контакти можуть стати «витоками» для завад EMI, значно знижуючи ефективність захисту.

Наслідки поганих металевих з'єднань

Негерметичність у корпусі, що виникає через неточне припасування елементів або корозію з'єднань, спричиняє локальне ослаблення поля екранування. У цих місцях може відбуватися проникнення електромагнітних хвиль, які з легкістю «просочуються» через шпарини, спричиняючи завади як назовні, так і всередині пристрою.

Відсутність електричної неперервності у з'єднаннях призводить до виникнення петель вихрових струмів, що знижує ефективність придушення магнітних полів. Такі недосконалості можуть призводити до серйозних функціональних проблем пристрою, наприклад, втрати стабільності сигналів, помилок вимірювання чи неправильної роботи систем.

Техніки мінімізації витоків EMI на швах та з'єднаннях

Щоб мінімізувати ризик витоків EMI, застосовується кілька перевірених методів:

• Точне припасування та ущільнення: Елементи корпусу мають бути прецизійно виконані, а з'єднання додатково ущільнені спеціалізованими провідними матеріалами або металізованими ущільнювачами, які забезпечують електричну неперервність і механічний захист.
• Паяння та зварювання: У місцях, особливо наражених на витоки, застосовується паяння або зварювання, які створюють тривалі та добре провідні металеві з'єднання.
• Екранувальні затискачі та пружини: Використання металевих затискачів або пружин покращує притискання елементів корпусу, що мінімізує мікрощілини. Ці пружини також забезпечують неперервність контакту під час вібрацій та змін температури.
• Контроль якості з'єднань: Регулярні дослідження резистансу з'єднань та механічні інспекції дозволяють виявити та усунути потенційні проблеми ще на етапі виробництва.

Впровадження цих рішень дозволяє ефективно обмежити емісію завад через шви та з'єднання, що значно підвищує рівень захисту EMI усієї системи.

Проникнення кабелів через корпус – як їх ефективно захистити?

У темі захисту від завад EMI часто оминається увагою, а є дуже суттєвим елементом, — це проводи, що виходять із корпусу пристрою. Саме через них часто «виходять» небажані електромагнітні сигнали, які можуть порушувати роботу обладнання або спричиняти проблеми з електромагнітною сумісністю.

Чому кабелі можуть спричиняти витоки EMI?

Кожен кабель виконує роль антени – як передавача, так і приймача електромагнітних хвиль. Якщо провід неналежно захищений, випромінювання EMI може легко через нього проникнути, спричиняючи інтерференції. На практиці це означає, що навіть якщо корпус добре екранований, підключені до нього кабелі можуть знижувати ефективність усієї захисту.

У місцях, де кабелі проходять через корпус, виникають щілини або отвори, які самі по собі можуть стати місцем витоку завад. Це означає, що сама конструкція отворів має бути ретельно спроєктована та захищена.

Застосування екранованих проводів

Одним з ефективних способів запобігання витокам EMI є застосування екранованих проводів. Екран — це провідний шар (наприклад, мідна оплетка чи алюмінієва фольга), що обплітає сигнальні або живильні проводи, який діє як бар'єр для електромагнітних хвиль. Завдяки цьому екран мінімізує випромінювання з кабелю назовні та захищає сам провід від зовнішніх завад.

Проте важливо, щоб екранування було належно заземлене, що дозволяє відвести завади та запобігає виникненню блукаючих струмів, які могли б знизити ефективність захисту.

Відповідні з'єднувачі та ущільнення

Сам кабель — це не все – не менш важливими є з'єднувачі та місця проходження кабелів через корпус. Добре підібрані екрановані з'єднувачі забезпечують неперервність екрана та мінімізують щілини, через які можуть проникати хвилі EMI.

Додатково можна застосовувати ущільнення, наприклад, EMC-кільця, які заповнюють щілини навколо проводів у місцях їхнього виходу з корпусу, запобігаючи проникненню завад.

Щоб ефективно обмежити проникнення завад через кабелі, слід застосовувати комплексний підхід: використовувати екрановані проводи, забезпечити відповідне заземлення екранів, а також подбати про солідні, екрановані з'єднувачі та герметичні проходження кабелів через корпус. Тільки тоді захист EMI буде справді ефективним та повним.

Фільтрування сигналів та живлення в екранованих корпусах

У захисті електронних пристроїв від завад EMI, самого екранування корпусу часто недостатньо. Важливим є також відповідне фільтрування сигналів та ліній живлення, які можуть переносити небажані електромагнітні імпульси до середини або назовні пристрою. У цьому розділі ми обговоримо, як і де найкраще монтувати фільтри EMI, а також як завдяки ним зменшити завадні напруги.

Як і де інсталювати фільтри EMI?

Фільтри EMI мають бути розміщені якомога ближче до точок, де проводи виходять із корпусу або де відбувається підключення до джерел живлення та сигналів. Завдяки цьому можна мінімізувати проникнення завад на подальших відрізках кабелювання.

Найчастіше застосовуються:

• Фільтри живлення – які елімінують високочастотні завади, що походять від пристрою або з живильної мережі. Їх монтують при вході лінії живлення до корпусу, що допомагає у блокуванні небажаних сигналів, які проникають до схеми.
• Сигнальні фільтри – інстальовані на сигнальних лініях, де важливо зберегти інтегральність переданих даних. Вони захищають від проникнення завад до електронних кіл, одночасно запобігаючи емісії завадних сигналів назовні.

Локалізація фільтрів має бути ретельно спланована так, щоб мінімізувати довжину неекранованого проводу всередині корпусу, адже саме на цьому відрізку можуть з'являтися завади.

