blindaje y apantallamiento · 2003. 3. 13. · compatibilidad electromagnética blindajes y...
TRANSCRIPT
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 1
Blindaje y Apantallamiento
Compatibilidad Electromagnética
Grupo de Radiación
Dpto. Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones.
Universidad Politécnica de Madrid
J. Fdez Jambrina
Blindaje-2Doct 2001
Blindaje y Apantallamiento
• Introducción
• Definición de Efectividad
• Modelo de las fuentes de campo
• Efectividad de una lámina conductora indefinida.
• Protección por conductos de campo magnético.
• Efecto de aperturas en las cajas.
• Paso de cables a través de aperturas.
• Efecto de las ranuras en las cajas.
• ¿Métodos numéricos?
• Recomendaciones
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 2
J. Fdez Jambrina
Blindaje-3Doct 2001
Introducción
• El blindaje o apantallamiento se suele considerar el último recursopara reducir emisiones y aumentar la inmunidad.
• El apantallamiento suele consistir en encerrar el dispositivo en unrecinto (caja) conductor de forma que los campos sufran una elevadaatenuación al atravesarlo.
• La efectividad de un apantallamiento se mide comparando loscampos antes y después de colocar el apantallamiento.
• Las menores efectividades se obtienen para los campos magnéticosde baja frecuencia. Por eso veces se utilizan materiales de altapermeabilidad para ‘conducir’ las líneas de campo.
• Debe tenerse especial cuidado en todas las uniones de loselementos del blindaje, en sus orificios y con todos los cables que loatraviesen.
• El paradigma de los apantallamientos son las cámarassemianecoicas.
J. Fdez Jambrina
Blindaje-4Doct 2001
Efectividad
• La efectividad se define como la relación entre los niveles de campocon y sin apantallamiento.
– Se define por separado para el campo eléctrico y el magnético porqueno acostumbran a coincidir.
)log(20)log(20ientoapantallamcon
ientoapantallamsin
ientoapantallamcon
ientoapantallamsin
H
HS
E
ES HE r
r
r
r
==
– Es más fácil de medir que de calcular.
– Depende de:
» La fuente: frecuencia, tipo de campo y diagrama.
» El receptor: frecuencia, tipo de campo y diagrama.
» El material: forma, características y discontinuidades.
» La posición de fuentes, pantalla y receptor,.
– Conviene empezar por el caso más simple posible, desde el punto devista teórico,
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 3
J. Fdez Jambrina
Blindaje-5Doct 2001
Modelo de las fuentes de campo:
• Aunque las dimensiones eléctricas de los elementos del sistemasean (muy) pequeñas, no es posible estudiar los blindajes sinconsiderar las soluciones de onda completa:
– Los generadores de campo eléctrico se asimilan a dipolos cortos.
– Los generadores de campo magnéticos se asimilan a cuadros pequeños.
– Para estos elementos el campo radiado es conocido.
• Aparte de las intensidades de los campos radiados, el parámetromás interesante es la impedancia de la onda radiada.
( ) ( )( )zH
zEnzZ r
r×
=ˆ
J. Fdez Jambrina
Blindaje-6Doct 2001
Coeficientes de reflexión e Impedancias deondas planas.
• Cuando existe una onda incidente y otra reflejada, que se propagansegún +z y -z, respectivamente:
• El coeficiente de reflexión se define como la relación entre lasamplitudes de los campos eléctrico reflejado e incidente:
• El coeficiente de reflexión es discontinuo enlas discontinuidades de medio:
zr
zi
zr
zi eHeHzHeEeEzE γγ−γγ− +=+=
rrrrrr)()(
[ ] [ ])(1)()(1)(
)0(incidente Camporeflejado Campo
)( 2
zeHzHzeEzE
eeE
eEz
zi
zi
zz
i
zr
ρρ
ρρ
γγ
γγ
γ
−=+=
===
−−
−
rrrr
r
r
cz
11
111
, HErrσµε
22
222
, HErrσµε
[ ] [ ][ ] [ ] )()(1)(1)(
)()(1)(1)(
222111
222111
cccz
iccz
ic
cccz
iccz
ic
zHzeHzeHzH
zEzeEzeEzErrrr
rrrr
=−=−=
=+=+=−−
−−
ρρ
ρργγ
γγ
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 4
J. Fdez Jambrina
Blindaje-7Doct 2001
Coeficientes de reflexión e Impedancias deondas planas.
