Model de Calcul al Atenuarii In Materiale Composite

Introducere

Prin Compatibilitate electromagnetică, CEM (Electromagnetic Compatibility, EMC) se înțelege capacitatea echipamentelor electrice de a funcționa corect în mediul electromagnetic pentru care a fost proiectat fără a influența negativ funcționarea altor echipamente. Termenul de Compatibilitate electromagnetică desemnează și ansamblul tehnicilor de realizare a cerințelor de mai sus [7]

Orice problemă de compatibilitate electromagnetica implică trei elemente:

_ un emițător de perturbații, care poate fi un echipament, un fenomen electric natural sau artificial capabil să emită energie EM în spațiu;

_ un receptor de perturbații – un sistem a cărui funcționare poate fi afectată de semnale nedorite, un sistem capabil să recepționeze energie EM din mediu înconjurător;

_ un mecanism de cuplaj, adică o cale de pătrundere a semnalelor perturbatoare, de transmitere a energiei EM, în receptor.

Fig.1 Cele trei elemente ale unei probleme de compatibilitate

Atunci când semnalul perturbator pătruns în sistemul perturbat, se produce o suprapunere și compunere a acestuia cu semnalele utile, adică o interferență (electromagnetică – IEM), evident nedorită, perturbatoare.

Interferențele pot fi intersistem sau intrasistem, după cum emițătorul și receptorul sunt:

complet separate spațial (de exemplu, un trăsnet și un calculator) – interferență

itersisteme sau

părți componente ale aceluiași echipament, circuit – de exemplu, preamplificatorul și

amplificatorul de putere dintr-o stație Hi-Fi – interferență intrasistem

Fig.2 Interferențe intersistem (stânga) și intrasistem (dreapta)

Generatori de perturbații EM care determină interferențe intersistem, sunt:

fenomene naturale, precum descărcările electrice atmosferice (fulgere, trăsnete, …), vântul solar, triboelectricitatea datorată frecării plăcilor tectonice și altele;

fenomene și echipamente artificiale, categorie în care intră:

scânteile și arcurile electrice produse accidental, de aparatele de sudură, bujiile mașinilor, la descărcările din tuburile luminescente etc.;

variațiile de tensiune din rețelele de alimentare;

mașinile și aparatele electrice (motoare, întrerupătoare, comutatoare, …);

echipamente electronice și radioelectronice, cum sunt radioemițătoarele de variate tipuri, convertoare și invertoare statice, sisteme de telecomandă și teleghidaj etc.;

Receptorii de perturbații EM în care se produc interferențe intersistem sunt:

receptori radio de toate tipurile;

aparate de măsură și control, sisteme de automatizare;

sistemele de prelucrare a datelor (calculatoare, sisteme embedded, modem-uri etc.);

aparatura electronică medicală (stimulatoare cardiace, proteze, aparate de menținere a

vieții etc.).

Model de calculul al eficientei ecranării cu ajutorul programului SPICE

Izomorfismul lui Shelkunoff face o paralelă între propagarea câmpului electromagnetic si propagarea în liniile de transmisie. Punctul de pornire pentru realizarea acestui model a fost izomorfismul lui Shelkunoff. Modelul se bazează pe paralela între propagarea unui semnal electric (tensiune, curent) printr-o linie de transmisie si propagarea câmpului electromagnetic în diferite medii.

Paralela este arătată în figura 3:

Fig. 3 Modelarea ecranării cu linii de transmisie

Unda electromagnetică incidentă este atenuată la trecerea prin materialul ecranului prin reflexie, absorbtie si re-reflexie. La fel, tensiunea de intrare este micsorată prin reflexiile pe linie si absorbtia în elementele disipative. Elementele de circuit C si L pentru liniile de transmisie se stabilesc conform izomorfismului lui Shelkunoff prin corespondenta C corespunde lui e si L corespunde lui μ, permitivitatea respectiv permeabilitatea mediului de transmisie. Elementul de circuit R se stabileste prin analogia firească între propagarea energiei electrice prin conductoare si propagarea undei electromagnetice printr-un mediu conductor care atenuează unda.

Comportarea liniei de transmisie în cazul modelării unui ecran este opusă comportării la aplicarea unei tensiuni, deci lui R îi corespunde s (conductivitatea mediului) si G se neglijează.

Pentru a vedea cum se comportă un material folosit pentru ecranare se poate simula comportarea lui folosind un model al liniei de transmisie. Un astfel de model există în SPICE. Schema electrică simulată este dată în figura 4:

Fig.4 Modelul de linie de transmisie folosit pentru modelarea unui material de ecranare

Prima simulare a fost realizată pentru un ecran din cupru, caracteristicile materialului fiind:

Conductivitatea σ= 5,8.10 7m-1

Permeabilitatea µ=1,257.10-6 H /m

Permitivitatea ε= F /m

Fisierul SPICE pentru simulare contine 4 variante de ecrane cu grosimile de 1µm, 10µm, 100µm si 1000µm.

