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 và Tin học công nghiệp

HÀ NỘI, 6/2022

Chữ ký của GVHD

Mục lụ

Danh mục hình ảnh 2

CHƯƠNG 1 Tổng quan về Màn chắn điện từ (EMC Shielding) 3

1.1 Khái niệm Màn chắn điện từ (EMC shielding) 3

1.2 Màn chắn điện từ hoạt động như thế nào? 3

1.3 Lí do chúng ta cần Màn chắn điện từ 3

1.4 Các kĩ thuật che chắn được sử dụng 3

1.5 Hiệu suất che chắn với nguồn điện trường xa, gần 4

CHƯƠNG 2 Màn chắn điện từ trường tần số thấp 6

2.1 Sóng phẳng 6

2.2 Điện trường 6

2.3 Từ trường 6

2.4 Kết luận 7

CHƯƠNG 3 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 4 Các ví dụ về màn 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 quả che chắn 20 dB 11

Bảng 3-2 Giảm hiệu quả che chắn so với số khe hở 12

Hình 1-1 Kĩ thuật che chắn bằng vỏ bọc 4

Hình 1-2 Không gian xung quanh vùng bức xạ 4

Hình 2-1 Tổn hao phản xạ đối với sóng phẳng lớn hơn ở tần số thấp và đối với vật liệu dẫn điện cao 6

Hình 2-2 Vật liệu từ tính được sử dụng như một tấm chắn bằng cách cung cấp một đường dẫn có điện trở thấp chuyển hướng từ trường xung quanh vùng được che chắn 7

Hình 2-3 Hiệu quả che chắn điện trường, sóng phẳng và từ trường bằng một tấm chắn nhôm đặc dày 0,02 in 8

Hình 2-4 Dữ liệu thực nghiệm sự tổn hao từ trường của các tấm kim loại trong trường gần 9

Hình 2-5 Kết quả thực nghiệm các phép thử xác định độ suy giảm từ trường của các tấm dẫn trong trường gần 9

Hình 3-1Minh họa ảnh hưởng của các khe lên dòng điện cảm ứng trên tấm chắn Nhiều lỗ nhỏ cung cấp nhiều lỗ thông gió như một khe dài, nhưng làm nhiễu dòng điện cảm ứng ít hơn nhiều, do đó làm giảm sự suy giảm do khe hở gây ra 10 Hình 3-2 Hiệu quả che chắn so với tần số và chiều dài khe tối đa cho một khe hở .11

Hình 3-3 (A) Trở kháng của đường nối bao gồm thành phần điện trở và điện dung; (B) sự chồng chéo đường may làm tăng điện dung qua mối nối 13

Hình 4-1 Màn chắn điện từ làm bằng kim loại 14

Hình 4-2 Màn chắn sử dụng cho máy biến áp 15

Hình 4-3 Lớp phủ sơn dẫn điện bên trong hộp nhựa 17

Hình 4-4 Màn chắn trong phương pháp phun hồ quang 17

Hình 4-5 Lớp phủ dẫn điện trong suốt sử dụng làm màn che chắn điện từ 18

Hình 4-6 Cửa lò vi sóng sử dụng màn chắn lưới thép 18

CHƯƠNG 1 Tổng quan về Màn chắn điện từ (EMC Shielding)

1.1 Khái niệm Màn chắn điện từ (EMC shielding)

Màn chắn điện từ (EMC shielding) là những phương pháp được sử dụng để bảo

vệ tín hiệu nhạy cảm khỏi các tín hiệu từ bên ngoài hoặc ngăn tín hiệu mạnh hơn

bị rò rỉ và gây nhiễu cho các thiết bị điện tử xung quanh Nó có thể bao gồm các phần tử PCB như chip IC và các thành phần hoạt động, hoặc các đầu nối và cáp giữa các PCB

