Schermatura EMI vs Filtraggio | Astrodyne TDI

Come il nostro mondo diventa più digitale, e i dispositivi elettronici continuano a giocare un ruolo sempre più centrale nelle nostre vite, l’interferenza elettromagnetica, o EMI, diventa un problema sempre più importante. Tutti coloro che progettano e producono dispositivi o componenti elettronici devono preoccuparsi di gestire le EMI.

Schermatura e filtraggio sono due metodi primari per raggiungere questo obiettivo.

Quando i dispositivi elettronici ricevono onde elettromagnetiche, queste possono causare correnti elettriche indotte nel circuito, causando interferenze e interrompendo il funzionamento previsto del dispositivo. Se l’energia è particolarmente potente, il dispositivo elettronico può essere danneggiato. Anche se la potenza applicata è relativamente piccola, se si mescola con le onde radio usate per la comunicazione, può causare perdita di ricezione, video interrotti e rumore anomalo in luoghi dove le onde radio sono deboli.

Un sistema di terra elettrico di qualità può aiutare a minimizzare i problemi di EMI.

Schermi, filtri, condensatori e induttori possono anche ridurre la suscettibilità di un sistema alle interferenze. Quando si progettano dispositivi elettronici, l’aggiunta di filtri e schermi può aiutare a controllare le EMI. Entrambi i tipi di componenti forniscono la soppressione del rumore e possono essere utilizzati senza aggiungere dimensioni o costi significativi a un dispositivo.

Qual è la differenza tra questi due metodi di soppressione del rumore, però, e quando si dovrebbero usare? Continua a leggere per scoprirlo.

Che cos’è l’EMI?

L’EMI è il disturbo del funzionamento di un prodotto elettronico dovuto a un campo elettromagnetico. L’EMI è anche chiamata interferenza a radiofrequenza (RFI) quando il campo è nello spettro delle radiofrequenze sullo spettro delle frequenze elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche che risultano nell’interferenza vengono chiamate rumore elettromagnetico.

Un altro termine correlato all’EMI è EMC, che sta per compatibilità elettromagnetica. Questo termine si riferisce a come un dispositivo funziona bene in un ambiente con rumore elettromagnetico.

La tolleranza di un prodotto al rumore, così come la quantità che produce, entrambi i fattori nel suo EMC.

Per funzionare e permettere ad altri dispositivi di funzionare, ogni prodotto deve essere in grado di funzionare anche se esposto a un certo livello di rumore e non deve produrre EMI a livelli che impediscono il funzionamento dei dispositivi. Negli Stati Uniti, la Federal Communications Commission, o FCC, regola l’EMI. L’International Special Committee for Radio Interference la regola a livello internazionale in alcuni settori.

Molti altri standard industriali stabiliscono anche requisiti relativi all’EMC.

I circuiti all’interno dei personal computer creano campi EM nella gamma RF. Anche gli schermi a tubo catodico producono energia EM su una gamma di frequenze.

Se usate un ricevitore wireless allo stesso tempo di un personal computer, è probabile che sentiate rumore RF nel ricevitore. Anche i trasmettitori wireless producono campi EM, e quelli a potenza moderata e alta possono creare campi abbastanza forti da disturbare le apparecchiature elettroniche che operano nella zona. Se usi una radio o un trasmettitore televisivo vicino a una stazione di trasmissione, per esempio, potresti sperimentare l’EMI.

Campi RF forti possono causare che telefoni, computer e persino alcuni dispositivi medici smettano di funzionare correttamente. Anche eventi naturali come tempeste elettriche, eruzioni solari ed elettricità statica possono causare EMI. Ecco perché la schermatura EMI e il filtraggio EMI sono così importanti.

Come funziona la schermatura EMI?

Che cos’è la schermatura EMI-RFI?

La schermatura EMI-RFI si riferisce a circondare un oggetto con una piastra di metallo o qualche altra forma di protezione per bloccare i campi elettromagnetici. Le schermature EMI sono progettate per impedire che le emissioni irradiate superino un certo punto. Le soluzioni di schermatura EMI possono sia proteggere un dispositivo dalle radiazioni esterne che impedire che il dispositivo emetta radiazioni che potrebbero causare interferenze con altri dispositivi.

Cosa succede quando un’onda EM colpisce uno schermo EMI?

Diamo un’occhiata ad alcuni principi di base della schermatura EMI.

La superficie conduttiva dello schermo riflette la maggior parte dell’energia dell’onda EM in varie direzioni. Esattamente come l’onda riflette dipende dalle qualità del materiale dello schermo e dalla fase dell’onda quando colpisce lo schermo. La schermatura EMI assorbirà anche parte dell’energia dell’onda EM, che verrà convertita in energia termica.

A seconda dei livelli di potenza coinvolti, questa energia termica può richiedere una gestione termica.