Редукція завадних напруг між проводами та корпусом

Фільтри EMI ефективно редукують різниці потенціалів та завадні струми, які можуть виникати між проводами та корпусом пристрою. Без фільтрації такі напруги можуть спричиняти інтерференції, які порушують роботу інших елементів системи або навіть цілих інсталяцій.

Суттєвим елементом є також відповідне заземлення фільтрів та з'єднань корпусу, яке дозволяє відвести завадні струми до землі, а не до чутливих частин електроніки. Фільтри можуть бути з'єднані з елементами придушення, такими як феритові осердя чи дроселі, які покращують ефективність придушення високих частот. Інсталяція правильно дібраних і добре розміщених фільтрів EMI у поєднанні з солідним екрануванням корпусу є ключовою для забезпечення високого рівня захисту від завад. Фільтри дозволяють ефективно обмежити шуми та завадні напруги, що перекладається на надійну роботу електронних пристроїв навіть у важких електромагнітних умовах.

Методи придушення пульсацій та хвилеводи нижче відсікання

У темі захисту від електромагнітних завад одним з більш просунутих питань є контроль пульсацій всередині корпусів та використання хвилеводів нижче частоти відсікання. Цей підхід дозволяє значно покращити екранування, особливо у ситуаціях, коли стандартні методи недостатні.

Принципи дії хвилеводів у корпусах

Хвилевід — це структура, яка спрямовує розповсюдження електромагнітних хвиль, обмежуючи їхню прогапацію у небажаних напрямках. У контексті екранованих корпусів, хвилеводи використовуються як конструкційні елементи, які дозволяють контролювати проникнення електромагнітних хвиль через отвори, щілини або інші елементи проникнення.

Риса хвилеводу — це т. зв. частота відсікання. Нижче цієї величини хвилевід не пропускає електромагнітні хвилі — сигнали нижчих частот є ефективно пригніченими, тоді як вищі можуть через нього переміщуватися. Завдяки цьому можливе проєктування вентиляційних отворів чи проводів, що проникають через корпус, які не знижують значно рівня екранування.

На практиці, якщо діаметр отвору є меншим за довжину хвилі, що відповідає частоті відсікання, то хвилевід поводиться як бар'єр для цих хвиль. Використовуючи цю властивість, можна спроєктувати корпуси з вентиляційними отворами або входами кабелів, які не спричиняють витоків EMI.

Коли застосовувати глибокі діафрагми для покращення екранування

Глибокі діафрагми — це додаткові конструкційні елементи, які збільшують довжину шляху електромагнітних хвиль всередині отворів або щілин. Замість простого, короткого проходження, діафрагма змушує багаторазове відбиття хвиль на стінках, що призводить до їхнього придушення та значного ослаблення енергії, що проникає через отвір.

Застосування глибоких діафрагм є особливо ефективним у місцях, де потрібні отвори більших розмірів (наприклад, вентиляційні), які через розмір могли б становити серйозне джерело витоків EMI. Завдяки збільшенню ефективної довжини хвилеводу та абсорбційної поверхні, ці діафрагми діють як бар'єр, що пригнічує сигнали, не впливаючи значно на потік повітря або функціональність корпусу.

Підсумок та найкращі практики захисту від EMI

Електромагнітні завади (EMI) — це серйозний виклик для сучасної електроніки. Захист від них вимагає розуміння їхніх джерел, механізмів пропагації та ефективних методів екранування і придушення. У статті ми обговорили ключові аспекти, пов'язані із захистом від EMI, які можна підсумувати у кількох найважливіших принципах та практиках.

Комплексний підхід до екранування

Ефективний захист від EMI вимагає застосування різних технік спільно. Екранування електричних та магнітних полів — це основа – відповідний добір матеріалів, таких як провідні щити та магнітно-проникні матеріали, значно обмежує проникнення завад. Важливим є також проєктування корпусів з урахуванням мінімізації витоків на швах, з'єднаннях та отворах.

Дбайливе ставлення до конструкційних деталей

Як ми показали, навіть малі недосконалості – слабкі з'єднання, погано виконані стики чи неналежно захищені кабельні проходження – можуть стати слабкими місцями для EMI. Проєктувальники мають звертати увагу на належне закріплення елементів, застосування екранованих кабелів та відповідних з'єднувачів, а також використання сигнальних фільтрів та фільтрів живлення.

Використання просунутих рішень

Застосування хвилеводів нижче частоти відсікання та глибоких діафрагм дозволяє зберегти ефективність екранування навіть там, де необхідні вентиляційні отвори або інші проникнення корпусу. Це рішення показує, як просунуті технології можуть підтримувати традиційні методи захисту EMI.

Найкращі практики:

• Проєктуйте з думкою про екранування – вже на етапі проєктування пристрою плануйте заземлення, екранування та елімінацію потенційних витоків EMI.
• Застосовуйте відповідні матеріали – обирайте провідні щити та магнітні матеріали згідно з характеристикою завад.
• Подбайте про з'єднання та стики – солідні, добре прилеглі та захищені стики є ключовими.
• Контролюйте отвори та вентиляцію – проєктуйте отвори з урахуванням хвилеводів та діафрагм, мінімізуючи проникнення хвиль.
• Фільтруйте сигнали та живлення – застосовуйте фільтри на проводах, щоб редукувати завади вже біля джерела.
• Регулярно тестуйте пристрої – вимірювання EMI дозволяють виявляти проблеми та вносити корективи на ранньому етапі.

Джерела:

1. H. Ott, Inżynieria kompatybilności elektromagnetycznej, John Wiley & Sons, Nowy Jork, 2009.

2. C. R. Paul, Wprowadzenie do Kompatybilności elektromagnetycznej, 2. Ed., Wiley Series w dziedzinie mikrofalówki i inżynierii optycznej, 2006.

3. 2025 LearnEMC, LLC