Các tần số điện từ có thể ảnh hưởng đến nhiều thiết bị nhạy cảm và có thể gây ra nhiều vấn đề khác nhau từ sự ngắt quãng đơn giản trên đường dây liên lạc đến sự gián đoạn hoàn toàn của tín hiệu quan trọng Nó ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm các thiết bị điện tử tiêu dùng và công nghiệp, vào các hệ thống quan trọng của quân đội và các dịch vụ khẩn cấp

1.2 Màn chắn điện từ hoạt động như thế nào?

Mục đích chính của màn chắn điện từ là ngăn nhiễu điện từ (EMI) hoặc nhiễu tần

số vô tuyến (RFI) ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử nhảy cảm Điều này đạt được bằng cách sử dụng 1 màn chắn kim loại để hấp thụ nhiễu điện từ truyền qua không khí Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc của lồng Faraday Màn chắn sẽ hấp thụ các tín hiệu truyền vào và tạo ra dòng điện chạy bên trong nó được dẫn xuống đất

Bằng cách hấp thụ các tín hiệu nhiễu này trước khi chúng đến mạch điện nhạy cảm, tín hiệu được giữ sạch khỏi nhiễu điện từ, tối đa hóa hiệu quả che chắn

1.3 Lí do chúng ta cần Màn chắn điện từ

Ví dụ:

 Một điện thoại di động bất hợp pháp và không được chứng nhận có thể phát ra EMI gây nhiễu các hệ thống âm thanh khác Ví dụ: khi sử dụng điện thoại trong ô tô, người dùng có thể nghe thấy cuộc trò chuyện của họ được chuyển tiếp qua loa đài trên ô tô Đây là một trường hợp phát xạ EMI bất hợp pháp đơn giản

 Hệ thống hạ cánh điện tử có dẫn đường tại các sân bay Hãy tưởng tượng điều gì có thể xảy ra nếu nó bị trục trặc do nhiễu điện từ từ các thiết bị cầm tay không đạt tiêu chuẩn và bất hợp pháp như máy tính, máy tính bảng hoặc điện thoại di động

 Nghiên cứu cho thấy rằng sự phát xạ điện từ từ điện thoại di động có thể gây tổn thương não khi cầm gần nhau trong thời gian dài Biện pháp bảo

vệ duy nhất chống lại điều này là sử dụng điện thoại đã được chứng nhận với tấm chắn điện từ theo quy định trong các tiêu chuẩn thích hợp của Úc

và NZ

1.4 Các kĩ thuật che chắn được sử dụng

Một số kỹ thuật và vật liệu có thể được sử dụng cho Màn chắn điện từ, và vật liệu được sử dụng phụ thuộc vào loại điện tử và tần số liên quan Điều này là do lượng tín hiệu giảm / chặn phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng, kích thước của khối được che chắn, độ dày của vật liệu - mỗi yếu tố này ảnh hưởng đến phạm vi

và cường độ của tần số có thể được tấm chắn hấp thụ

 Che chắn bằng vỏ bọc: Được áp dụng cho vỏ thiết bị hoặc các thành phần phụ của hệ thống, sử dụng các vật liệu như kim loại tấm, màn hình kim loại hoặc bọt kim loại Hiệu quả của nó phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, độ dày và hướng khẩu độ của nó

Hình 1-1 Kĩ thuật che chắn bằng vỏ bọc

 Các tấm chắn kim loại làm bằng kim loại hoặc vật liệu ferit

 Điện từ học như chất lỏng và cuộn dây khử các trường tĩnh hoặc tần số thấp

 Vật liệu siêu dẫn loại bỏ từ trường

 Lá kim loại hoặc lá chắn bện để bao quanh cáp hoặc dây để chặn EMI

 Sơn dẫn điện ngăn chặn sự phát xạ tần số điện từ (EMF)