Alcuni materiali di schermatura EMI sono fatti per raddoppiare come dissipatori di calore. Nei circuiti elettronici di maggiore potenza, specialmente quando si usano meccanismi di schermatura che assorbono più energia, potrebbe essere necessario avere delle aperture nelle lastre di metallo della schermatura per rilasciare il calore. La dimensione di questi fori non dovrebbe essere correlata alle lunghezze d’onda delle onde contenute, poiché ciò potrebbe ridurre al minimo l’efficacia della schermatura EMI.

Per funzionare bene, i materiali schermanti hanno anche bisogno di buone connessioni a terra.

Come si sceglie quali materiali schermanti EMI-RFI usare?

Ci sono diversi parametri vitali, tra cui spessore, peso, conducibilità del materiale e costi di lavorazione.

Schermi più spessi tendono a fornire risultati migliori, ma questo viene con il compromesso di aggiungere peso al progetto. La maggior parte dei fornitori di materiali schermanti forniscono misure di efficacia a diverse frequenze con le gamme di frequenza utilizzabili dei materiali. Queste misure aiutano a confrontare il peso e la densità di un materiale schermante con la quantità di schermatura che fornisce.

Altri parametri meno comuni, ma ancora potenzialmente utili, includono la resistività del volume, la gamma di temperatura operativa e la forza di compressione se si utilizza il materiale come guarnizione.

Esempi di materiali comunemente usati per la schermatura EMI includono:

• Rame
• Alluminio
• Acciaio inox

Di recente, i produttori hanno anche iniziato a usare materiali compositi, come reti e tessuti. Queste soluzioni spesso combinano un metallo con un materiale in poliestere. Alcuni vantaggi di questi nuovi materiali sono la loro leggerezza e flessibilità. Nonostante il loro basso peso, funzionano ancora.

Le applicazioni di schermatura EMI in cui questi materiali vengono utilizzati includono la schermatura intorno ai circuiti stampati in un recinto di apparecchiature e fornendo schermatura secondaria in ambienti sanitari.

Soluzioni personalizzate di schermatura EMI, così come prodotti di schermatura off-the-shelf, sono disponibili.

Come funziona il filtraggio EMI?

I filtri EMI-RFI possono rimuovere i componenti indesiderati e far passare quelli necessari nella corrente elettrica che scorre nei conduttori. Il rumore viene deviato a terra, assorbito o restituito alla sua origine.

Un filtro EMI ha due tipi di componenti – condensatori e induttori – che lavorano insieme per ridurre EMI:

• Condensatori: I condensatori inibiscono la corrente continua, che è il modo in cui una notevole quantità di interferenze elettromagnetiche viene portata in un dispositivo, ma lasciano passare la corrente alternata.
• Induttori: Gli induttori sono piccoli elettromagneti che possono trattenere l’energia in un campo magnetico mentre la corrente elettrica passa attraverso di esso, riducendo la tensione totale.

I condensatori trovati nei filtri EMI vengono chiamati condensatori di smistamento.

Ridirigono la corrente ad alta frequenza che causerebbe interferenze lontano da un circuito e la alimentano in induttori disposti in serie. Mentre la corrente si muove attraverso questa serie di induttori, la sua tensione si riduce. Idealmente, gli induttori diminuiranno l’interferenza a zero, che è anche chiamato cortocircuito a terra.

Il ruolo dei filtri differisce da quello delle schermature in diversi modi.

Esploriamo alcuni principi di base del filtraggio EMI.

Le schermature EMI forniscono schermatura per interi progetti o circuiti.

I filtri di soppressione EMI, d’altra parte, mirano a specifiche fonti di rumore. Le schermature contengono le radiazioni EM all’interno di un’area e impediscono anche alle radiazioni EM di entrare in quell’area. I filtri controllano l’energia EM che viaggia attraverso i conduttori. Vengono posizionati in punti specifici di un circuito per controllare il flusso di corrente a varie frequenze.

Mentre gli schermi sono progettati per controllare le emissioni EMI irradiate, i filtri mirano a controllare il rumore condotto.

Il filtro giusto da usare dipende dalla configurazione meccanica del sistema e dalla frequenza del rumore nel sistema in relazione alla frequenza di destinazione dei segnali inviati. Devi scegliere un filtro con un condensatore che non taglierà i segnali che vuoi far passare ma bloccherà i segnali all’interno della gamma di frequenza del rumore che stai cercando di affrontare.

Ci sono vari tipi di filtri EMI che puoi usare.

Il tipo giusto dipende dalle frequenze che vuoi bloccare, la tensione con cui stai lavorando e altri fattori. Di solito, i produttori di filtri forniscono informazioni dettagliate sulla frequenza di taglio dei filtri che offrono.