*ecran-Cu

V1 1 0 AC 1 PULSE 0 1V 0 0 0 2n 10n

TCU 1 0 2 0 r=5.8e+7 l=1.257e-2 c=8.84e-12 g=0 len=100u

R1 2 0 50ohm

V2 3 0 AC 1 PULSE 0 1V 0 0 0 2n 10n

TCU1 3 0 4 0 r=5.8e+7 l=1.257e-2 c=8.84e-12 g=0 len=500u

R2 4 0 50ohm

V3 5 0 AC 1 PULSE 0 1V 0 0 0 2n 10n

TCU2 5 0 6 0 r=5.8e+7 l=1.257e-2 c=8.84e-12 g=0 len=1000u

R3 6 0 50ohm

.PROBE

.tran 0.5n 10n 0 0

.END

Eficienta ecranării este:

SE  log(tensiunea în absenta ecranului/ tensiunea după ecran)

Cele 4 grafice de variatie a eficacitătii ecranării în functie de frecventă în gama 100Hz-10Ghz sunt date în figura 5:

Fig. 5 Eficienta ecranarii pentru un ecran de cupru, eficienta cea mai mare corespunde

ecranului cel mai gros

Se remarcă o bună asemănare a formei graficelor date de simulare cu cele ridicate experimental.Totusi se remarcă o eficienă a ecranării prin simulare mai mică decât cea măsurată, precum si frecvente mai mari, de unde va care creste eficienta mai mult decât la graficele ridicate prin măsurare.

Conditiile de măsurare implică o anumită distantă de la sursa de radiatie electromagnetică la ecran. Dacă se extinde izomorfismul lui Shelkunoff de la ecrane la mediile conductoare de unde electromagnetice se poate imagina un model de linie de transmisie pentru aer, parametrii echivalenti fiind cei din tabelul 1. Singura modificare este conductivitatea electrică a aerului care este foarte mică- 120μS/cm.

Se poate analiza procesul de ecranare si în domeniul timp prin simularea ecranului de cupru printr-o linie de transmisie. La intrarea liniei se aplică un semnal dreptunghiular asemănător cu semnalul de retea Ethernet de 100Mbps cu amplitudinea de 1V si se determină amplitudinea semnalului de iesire. Programul SPICE nu admite în această simulare un raport R/L>1010 asa încât s-a redus valoarea L, ceea ce nu afectează eficacitatea ecranării ci numai forma semnalului.

Programul SPICE este:

*ecran-Cu

V1 1 0 AC 1 PULSE 0 1V 0 0 0 2n 10n

TCU 1 0 2 0 r=5.8e+7 l=1.257e-2 c=8.84e-12 g=0 len=100u

R1 2 0 50ohm

V2 3 0 AC 1 PULSE 0 1V 0 0 0 2n 10n

TCU1 3 0 4 0 r=5.8e+7 l=1.257e-2 c=8.84e-12 g=0 len=500u

R2 4 0 50ohm

V3 5 0 AC 1 PULSE 0 1V 0 0 0 2n 10n

TCU2 5 0 6 0 r=5.8e+7 l=1.257e-2 c=8.84e-12 g=0 len=1000u

R3 6 0 50ohm

.PROBE

.tran 0.5n 10n 0 0

.END

Rezultatele sunt date în figura 6 pentru 3 grosimi ale ecranului, tensiunea de intrare fiind 1V:

Figura 6: Semnal de iesire provenind dintr-un semnal ecranat cu ecran de Cu

Modelul dublei ecranări

Dubla ecranare poate fi simulată prin introducerea a 2 ecrane de cupru situate la o oarecare distantă unul de celălalt, sursa de radiatie fiind situată si ea la distantă. Modelul este dat în figura 7:

Fig.7 Modelul dublei ecranări

Programul SPICE este:

*aer+2 x ecran-Cu

VIN 1 0 AC 1 0

TAER 1 0 3 0 r=0.012 l=1.257e-6 c=8.84e-12 g=0 len=100

R1 3 0 50ohm

TCU 3 0 2 0 r=5.8e+7 l=1.257e-6 c=8.84e-12 g=0 len=1m

R2 2 0 50ohm

TAER1 2 0 6 0 r=0.012 l=1.257e-6 c=8.84e-12 g=0 len=1m

R3 6 0 50ohm

TCU1 6 0 5 0 r=5.8e+7 l=1.257e-6 c=8.84e-12 g=0 len=1m

R4 5 0 50ohm

.PROBE

.AC DEC 100 1Hz 10GHz

.END

Conform asteptărilor graficul eficientei ecranării arată o eficientă dublă în cazul folosirii dublei

ecranări, figura 8:

Fig.8 Eficienta unui ecran dublu de cupru cu grosimea de 2x1mm

Concluzii

Modelul propus bazat pe izomorfismul lui Shelkunoff se poate folosi în acest stadiu doar la evaluarea eficientei ecranării. Pentru a se obtine rezultate utilizabile în practică trebuie ca modelul să fie îmbunătătit. O cauză posibilă a preciziei mici ar putea fi modelul liniei de transmisie din SPICE care nu poate opera cu valori mari ale R/L.

Bibliografie

[1] Burzo, E., Fizica Fenomenelor Magnetice, Editura Academiei Române, vol. 1, 1979, București.

[2] White, D.R.J.: Electromagnetic Shielding Materials and Properties. Don White Consultants, Inc., 1980.

[3] www.emc.york.ac.uk/reports/linkpcp/appG.pdf Coupling of EMI to cables: Theory and

models, University of York, 2003

[4] FEMM Reference Manual – http://www.femm.info/Archives/doc/manual42.pdf

[5] Efectul de ecranare electromagnetică – http://www.forumelectro.ro/articles.php?article_id=3

[6] Bazele electrotehnicii, Mihai Iordache, Ed. Matrix Rom, Bucuresti, 2008

[7] Principii si tehnici de compatibilitate electromagnetica, Gheorge Hortopan, Bucuresti, 2005

[8] MIL-STD 285, Method of Attenuation Measurement for Enclosures, Electromagnetic Shielding, for Electronic Test Purposes, U.S. Government Printing Office, Washington: 1956.

[9] Schwab, A.J. Compatibilitatea Electromagnetică

[10] Hortopan G., Vlase O., Nitu S., -Ecranarea electromagnetica in tehnica curentilor intense.Ed.Tehnica, Bucuresti, 1990