 Tụ điện, ống dẫn và 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 bức xạ có thể được chia thành 2 vùng là gần hoặc

xa ngăn cách nhau bởi 1 vùng chuyển tiếp

Hình 1-2 Không gian xung quanh vùng bức xạ

Hiệu quả của che chắn có thể được phân tích theo nhiều cách khác nhau Trong chương sẽ sử dụng cách tiếp cận ban đầu được phát triển bởi SA Schekunoff Schekunoff coi việc che chắn như 1 sự cố đường truyền với suy hao và phản xạ các thành phần Sự mất mát là kết quả của nhiệt được tạo ra bên trong tấm chắn

và phản xạ là kết quả của sự khác biệt giữa trở kháng sóng tới và trở kháng của lá chắn

Hiệu quả che chắn (S) được định nghĩa cho điện trường là:

S = 20 log dB

Và cho từ trường là:

S = 20 log dB Với () là cường độ điện (từ) trường tới và () là cường độ điện (từ) trường ló khỏi tấm chắn

Hiệu quả của tấm chắn thay đổi theo tần số, hình dạng của tấm chắn, vị trí được

đo, góc tới…

Khi sóng điện từ chạm vào bề mặt màn chắn, sóng sẽ bị phản xạ 1 phần từ bề mặt

và phần sóng truyền qua (không phản xạ) bị suy giảm khi nó đi qua màn chắn Hiện tượng này gọi là sự hấp thụ hay sự thâm nhập

Tổng hiệu quả che chắn của vật liệu rắn bằng tổng của mất mát hấp thụ (A) cộng với suy giảm phản xạ (R) và hệ số hiệu chỉnh (B) và có thể được viết là:

S = A + R + B (dB)

CHƯƠNG 2 Màn chắn điện từ trường tần số thấp 2.1 Sóng phẳng

Tổng tổn hao đối với sóng phẳng trong trường xa là sự kết hợp của tổn hao hấp thụ và 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 của sóng bằng trở kháng đặc trưng của không gian tự do (377 Ω) Ta có phương trình tính tổn hao phản xạ đối với sóng phẳng:

R = 20log dB

 Trở kháng của tấm chắn càng thấp thì suy hao phản xạ càng lớn

mà ta có 3.68 x nên:

R = 168 + 10log()

Như có thể quan sát thấy, tổn hao hấp thụ giảm xuống theo tần số Ngược lại, tổn hao phản xạ tăng lên khi tần số thấp, bởi vì trở kháng Z_S của tấm chắn giảm xuống theo tần số

Hình 2-3 Tổn hao phản xạ đối với sóng phẳng lớn hơn ở tần số thấp và đối với vật liệu

dẫn điện cao

2.2 Điện trường

Tổng tổn hao cho một điện trường thu được bằng cách kết hợp tổn hao hấp thụ:

A = 3.34t dB và tổn hao phản xạ: = 322 + 10 log( ) dB. (Hệ số hiệu chỉnh đa phản xạ B thường bị bỏ qua trong trường hợp điện trường, vì suy hao phản xạ rất lớn và thời hạn hiệu chỉnh nhỏ)

Ta có thể thấy, ở tần số thấp, tổn hao phản xạ là cơ chế che chắn chính cho điện trường vì tổn hao hấp thụ giảm theo tần số Ngược lại, tổn hao phản xạ tăng lên ở tần số thấp

2.3 Từ trường

Tổng tổn hao cho từ trường thu được bằng cách kết hợp

tổn hao hấp thụ: A = 3.34t dB và tổn hao phản xạ: R_m = 14.6 + 10 log( = 14.6 + 10 log( dB (Nếu tấm chắn dày (tổn hao hấp thụ > 9 dB), hệ số hiệu chỉnh đa phản xạ B có thể bị bỏ qua)

Trong trường gần, sự tổn hao phản xạ đối với từ trường tần số thấp là nhỏ Điều này thể hiện rõ ràng hơn trong một tấm chắn mỏng do có nhiều phản xạ Tổn hao chính đối với từ trường là tổn hao hấp thụ

Ta có thể thấy, ở tần số thấp, cả tổn hao hấp thụ và tổn hao phản xạ đều giảm Bởi vì cả sự tổn hao hấp thụ và phản xạ đều nhỏ ở tần số thấp, nên tổng hiệu quả che chắn thấp

