Эффективное экранирование: материалы и способы

Пример хорошо экранированной и заземлённой системы с одним источником-измерителем

В примере, показанном на Рисунке 5а, если LO клемма должна быть заземлена на стороне тестируемого устройства, либо напрямую, либо через ёмкость, токи заземления будут течь через измерительные провода, и понадобилось бы 4-проводное подключение для исключения влияния паразитного напряжения, созданного электрическим полем между двумя защитными заземлениями. На Рисунке 5б, если бы экран вокруг тестируемого устройства был заземлён, ток не протекал бы через измерительный LO провод. Тогда ёмкость между тестируемым устройством и экраном должна быть минимизирована. На Рисунке 5в экран заземлен через общий провод прибора и токоограничивающий резистор. В этом случае разность потенциалов между защитными заземлениями, представленная как V_X, не вызывает никаких токов, поскольку есть только одна точка заземления.


Рисунок 5а.	С одним источником-измерителем, заземление тестируемого устройства либо напрямую, либо через ёмкость может создать путь для протекания тока через LO провод.



Рисунок 5б.	При таком использовании источника-измерителя, заземление LO на стороне тестируемого устройства, напрямую либо через ёмкость, не приводит к протеканию паразитных токов через LO провод.



Рисунок 5в.	С одним источником-измерителем, заземление экрана с прибором через резистор не приводит к паразитным токам в LO проводе.

Во всех этих примерах охранный проводник должен быть проведен как можно ближе к тестируемому устройству и заканчиваться только внутри экрана.

Возможно, вам также будет интересно

Игорь Недолужко Павел Воронин Алексей Лебедев Встроенные в PSpice модели мощных МДП полевых транзисторов (МДПТ) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) плохо моделируют характеристики (особенно динамические) этих силовых транзисторов. Поэтому в литературе и на сайтах фирм-изготовителей появились усовершенствованные модели этих силовых транзисторов, которые составляются из нескольких PSpice компонентов (моделей силовых транзисторов, зависимых источников тока и

Разработчики импульсных источников питания уделяют большое внимание внедрению цифровых технологий для управления преобразованием напряжения, что позволяет еще больше увеличить КПД и производительность, снизить количество компонентов, повысить технологичность производства и надежность. Построение силовых преобразователей напряжения, использующих частично или полностью цифровые методы управления, обусловлено развитием современных микроконтроллеров и процессоров, расширением их функциональных возможностей при постоянном снижении стоимости.

Конструкция экранов

Казалось бы, создать качественный экран с высоким коэффициентом экранирования очень просто — необходимо изготовить замкнутый электрически герметичный контур (например, куб), и тогда легко получить К_э порядка 100 дБ и более. К сожалению, в реальности это невозможно, так как понадобятся отверстия для ввода кабелей, вентиляции и обслуживания аппаратуры.

Каждое отверстие или щель в экране, сравнимые с 1/20 длины волны, следует учитывать при планировании экрана (рис. 3). Так, для 1 ГГц отверстие диаметром 1,5 мм ухудшит коэффициент экранирования до 40 дБ; 1,5 см — до 20 дБ. При увеличении количества отверстий коэффициент экранирования ухудшится на К_n = 20 logn. Необходимо избегать больших отверстий и щелей в экране. Много маленьких отверстий лучше, чем одно большое.

Рис. 3. Планирование экрана

В случае если все же необходимо отверстие строго определенного диаметра (в частности, для вентиляции или ввода диэлектрических кабелей), можно использовать запредельный волновод (рис. 4). Это полая трубка из проводящего материала, длина которой значительно превышает диаметр. Свойства данной конструкции частотно зависимы. Электромагнитные волны ниже определенной частоты будут распространяться с очень большим затуханием. Частота, выше которой электромагнитная волна распространяется по волноводу практически без потерь, называется частотой среза волновода и определяется из его наибольшего внутреннего размера по формуле f = 150 000/g, где g — наибольший поперечный размер отверстия. Для прямоугольного волновода шириной 5 мм частота среза равна 30 ГГц. Коэффициент ослабления уже будет зависеть и от длины волновода, и от частоты и рассчитываться по формуле, представленной на рис. 4.

Рис. 4. Использование запредельного волновода

Для примера на рис. 5 построены графики коэффициентов ослабления волноводов различной конфигурации. Видно, что при уменьшении длины трубки с 20 до 10 мм К_э уменьшается со 108 до 54 дБ, причем частота среза остается постоянной. При изменении диаметра отверстия изменяется частота среза волновода. Для волновода диаметром 20 мм — это 10 ГГц, для волновода диаметром 200 мм — уже 1 ГГц. У запредельного волновода есть еще одно ограничение: если внутрь волновода ввести проводящий кабель, то волновод потеряет свои изолирующие свойства. Запредельный волновод подходит только для ввода диэлектрических кабелей типа оптических, не сильно искажающих диэлектрическую проницаемость среды. На рис. 6 показаны конструкции из запредельных волноводов.