• La impedancia se define como:
• Normalmente, para una onda plana, Zi es la impedancia intrínsecadel medio, η:
• Sin onda reflejada, la impedancia de una onda plana es η.
• La impedancia es continua en las discontinuidades entre medios:
i
ii
i
i
ZzZZzZ
zzz
Zzz
H
Ez
zH
zEzzZ
+−
=−+
=−+×
=×
=)()(
)()(1)(1
)(1)(1ˆ
)(
)(ˆ)( ρ
ρρ
ρρ
r
r
r
r
+=
≈+
=conductor
1
odieléctric
σδσωµ
εµ
ωσεµ
ηjjj
ic
iccz
icz
iic
iccz
iic
iccz
i ZzZZzZ
eEeEZzZZzZ
eEZzZZzZ
eE1
212
2
22
1
11 )(
)()()(
1)()(
1++
=⇒
+−
+=
+−
+ γ−γ−γ−γ− rrrr
J. Fdez Jambrina
Blindaje-8Doct 2001
Campo radiado por un dipolo eléctricamentecorto
• Los campos generados por un dipolo corto, l<<λλ, por el que circulauna corriente uniforme son:
( )jkr
jkrr
jkr
r
ekrjkrr
lkIjE
ejkrr
lIE
ejkrr
lkIjH
rEEEHH
−θ
−
−ϕ
θϕ
−+
πθ
η=
+
πθ
η=
+
πθ
=
+θ=ϕ=
20
20
0
111
4sen
11
2cos
11
4sen
ˆˆˆrr
x
y
z
rr
2l
2l
θ
ϕ
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 5
J. Fdez Jambrina
Blindaje-9Doct 2001
• Expresión exacta:
• Aproximación
Impedancia del campo radiado por un dipolocorto:
0
100
200
300
400
-4000
-3000
-2000
-1000
0
( )ΩexactaR
( )ΩexactaX
( )ΩaproxX
0.1 1 10kr
( ) ( )
jkr
krjkrrZ dipoloW 1
1
111 2
,
+
−+η=
( ) 1;1
, <η−≈ krkr
jrZ dipoloW
J. Fdez Jambrina
Blindaje-10Doct 2001
Campo radiado por un cuadro eléctricamentepequeño
• Los campos generados por un cuadro circular eléctricamentepequeño, a<<λλ, por el que circula una corriente uniforme son:
( )( )
( ) jkr
jkr
jkrr
r
ejkrr
IkaE
ekrjkrr
IkaH
ejkrr
IkajH
EErHHH
−
−
−
+=
−+−=
+=
=+=
11
4
sen
111
4
sen
11
2
cos
ˆˆˆ
02
20
2
20
2
θη
θ
θ
ϕθ
ϕ
θ
ϕθ
rr
x
y
z
rr
θ
ϕ
a2
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 6
J. Fdez Jambrina
Blindaje-11Doct 2001
Impedancia del campo radiado por un cuadropequeño:
• Expresión exacta:
• Aproximación0.1 1 100
200
400
600
0.1 1 100
1000
2000
3000
kr
kr
( )ΩexactaR
( )ΩexactaX
( )ΩaproxX
( )
( )2
, 111
11
krjkr
jkrrZ cuadroW
−+
+η=
( ) 1;, <η≈ krkrjrZ cuadroW
J. Fdez Jambrina
Blindaje-12Doct 2001
Campo próximo como ondas planas.