 Rất khó để che chắn các từ trường tần số thấp

Do đó, chỉ có thể đạt được bảo vệ bổ sung chống lại từ trường tần số thấp bằng cách cung cấp một đường dẫn từ trường có điện trở thấp để chuyển hướng từ trường xung quanh mạch được bảo vệ

Hình 2-4 Vật liệu từ tính được sử dụng như một tấm chắn bằng cách cung cấp một đường dẫn có điện trở thấp chuyển hướng từ trường xung quanh vùng được che chắn

2.4 Kết luận

Ví dụ về hiệu quả che chắn tổng hợp của tấm chắn nhôm đặc dày 0,02 in đối với điện trường, sóng phẳng và từ trường

Hình 2-5 Hiệu quả che chắn điện trường, sóng phẳng và từ trường bằng một tấm chắn

nhôm đặc dày 0,02 in

Như có thể quan sát trong hình, trong mọi trường hợp đều tồn tại sự che chắn đáng kể đối với từ trường tần số thấp

Ở tần số cao (trên 1MHz), tổn hao hấp thụ chiếm ưu thế trong mọi trường hợp và bất kỳ màn chắn vững chắc nào đủ dày để sử dụng trong thực tế sẽ cung cấp được nhiều khả năng che chắn thích hợp cho hầu hết các ứng dụng

Nếu một vật liệu từ được sử dụng như một tấm chắn thay cho một chất dẫn điện tốt, thì độ từ thẩm µ tăng và độ dẫn điện σ giảm Điều này có các tác dụng:

1 Làm tăng sự tổn hao hấp thụ, vì độ từ thẩm tăng nhiều hơn độ dẫn điện giảm đối với hầu hết các vật liệu từ tính

2 Làm giảm sự tổn hao phản xạ

Tổng tổn hao qua một tấm chắn là tổng của tổn hao do hấp thụ và do phản xạ Trong trường hợp từ trường tần số thấp, sự tổn hao phản xạ xảy ra rất ít, và sự tổn hao hấp thụ là cơ chế che chắn chính Trong những điều kiện này, thường có lợi khi sử dụng vật liệu từ tính để tăng suy hao hấp thụ

Trong trường hợp điện trường tần số thấp hoặc sóng phẳng, cơ chế che chắn chính là phản xạ Do đó, sử dụng vật liệu từ tính sẽ làm giảm khả năng che chắn

 Hiệu quả che chắn ở tần số thấp phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu che chắn Khi các vật liệu từ tính được sử dụng làm lá chắn, phải tính đến ba đặc tính thường bị bỏ qua Các thuộc tính này như sau:

1 Độ từ thẩm giảm dần theo tần số

2 Độ từ thấm phụ thuộc vào cường độ trường

3 Gia công hoặc khai thác các vật liệu từ tính có tính từ thẩm cao, chẳng hạn như mumetal, có thể thay đổi tính chất từ của chúng

Kết quả của các thử nghiệm được thực hiện để đo hiệu quả che chắn từ trường tần số thấp của các loại tấm kim loại khác nhau:

Hình 2-6 Dữ liệu thực nghiệm sự tổn hao từ trường của các tấm kim loại trong trường

gần

Hình 2-7 Kết quả thực nghiệm các phép thử xác định độ suy giảm từ trường của các

tấm dẫn trong trường gần

Các phép đo được thực hiện trong trường gần với nguồn và bộ tiếp nhận cách nhau 0,1 in Các tấm chắn dày từ 3 đến 60 mils (in x 10^(-3)) và tần số thử

nghiệm nằm trong khoảng từ 1 đến 100 kHz

CHƯƠNG 3 Hiệu ứng khe hở 3.1 Nguyên nhân tạo khe hở

Như đã chỉ ra trước đó, có nhiều trường hợp không thể tránh được các lỗ hở trong một tấm chắn liền kề khác vì những lý do thực tế Một trong những điều phổ biến hơn là cần phải thông gió cho các thiết bị điện tử bên trong vì lý do tản nhiệt Các khe hở thường được sử dụng để di chuyển không khí nóng bên trong tấm chắn ra bên ngoài Người quan sát thấy rằng những kiểu lỗ này thường ở dạng nhiều lỗ nhỏ hơn là một lỗ lớn Có một lý do quan trọng cho điều này, được minh họa trong Hình 3.1 Hãy xem xét tấm chắn vững chắc được hiển thị trong hình sau:

Hình 3-8Minh họa ảnh hưởng của các khe lên dòng điện cảm ứng trên tấm chắn Nhiều

lỗ nhỏ cung cấp nhiều lỗ thông gió như một khe dài, nhưng làm nhiễu dòng điện cảm

ứng ít hơn nhiều, do đó làm giảm sự suy giảm do khe hở gây ra

Hình 3.1a Các dòng điện được tạo ra trong tấm chắn này, và chính các dòng điện này và các trường liên quan của chúng tạo ra các trường "phân tán", chống lại hoặc giảm tác động của các trường sự cố Trong đó ta coi một sóng phẳng đồng nhất thường tới bề mặt của một vật dẫn hoàn hảo Trường sự cố tạo ra dòng điện

bề mặt, có thể được coi là tạo ra trường tái sinh Trường phát ra lại có cực tính sao cho nó có xu hướng hủy bỏ trường tới để thỏa mãn điều kiện biên là tổng trường điện tiếp tuyến với một vật dẫn hoàn hảo phải bằng không Để tấm chắn thực hiện việc hủy bỏ này, các dòng điện cảm ứng phải được phép không bị cản trở Giả sử rằng chúng ta đặt một khe trong tấm chắn vuông góc với phương của các dòng điện cảm ứng này Khe cắm sẽ làm gián đoạn dòng điện và có xu hướng làm giảm hiệu quả che chắn Chiều rộng của rãnh không ảnh hưởng đáng kể đến điều này, như được minh họa trong Hình 3.1b, c Mặt khác, nếu chúng ta định hướng khe cắm song song với hướng của dòng điện cảm ứng, thì khe cắm sẽ ít ảnh hưởng hơn đến tấm chắn, như minh họa trong Hình 3.1d Vì không khả thi khi xác định hướng của dòng điện cảm ứng và đặt hướng rãnh một cách thích hợp, một số lượng lớn các lỗ nhỏ được sử dụng thay thế, như minh họa trong Hình 3.1e

Lượng rò rỉ từ một khe hở phụ thuộc chủ yếu vào ba mục sau:

 Kích thước tuyến tính tối đa, không phải diện tích của khe hở

 Trở kháng sóng của trường điện từ

 Tần số của trường

3.2 Nhiều khe hở

Nhiều hơn một khe hở sẽ làm giảm hiệu quả che chắn của lớp vỏ Mức độ giảm phụ thuộc vào (1) số lượng khe hở, (2) tần số và (3) khoảng cách giữa các khe hở

Đối với một mảng tuyến tính có các khe hở gần nhau, sự giảm hiệu quả che chắn

tỷ lệ với căn bậc hai của số khe hở (n) Do đó, hiệu quả che chắn, tính bằng decibel, từ nhiều khe hở là:

20log

S   n,

hoặc

10log

S   n

Phương trình trên áp dụng cho một mảng tuyến tính, có kích thước bằng nhau và các khe hở cách đều nhau, trong đó tổng chiều dài của mảng nhỏ hơn 1/2 bước sóng Lưu ý rằng S ở đây là số âm

Hiệu quả che chắn ròng của một mảng tuyến tính gồm các lỗ có kích thước bằng nhau sẽ là hiệu quả che chắn của một trong các lỗ cộng với việc che chắn

Hình 3-9 Hiệu quả che chắn so với tần số và chiều dài khe tối đa cho một khe hở

Frequency (MHz) Maximun Slot Length (in)

Bảng 3-1 Chiều dài khe tối đa so với tần số cho Hiệu quả che chắn 20 dB