II.6.1. Teori Perisaian ( shielding)
Perisaian adalah teknik untuk mengurangi atau mencegah gandengan radiasi energi elektromagnetik yang tidak diinginkan pada suatu peralatan sehingga tidak menimbulkan lingkungan elektromagnetik. Tujuan dari perisaian elektromagnetik adalah meredam interferensi elektromagnetik antara sumber noise dengan piranti yang peka dan terpengaruh sumber. Salah satu cara menjelaskan bagaimana perisaian bekerja adalah, medan interferensi elektromagnetik mempengaruhi sirkulasi arus didalam perisai, dan medan timbul karena sirkulai arus yang melawan medan interferensi elektromagnetik, kemudian daerah medan pada benda yang di perisai menjadi berkurang.
Spesifikasi perisaian adalah sebagai berikut :
Perisaian pelepasan muatan listrik (electrostatic discharge / ESD) adalah proses pembatasan aliran arus listrik yang berlebih pada saat pengisian muatan listrik. Tipe material untuk perisai ESD adalah semikonduktor.
Perisaian interferensi elektromagnetik adalah proses mencegah induksi radiasi elektromagnetik, yang merupakan emisi rangkaian listrik yang dibawa dengan cepat mengganti sinyal, seperti yang dihasilkan pada operasi normal rangkaian yang menimbulkan sinyal yang tidak diinginkan. Hal ini dapat dicapai dengan memisahkan rangkaian dengan bahan penghalang pada material konduktif.
Perisaian interferensi frekuensi radio adalah proses mencegah radiasi elektromagnetik frekuensi radio dari satu rangkaian ke rangkaian lainnya dengan memisahkan bahan penghalang dari material konduktif. Hal ini dapat dicapai dengan memisahkan rangkaian dengan bahan penghalang pada material konduktif.
Perisai interferensi elektromagnetik dan frekuensi radio terbuat dari karet, metal, plastik, tekstil, dan campuran material lain. Banyak tipe produk yang dihasilkan seperti lem, cat, mantel, paking (gasket ), perisai magnetik, dan material khusus. Sedangkan bentuk perisaian yang dilakukan adalah :
Perisai kabel, digunakan untuk melindungi interferensi elektromagnetik yang keluar dan masuk kabel.
Perisai efektifitas, kemampuan relatif perisai untuk menyaring medan listrik, medan magnet dan gelombang pesawat yang tidak diinginkan. Pengukuran yang dilakukan adalah rasio dari sinyal yang diterima tanpa perisai dibagi dengan sinyal yang diterima dalam perisai.
Perisai gasket, bahan yang mempertahankan perisai efektifitas pada celah di dalam penutup (enclosure) elektronik. Gasket terbuat dari berbagai bahan, seperti busa yang terbungkus kain, kawat mesh, logam dan elastomer.
Perisai ruangan, ruangan yang terbuat bebas dari interferensi dengan menerapkan perisai kelantai, dinding, langit-langit dan dengan menekan interferensi yang masuk melalui saluran listrik. tipe konstruksi perisai dari 70dB hingga 140dB, dari 10kHz sampai 10GHz.
Perisai windows yang terperisai, perisaian ini dicapai dengan menggunakan film tipis dilakukan pada kaca atau kawat halus.
Perisai listrik, suatu proses mencegah radiasi dari kopling masuk atau keluar dari daerah yang telah ditentukan. Bahan perisai selalu logam, plastik logam (pelapis konduktif) atau campuran konduktif.
Perisai kain, kain terbuat dari benang logam atau benang, kain dilapisi benang konduktif.
Perisai kertas perak dan kertas, biasanya digunakan untuk perisai dan landasan. Perekat perisai ini biasa didukung dengan kotak nonkonduktif, lemari dan dinding.
Perisaian ini dapat dilakukan pada konduktor, pada rangkaian elektronik maupun sistem. Ada 2 tujuan perisaian, yaitu :
1. Mencegah emisi suatu sistem atau rangkaian elektronik agar tidak menimbulkan radiasi yang melewati batas yang telah ditentukan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.18.
Gambar 2.18. Perisaian Untuk Mencegah Emisi Sistem Keluar Dari Batas Perisai
2. Mencegah radiasi emisi diluar sistem agar tidak menimbulkan interferensi pada sistem yang dilindungi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.19.
Gambar 2.19. Pencegahan Emisi Radiasi Dari Luar Sistem
Perisai dibuat dengan melatakkan sebuah penghalang metal didalam alur gelombang elektromagnetik antara emitor (sumber) dan receptor (penerima). Gelombang elektromagnetik, menembus penghalang metal, dari pengalaman para ahli impedansi dalam dari penghalang metal tersebut adalah :
...2.3. Zm = impedansi dalam penghalang metal
μ0 = permitifitas ruang hampa σ = arus konduksi
Hasil impedansi biasanya rendah untuk konduktor yang baik pada frekuensi dibawah frekuensi daerah optik.