• En las proximidades de las fuentes la impedancia de las ondas no esla intrínseca del medio:
• Sin onda reflejada, la impedancia de la onda es
• La impedancia es continua en las discontinuidades entre medios:W
WW
i
i
ZzZZzZ
zzz
Zzz
H
Ez
zH
zEzzZ
+−
=−+
=−+×
=×
=)()(
)()(1)(1
)(1)(1ˆ
)(
)(ˆ)( ρ
ρρ
ρρ
r
r
r
r
Wc
iccz
icz
iic
iccz
iWc
Wccz
i ZzZZzZ
eEeEZzZZzZ
eEZzZZzZ
eE++
=⇒
+−
+=
+−
+ −−−−
)()(
)()(
1)()(
1 212
2
221
γγγγ rrrr
WZ
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 7
J. Fdez Jambrina
Blindaje-13Doct 2001
Lámina conductora indefinida:
• Este el modelo más simple de blindaje.
• La efectividad suele descomponerse en tres términos:
S= A + R + B (dB)
– A= Pérdidas por absorción en el conductor.
– R= Pérdidas por reflexión en ambas caras del conductor.
– B= Corrección por múltiples reflexiones en el interior del conductor.
J. Fdez Jambrina
Blindaje-14Doct 2001
Lámina conductora indefinida: (2)
• El conductor queda caracterizado por su espesor ‘d’, su impedanciaintrínseca y su constante de propagación, función de la profundidadde penetración.
• La onda incidente está caracterizada por su amplitud, , y suimpedancia, , que no tiene que ser la intrínseca del medio.
• En todos los modelos que se van a presentar, se supone onda planacon incidencia normal.
– Esto es una buena aproximación ya que la longitud de onda en elconductor es mucho menor que en el dieléctrico.
f
jjcc
πµσδ
δγ
σδη
111=
+=
+=
iEr
wZ
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 8
J. Fdez Jambrina
Blindaje-15Doct 2001
Modelo simple:
• Despreciando las reflexionesinternas:
• Para el caso de una onda en laque domina el campo eléctrico:
c
d
cW
cii e
ZEE
η+ηη
η+η
= δ−
0
0/12
22rr
iE1
riE2
r
cη0η
WZ
( )δ−−= /log20 deA
( )
ηη−≈
η+ηηη−>
02
0
0 4log20
4log20 c
c
cR
η+η
ηη+
η−=ccW
c
ZR
0
022log20
cWZ η>>η> 0
J. Fdez Jambrina
Blindaje-16Doct 2001
Modelo simple: (2)
• Ejemplo: Lámina de aluminio de 1mm.
0
50
100
150
200
250
( )AbsorciónA
( )reflexiónR
RA +BRA ++
100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz
mmd
mAl
1
)(1054.3 17
=Ω⋅=σ −
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 9
J. Fdez Jambrina
Blindaje-17Doct 2001
• Término de múltiples reflexiones.– Considerando sólo las dos primeras reflexiones internas:
Corrección por Reflexión Múltiple:
1
0η0η
cη
0
0
η+ηη−η
c
c
dj
c
c e δ+−
η+ηη−η 1
22
0
0
dj
c
c
dj
c
c
e
e
B δ+
−
δ+−
η+ηη−η
−≈
η+ηη−η+
=1
22
0
0
12
2
0
0
1
1
1
J. Fdez Jambrina
Blindaje-18Doct 2001
Modelo modelo completo:
• El conductor queda caracterizado por su espesor ‘d’, su impedanciaintrínseca y su constante de propagación, función de la profundidadde penetración.
• Suponiendo que la onda dentro del conductor se comporta como unaonda plana, la impedancia presentada por el conductor es:
• La onda incidente está caracterizada por su amplitud, , y suimpedancia, , que no tiene que ser la intrínseca del medio.