Due tipi cruciali di filtri EMI includono filtri monofase e trifase:

• Filtri monofase: Questi filtri sono i migliori per le apparecchiature più piccole come l’elettronica di consumo, gli elettrodomestici, le attrezzature per il fitness e alcune applicazioni industriali, come gli alimentatori, le apparecchiature di telecomunicazione e le attrezzature per la ristorazione.
• Filtri trifase: Questi filtri possono bloccare livelli più alti di rumore rispetto ai filtri monofase e sono utili per una soppressione EMI più rigorosa. Questi tipi di filtri sono necessari per applicazioni ad alta potenza, come attrezzature mediche, apparecchiature di prova e vari tipi di macchinari industriali, come strumenti e motori.

Altre classificazioni di filtri EMI includono:

• Filtri di ingresso IEC, che vengono utilizzati per applicazioni di ingresso di potenza.
• Filtri DC, che bloccano le correnti ad alta frequenza ma lasciano passare correnti DC e a bassa frequenza.
• Filtri EMI per inverter, che vengono usati in applicazioni che coinvolgono inverter o sistemi di controllo basati su inverter.
• Filtri passanti, che vengono utilizzati per applicazioni come involucri, stazioni base, shelter mobili e apparecchiature di commutazione e forniscono alta perdita di inserzione da KHz a frequenze GHz.

Molti filtri vengono progettati per l’uso in un settore specifico o applicazione, e sono disponibili sia filtri standard che personalizzati.

È anche importante notare che, come per le schermature, i filtri dipendono da una messa a terra adeguata per funzionare correttamente.

Quando si dovrebbe usare un filtro EMI contro una schermatura?

Filtri e schermature sono entrambi strumenti preziosi per ridurre le EMI. In alcuni casi, può essere meglio concentrarsi più su uno che sull’altro.

Spesso, usare entrambi è la soluzione più efficace.

A volte, con i metodi di schermatura EMI, i fori e gli spazi vuoti nella schermatura possono ridurre la sua efficacia. Queste aperture, tuttavia, sono necessarie per la riduzione del calore. Questo è un esempio di quando usare filtri EMI oltre a una schermatura.

La schermatura è utile per una serie di problemi EMI e può riflettere adeguatamente EMI.

I filtri, tuttavia, possono eliminare EMI. I filtri possono affrontare molti dei problemi relativi alle penetrazioni attraverso gli schermi, così come gli ingressi e le uscite di un sistema elettrico, che sono di solito i punti più vulnerabili di un sistema schermato. I filtri sono più efficaci in questi punti.

Utilizzare tecniche di filtraggio EMI, così come la soppressione dei transitori, all’interfaccia di un involucro schermato è un modo molto efficiente per proteggere dai problemi di compatibilità.

Posizionare filtri e connettori filtrati alle interfacce di ingresso e uscita di un sistema può aiutare a eliminare il rumore EM da fonti interne ed esterne all’interfaccia del connettore. Questo posizionamento manda l’energia indesiderata nell’involucro schermato a terra, rendendo questa una posizione ottimale per eliminare il rumore ad alta frequenza e mitigare i problemi legati alle EMI.

I filtri proteggono dal rumore condotto attraverso i conduttori, mentre gli schermi mitigano il rumore condotto attraverso lo spazio. Tuttavia, un conduttore attraverso il quale il rumore viene condotto può anche agire come un’antenna. Quando il conduttore funziona come antenna, i due tipi di conduzione si trasformano l’uno nell’altro a causa dell’antenna.

Ecco perché – per escludere completamente il rumore – è essenziale usare entrambi gli schermi e i filtri in una posizione.

Per esempio, se uno schermo viene usato per bloccare la conduzione spaziale e un conduttore sta penetrando attraverso lo schermo, questo conduttore raccoglierà il rumore e lo attirerà all’interno e all’esterno dello schermo, con conseguente emissione di rumore. Per questo motivo, non è possibile bloccare la conduzione spaziale solo con uno schermo.

Similmente, quando si usa un filtro per proteggere dalla conduzione attraverso un conduttore, i fili posti prima e dopo il filtro possono essere accoppiati tra loro attraverso la conduzione spaziale. A causa di questo, il filtro non può escludere completamente la conduzione da solo.

Tuttavia, se si usa sia un meccanismo di schermatura EMI che un filtro in un punto, si può escludere completamente sia la conduzione spaziale che quella del conduttore, eliminando il rumore.

Se il conduttore situato tra la sorgente di rumore e il filtro è corto, non avrà un effetto significativo come conduttore. Si può quindi ignorare il problema del conduttore che agisce come antenna ed eliminare efficacemente il rumore usando solo un filtro. Essenzialmente, se è possibile posizionare un filtro significativamente vicino alla fonte di rumore, è possibile sopprimerlo con solo un filtro, e l’uso di uno schermo non è necessario.

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