Teori perisaian berdasarkan bentuk transmisi dari refleksi dan absorbsi metal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.20. Gelombang elektromagnetik dari emitor sebagian direfleksikan dari perisai yang impedansinya rendah karena impedansi tidak sepadan antara gelombang dengan perisai. Sebagian sisanya ditransmisikan menembus perisai setelah sebagian diserap oleh perisai. Ada juga multi refleksi pada material perisai saat rugi absorbsi sangat kecil. Total perisaian effektif SE(dB) pembatas konduktor padat dapat dinyatakan sebagai penjumlahan rugi refleksi αR(dB), rugi absorbsi αA(dB) dan rugi – rugi refleksi internal αIR(dB).
Sehingga dapat dituliskan :
...2.4.
Gambar 2.20. Refleksi dan Absorbsi Gelombang Elektromagnetik
Ada perbedaan antara teori perisaian dengan prakteknya. Bentuk praktek perisaian tergantung pada parameter seperti frekuensi, jarak sumber interferensi dengan dinding perisai, polarisasi perisai, diskontinuitas didalam perisai, dimana ditemukan rasio ko mponen tangensial dari medan listrik E dan medan magnet H yang dapat dituliskan dalam persamaan:
...2.5.
Untuk medan listrik E, gelombang impedansi sangat luas. Sedangkan untuk medan magnet H, gelombang impedansi sangat kecil. Pada Gambar 2.21 menunjukkan variasi impedansi untuk medan listrik dan medan magnet dan fungsi jarak dari sumber.
Gambar 2.21. Variasi Gelombang Impedansi Pada Fungsi Jarak
Perisaian efektif SE pada medan ini dapat ditentukan rasio daya pada penerima tanpa penghalang dan dengan penghalang :
...2.6.
...2.7.
...2.8.
Dari ketiga pesamaan 2.6, 27, 2.8, indeks 1 adalah untuk penerima tanpa perisai penghalang, dan indeks 2 adalah untuk penerima dengan perisai penghalang antara emitor dan suseptor.
Bentuk perisai ada 3, yaitu :
1. Perisai tunggal
Perisai tunggal digunakan untuk konduktor yang frekuensinya dibawah frekuensi optik. Arus konduksi normal lebih besar dibandingkan arus jarak dimana σ >> ωε0. Parameter listrik dari metal untuk terjadinya gelombang elektromagnetik pada sudut θi adalah :
Konstanta propagasi didalam metal :
Konstanta peredaman didalam metal :
...2.10.
Dari defenisi yang ada, maka rugi refleksi dapat dirumuskan dengan :
...2.11.
dimana T adalah koefisien net transmisi yang menembus perisai
ν adalah rasio impedansi dari terjadinya gelombang elektromagnetik.
Rugi absorbsi gelombang yang menembus perisai dengan tebal t adalah :
...2.12.
Rugi releksi internal dapat dirumuskan dengan :
...2.13
Rugi refleksi internal dapat diabaikan untuk kasus saat rugi absorbsi αA lebih besar dari 15dB.
2. Perisai laminasi multimedia
Perisai laminasi multimedia dapat dilihat pada Gambar 2.22.
Pada Gambar 2.22 diatas dapat dilihat n jumlah perisai dari impedansi Zm1 , Zm2 , ...Zmn termasuk kedua metal dan celah udara. Total rugi refleksi dapat dinyatakan sebagai penjumlahan rugi – rugi refleksi untuk tiap penghubung. Secara matematis dapat dituliskan :
...2.14.
Rugi peredaman dari tiap laminasi adalah penjumlahan untuk n laminasi :
...2.15.
αn dan t n adalah konstanta peredaman dan tebal ke n laminasi.
Rugi refleksi pada metal - metal merupakan penghubung yang mandiri dari frekuensi. Fungsi frekuensi untuk hubungan metal – udara. Dapat dilihat bahwa perisaian efektif dari perisai multimedia dapat ditingkatkan dengan mengontrol impedansi material dan ketebalan.
Internal refleksi dapat diistilahkan dengan persamaan :
...2.16.
Dimana
...2.18.
dimana Zmtn adalah impedansi yang terlihat benar pada bagian ini.
3. Perisai isolasi ganda
Pada perisai enclosure yang besar, perisaian yang sangat tinggi biasanya dibuat dengan isolasi ganda lembar metal konduksi yang dipisahkan oleh sudut dalam yang terbuat dari kayu lapis yang kering, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.23.