( ) ( )( ) ( )
η →σ
=+δ
σδ+=
γη →
γη+γηγη+γηη=
δ>>
η<<ηδ<<
cd
c
cdc
c
ccc
Zddj
jd
Z
dddd
Zc 11
11
senhcoshsenhcosh 0,
0
0
f
jjcc πµσ
δδ
γσδ
η111
=+
=+
=
iEr
wZ
η+η
ηη+η+−
−=⇒
η+ηη
η+η+= δ
−γ−
cc
ccd
c
dc
c
ccit Z
ZeSe
ZZ
EE0
0
00
0
0
2log20log20
2rr
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 10
J. Fdez Jambrina
Blindaje-19Doct 2001
Modelo completo:
• Resumen de comportamiento– La absorción es dominante para frecuencias en las que: d >> δ
– La reflexión, en la cara de entrada, es dominante en bajas frecuencias.
– En cuanto las pérdidas por absorción son menores que 5dB, se dejannotar las reflexiones múltiples. En este caso la efectividad toma un valoraproximado de
– La efectividad aumenta con la impedancia de la onda que incide:
» Este modelo se utiliza como caso peor cuando en la onda domina elcampo eléctrico:
0η>>WZ
dAd
ση−=⇒δ<
0
2log20
J. Fdez Jambrina
Blindaje-20Doct 2001
Modelo completo y campo magnético:
• La impedancia de la onda incidente será muy baja y se adaptarámejor a la presentada por el conductor:
• Se pueden aplicar las fórmulas anteriores sin más que sustituir laimpedancia del primer medio por la de la onda incidente.
00 η<<η≈ WW ZkrjZ
η+η
η+
η+−
−=⇒
η+ηη
+η+= δ
−γ−
cWc
ccd
c
dc
Wc
ccit ZZ
ZeSe
ZZZ
EE0
0
0
0 2log20log20
2rr
( )δ−−= /log20 deA
η−≈
η+η
ηη+
η−=W
c
ccW
c
ZZR
4log20
22log20
0
0
2)1(
0
01log20
η+ηη−η
−= δ+−
dj
c
c eB
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 11
J. Fdez Jambrina
Blindaje-21Doct 2001
Múltiples reflexiones y campo magnético: (2)
• Ejemplo: Lámina de aluminio de 1mm y fuente a 0.2m
100 1 103
1 104
1 105
1 106
50
0
50
100
150
200
fi
S
BRA ++AR
B
J. Fdez Jambrina
Blindaje-22Doct 2001
Mejora del blindaje frente al campo magnético
• Los blindajes son mucho menos efectivos para el campo magnéticoque para el eléctrico, especialmente a bajas frecuencias.
– La razón es la menor impedancia de la onda de campo magnético.
• Posibles soluciones:– Aumento de las pérdidas por absorción: mayor µσ.
– Aumento de reflexión: menor σ/µ.
» Tomando como referencia el cobre (Cu)
» Aluminio:
» Acero:
» Hierro dulce (puro):
– Creación de caminos, conductos o canalizaciones (ducts) para el campomagnético, alejandolo de las zonas sensibles.
fπµσ=δ
1
( ) ( ) 0/log200log2011 ==== rrrrr µσσµσµ
( ) ( ) 56.4/log2056.4log2035.01 −=−=== rrrrr µσσµσµ
( ) ( ) 2.28/log2012.8log2017.0112 −==== rrrrr µσσµσµ
( ) ( ) 7.44/log203.92log2017.05000 −==== rrrrr µσσµσµ
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 12
J. Fdez Jambrina
Blindaje-23Doct 2001
Características de materiales.
• Weston, pp 301
• Las permeabilidades elevadas suelen tener una fuerte dependencia con la frecuencia:
J. Fdez Jambrina
Blindaje-24Doct 2001
Saturación de los materiales.
• Hay que considerar los niveles decampo de saturación de losmateriales:
– Si se excede, la permeabilidad caebruscamente a la del vacío y sepierde el efecto pantalla.
– Se pueden hacer blindajes oconductos con varias capas, deforma que:
» las que soporten mayor nivelde campo tengan un nivel desaturación más elevado, ymenor permeabilidad.