Рис. 5. Графики коэффициентов ослабления волноводов различной конфигурации

Рис. 6. Конструкции из запредельных волноводов:
а) вентиляционная решетка типа Honeycomb (пчелиная сота);
б) для ввода оптического кабеля

Мы рассмотрели технические решения для создания вентиляционных решеток и ввода оптических кабелей, но есть еще одна проблема — образование щелей и зазоров, неизбежно появляющихся в процессе соединения элементов конструкции между собой. На рис. 7 схематично изображены в большом увеличении две соприкасающиеся детали. Кроме непосредственного искривления самих элементов конструкции, металлические детали имеют неровности, которые, соприкасаясь друг с другом, образуют зазоры и щели. Для надежного электрического контакта в этом случае необходимо применить довольно большое усилие прижима либо проводящую прокладку, обеспечивающую непрерывный контакт на всем протяжении щели.

Рис. 7. Схематичное изображение соприкасающихся деталей:
а) без проводящей прокладки;
б) с использованием проводящей прокладки

В настоящее время промышленность выпускает огромное количество проводящих прокладок самых различных свойств и размеров (рис. 8).

Рис. 8. Проводящие прокладки:
а) с клеевым слоем;
б) жесткие;
в) формованные;
г) пружинные контактные ленты

3.5.9. Распределенные системы управления

В системах управления, распределенных по некоторой территории с характерными размерами в десятки и сотни метров, нельзя использовать модули ввода без гальванической развязки. Только гальваническая развязка позволяет соединять цепи, заземленные в точках с разными потенциалами.

Кабели, проходящие по открытой местности, должны быть защищены от магнитных импульсов во время грозы (см. раздел , ) и магнитных полей при коммутации мощных нагрузок (см. раздел )

Особое внимание надо уделить заземлению экрана кабеля (см. раздел )

Радикальным решением для территориально распределенной системы управления является передача информации по оптическому волокну или радиоканалу.

Неплохие результаты можно получить, отказавшись от передачи информации по аналоговым стандартам в пользу цифровых. Для этого можно использовать модули распределенной системы управления RealLab! серии NL фирмы Reallab!. Суть этого подхода заключается в том, что модуль ввода располагают возле датчика, уменьшая тем самым длину проводов с аналоговыми сигналами, а в ПЛК передается сигнал по цифровому каналу. Разновидностью этого подхода является применение датчиков со встроенными в них АЦП и цифровым интерфейсом (например, датчиков серии NL-1S).

3.5.12. Заземление на взрывоопасных объектах

На взрывоопасных промышленных объектах (см. раздел “Автоматизация опасных объектов”) при монтаже цепей заземления многожильным проводом не допускается применение пайки для спаивания жил между собой, поскольку вследствие хладотекучести припоя возможно ослабление мест контактного давления в винтовых зажимах.

Экран кабеля интерфейса RS-485 заземляется в одной точке, вне взрывоопасной зоны. В пределах взрывоопасной зоны он должен быть защищен от случайного соприкосновения с заземленными проводниками. Искробезопасные цепи не должны заземляться, если этого не требуют условия работы электрооборудования (ГОСТ Р 51330.10, раздел ).

Искробезопасные цепи должны быть смонтированы таким образом, чтобы наводки от внешних электромагнитных полей (например, от расположенного на крыше здания радиопередатчика, от воздушных линий электропередачи или близлежащих кабелей для передачи большой мощности) не создавали опасного напряжение или тока в искробезопасных цепях. Это может быть достигнуто экранированием или отдалением искробезопасных цепей от источника электромагнитной наводки.

При прокладке в общем пучке или канале кабели с искроопасными и искробезопасными цепями должны быть разделены промежуточным слоем изоляционного материала или заземленной металлической перегородкой. Никакого разделения не требуется, если используются кабели с металлической оболочкой или экраном.

Заземленные металлические конструкции не должны иметь разрывов и плохих контактов между собой, которые могут искрить во время грозы или при коммутации мощного оборудования.

На взрывоопасных промышленных объектах используются преимущественно электрические распределительные сети с изолированной нейтралью, чтобы исключить возможность появления искры при коротком замыкании фазы на землю и срабатывания предохранителей защиты при повреждении изоляции.

Для защиты от статического электричества используют заземление, описанное в разделе . Статическое электричество может быть причиной воспламенения взрывоопасной смеси. Например, при емкости человеческого тела 100…400 пФ и потенциале заряда 1 кВ энергия искрового разряда с тела человека будет равна 50…200 мкДж, что может быть достаточно для воспламенения взрывоопасной смеси группы IIC (60 мкДж), см. [].

Ток синфазной помехи

В разделе «Защитное заземление» было упомянуто, что сами приборы создают некоторый ток, вызывающий напряжение синфазной помехи V_X (см. Рисунок 4). Эти синфазные токи – прямое следствие воздействия напряжений первичной и вторичной обмоток силового трансформатора на неэкранированную межобмоточную ёмкость.