» Las que soporten menor nivelde campo tengan mayorpermeabilidad y un nivel desaturación más bajo.
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 13
J. Fdez Jambrina
Blindaje-25Doct 2001
Canalización del campo magnético.
• La canalización del campo magnético se puede realizar en losgeneradores y en las zonas sensibles:
– En los generadores para evitar la dispersión de las líneas de campo.
– En las zonas sensibles para alejar el campo de ellas.
J. Fdez Jambrina
Blindaje-26Doct 2001
Modelos de canalizaciones decampo magnético (1)
• Todos estos ejemplos están calculados en diferencias finitas, dosdimensiones, y con una
• La efectividad de la canalización depende de la orientación
1000=µ r
• Efectiva • No Efectiva
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 14
J. Fdez Jambrina
Blindaje-27Doct 2001
Modelos de conductos decampo magnético (2)
• Son preferibles los montajes querodean por completo a la zona aproteger.
– Dan mejor protección
– Son menos dependientes de laorientación de los campos.
• Aunque son:– Más engorrosos de montar.
– Más caros
– Y dificultan el acceso a loscomponentes
J. Fdez Jambrina
Blindaje-28Doct 2001
Cáscara esférica de material magnéticoAnálisis analítico.
• Una cáscara esférica de materialmagnético en un campo constantese puede analizar analíticamente:
– Utilizando el potencial escalar:
– En esféricas:
– La solución es de la forma:
MHH ΦΦ−∇=⇒=×∇rr
0
θθµµµµ
ΦΦ cosˆ rB
zB
zBB M00
0 −=−=⇒=r
+
+−
=
interior
material
exterior
2
20
;cos
;cos
;cos
θθδδ
θθγγββ
θθαα
µµ
ΦΦ
rr
r
rr
B
M
Ref: Electrodinámica Clásica.J.D. Jackson. Ed. Alambra 1980.ISBN: 84-205-0655-9
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 15
J. Fdez Jambrina
Blindaje-29Doct 2001
Estudio analítico de una cascara (2)
• Aplicando las condiciones de contorno:
• El campo en el interior es constante:
( )( ) ( )zB
ba
zB
ba
B ˆˆint 00
3
3002
03
3
00 12
9
222
90
µµµµ
µµµµµµµµµµµµµµ
µµ µµµµ
δδ
−
→−−++
= >>
444444 3444444 21
r
( ) SSJHHnrrr
=−× 12ˆ ( ) 012 =−SMM ,, ΦΦΦΦ
( ) 0ˆ 12 =−⋅S
BBnrr
021
22 =
∂
∂+
∂∂
−S
MM
nn,, ΦΦ
µµΦΦ
µµ
J. Fdez Jambrina
Blindaje-30Doct 2001
Estudio analítico de una cascara (3)
• La efectividad depende linealmente del cociente:
• La efectividad depende del espesor:
zB
ba
B ˆint 00
3
3
12
9µµµµ
−
≈r
0µµµµ
− 3
3
192
ba
Compatibilidad ElectromagnéticaBlindajes y Apantallamiento
Doct 2001
J. Fdez Jambrina Página 16
J. Fdez Jambrina
Blindaje-31Doct 2001
Estudio analítico de una cascara (4)
• (OjO) Expresión para relaciones de permeabilidad alta.
zB
ba
B ˆint 00
3
3
12
9µµµµ
−
≈r
− 3
3
192
ba
dB1392 −=
J. Fdez Jambrina
Blindaje-32Doct 2001
Aperturas en los blindajes.
• Todo blindaje debe tener aperturas:
– Conexiones del dispositivo interno con el exterior: señales y alimentación
» Los cables pueden servir de paso a las interferencias.
– Ventanas para instrumentos, indicadores y lámparas.
– Interruptores y pulsadores
– Ventilación/refrigeración del interior.
• Otras aperturas son no deseadas:
– Ranuras en juntas no herméticas.
• Métodos de análisis:
– Distorsión de las líneas de corriente.
– La apertura como antena más
guía de onda.