На Рисунке 4 показан типичный силовой трансформатор для измерительных приборов с экранами на первичной и вторичной сторонах. Эти экраны выполняют ту же функцию, что и рассмотренные ранее экраны приборов. В случае с приборами, если часть чувствительной цепи остаётся неэкранированной, линии внешнего поля могут наводить в них токи. Это остаётся справедливым и для силового трансформатора, за исключением того, что в нём наведённые токи будут гораздо сильнее из-за близости первичной и вторичной обмоток и значительной величины напряжений обмоток. C1 представляет собой неэкранированную ёмкость между вторичной обмоткой и первичным экраном, а C2 – неэкранированную ёмкость между первичной обмоткой и вторичным экраном. Результирующий ток синфазной помехи является суммой токов через все эти ёмкости. Этот ток будет увеличиваться по мере роста напряжений на обмотках трансформатора или его рабочей частоты. Реактивное сопротивление неэкранированных ёмкостей трансформатора падает с ростом частоты, увеличивая синфазный ток.

Часть синфазного тока, начинаясь на первичной обмотке, течёт через ёмкость C2 в цепи вторичной обмотки, в шасси через измерительные провода и, наконец, возвращается к нулевому проводу первичной обмотки. Другая его часть, начинаясь на вторичной обмотке, через ёмкость C1 течёт в первичную цепь, через шасси к вводу питания, затем через измерительные провода и, наконец, возвращается к вторичной обмотке. Общий синфазный ток вызывает падения напряжения на индуктивном сопротивлении сетевого шнура, а также на проводнике между тестируемым устройством и «землёй» прибора. По этой причине лучше соединять все шасси, как предусмотрено в приборах, чтобы, по возможности, избежать добавления в систему нового соединения с защитным заземлением. Неэкранированная ёмкость и, в меньшей мере, сопротивление межобмоточной изоляции трансформатора могут внести токи помех от других источников, создающих различные потенциалы точек подключения к защитному заземлению по всему зданию.

Электромагнитные факторы

В помещении ЦОДа, с целью защиты информации от электромагнитных факторов, предлагается выполнить защитный экран-сооружение, отвечающим требованиям ГОСТ Р 50571.21-2000, с использованием стальных конструкций и технологии сварки стальных листов сплошным сварочным швом. Компоненты экранирующего покрытия ЦОД не должны иметь электрического контакта с металлоконструкциями здания.

Каждое экранированное помещение серверной должно быть оборудовано двумя экранирующими дверьми. В конструкции экранирующих дверей необходимо обеспечить надежный электрический контакт по всему периметру прилегания полотна дверей с дверной коробкой, с необходимым уплотнением.

Обеспечение защиты информации с применением экранированных помещений направлено на защиту от электромагнитных факторов:

электромагнитные излучения и поля в радиочастотном диапазоне, функционально присущие техническим средствам объектов информатизации (ТС ОИ)
побочные и внешние паразитные излучения (ПЭМИ)
наводки в цепях, вызванные ПЭМИ, емкостными и индуктивными связями
непреднамеренные облучения ОИ электромагнитными полями техногенных источников
электромагнитные факторы грозовых разрядов и других природных явлений
доступ к защищаемой информации с применением технических средств радиоэлектронной разведки
несанкционированный доступ к защищаемой информации с использованием закладных устройств
искажение, уничтожение или блокирование информации путем преднамеренного силового электромагнитного воздействия в террористических или криминальных целях

При проектировании защищенных помещений ЦОД в целях защиты информации должны быть учтены требования стандартов по защите информации:

ГОСТ Р 50922-2007 Защита информации. Термины и определения.
ГОСТ Р 51275-2007 Защита информации. Объекты информатизации. Факторы, воздействующие на информацию. Общие положения.
ГОСТ Р 51624-2000 Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Общие положения.
ГОСТ Р 52863-2007 Защита информации. Автоматизированные системы в защищённом исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям. Общие требования.

Основные требования к системе защитного экранирования:

Эффективность экранирования, измеренная согласно требованиям EN 50147, часть 1, в рабочем диапазоне частот от 10 кГц до 1 ГГц должна составлять не менее 40 дБ.
Компоненты экранирующего покрытия ЦОД не должны иметь электрического контакта с металлоконструкциями здания.

Назад
Вперёд

Заключение

Большинство погрешностей измерения может быть связано с токами, наводимыми в тестируемом устройстве или измерительных проводах внешними электрическими (высокоимпедансными) полями. Добавление электростатического экрана, правильно заземлённого на LO клемму прибора, может полностью исключить эти источники помех. В некоторых случаях при работе с очень малыми токами вместо электростатического экрана или в дополнение к нему должна использоваться эквипотенциальная защита. Разность потенциалов точек защитного заземления, вызванная токами от оборудования с сетевым питанием, также может привести к погрешностям, если вызванный ею ток потечёт по измерительным проводам. Синфазный ток от приборов также вносит вклад в погрешности. Силовой трансформатор прибора замыкает цепь этого тока, поэтому любое подключение к защитному заземлению должно выполняться так, как было описано. Защитный экран, обеспечивающий безопасность оператора, даёт, вдобавок, некоторое экранирование низкочастотного радиоизлучения. Если общий провод прибора соединён с защитным заземлением через относительно высокоомный резистор, энергия РЧ излучения не проникнет в прибор, и паразитные напряжения от выпрямления электромагнитной помехи могут быть сведены к минимуму.