Gambar 2.23. Perisai Isolasi Ganda
Kayu lapis tidak boleh mengandung air, dan dapat dipertimbangkan seperti rugi dielektrik yang kecil dengan konduktifitas nol. Absorbsi pada kayu kering dapat dianggap sangat kecil. Sudutnya dapat dianggap sebagai material isotro pis homogen dari permitivitas dielektrik ε2 dan permeabilitas ruang hampa μ0.
Komponen perisai dapat dibuat dalam persamaan :
...2.19.
...2.21.
Rugi – rugi refleksi medan dapat dinyatakan dalam persamaan :
...2.27.
Dan
...2.28.
Dimana μr adalah permeabilitas relatif dengan acuan udara
Σr adalah konduktifitas relatif dengan acuan tembaga
f adalah frekuensi dalam Hz
r adalah jarak antara sumber dengan perisai penghalang dalam meter.
II.6.2. Perisaian Material
Pada semua frekuensi , refleksi medan magnet impedansi rendah dari konduktor listrik impedansi rendah sangat kecil. Oleh karena itu, medan magnet dicoba untuk memasukkan konduktor dan eksponensial yang teredam didalam konduktor. Perisaian medan magnet tergantung pada rugi absorbsi. Pemilihan material feromagnetik (μ) harus sesuai.
Pada medan listrik dengan impedansi tinggi, refleksi dari sebuah dinding metal impedansi rendah yang semakin naik dengan rugi absorbsi, menyediakan perisai yang lebih baik untuk medan listrik. Oleh karena itu, untuk medan listrik material harus memiliki konduktifitas yang tinggi untuk perisaian. Pada Tabel 2.3 dapat dilihat material perisai dengan konduktifitas, permeabilitas, dan kegunaannya. Dimana diketahui konduktifitas tembaga = 5,8x107 mhos/m dan permeabilitas udara 4π x107henry/m
Tabel 2.3. Material Perisai MATERIAL KONDUKTIFITAS DENGAN ACUAN TEMBAGA PERMEABILITAS RELATIF DENGAN ACUAN UDARA KEGUNAAN
Mu-metal 0,03 80.000 Dinding perisai
Besi 0,17 1.000 Dinding perisai
Baja 0,10 1 Dinding perisai
Perak 2,05 1 Kontak plating
Tembaga 1,0 1 Dinding perisai
Emas 0,70 1 Kontak plating
Aluminium 0,61 1 Dinding perisai
Seng 0,29 1 Sheet plating
Kuningan 0,26 1 Pinggiran roda
Posfor perunggu 0,18 1 Kontak spring
Monel 0,04 1 Gasket
II.6.3. Perisaian Kabel
Perisai kabel diperlukan untuk mencegah emisi keluar dari gelombang elektromagnet pada kabel, dan / atau untuk memproteksi sinyal konduktor dari interferensi eksternal. Per isaian efektif dari pemberian perisai kabel instalasi akan bergantung pada interferensi elektromagnetik yang alami yang akan di perisai dan tipe terminal pada dua ujungnya. Untuk supply daya dan untuk pembawa data antara subsistem, ada beberapa kabel yang telah dipilih. Kabel data harus dipilih karena kabel data atau kabel sinyal membawa sinyal broad band , naik pada rata – rata frekuensi yang tinggi, kabel – kabel tersebut perlu diperisai untuk meminimalkan radiasi kopling dan pada waktu yang bersamaan impedansi perlu dikontrol.
Kabel twinax adalah dua wayar yang dipilin seimbang dengan perisai ditanahkan, dan menggunakan frekuensi diatas 10MHz, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.24.
Gambar 2.24. Kabel Twinax
Pilinan wayar mencegah tegangan noise induksi yang disebabkan oleh kebocoran medan magnet frekuensi rendah yang menembus tembaga.
Kabel Quadrax adalah kabel twinax dengan perisai ganda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.25.
Gambar 2.25. Kabel Quadrax
Bagian luar perisai dibumikan dan bagian dalam perisai terhubung kesistem pembumian.
Kabel Coax adalah kabel tunggal yang bagian luarnya diperisai dua konduktor menggunakan frekuensi 20 – 50KHz. Perisai dapat berbentuk silindris atau lilitan wayar yang diperisai dan dibumikan pada banyak titik pada frekuensi tinggi, dan pada satu titik pada frekuensi rendah.
Kabel triax juga merupakan kabel coax dengan perisai yang diisolasi dari sinyal balikan perisai, seperti pada Gambar 2.26.
Karena konduksi material perisai terbatas dan ketebalannya sangat kecil, medan elektromagnet menembus melalui perisai dan arus induksi didalam aliran. Oleh karena itu perisaian efektif yang terbatas dari perisai kabel dibutuhkan untuk mengevaluasi teori dengan praktek.
Sejak terjadi kesulitan dalam akurasi pengukuran didalam medan sebuah kabel perisai, dan tegangan pengukuran pada terminal lain bergantung pada tipe terminal dan tingkat ketidak sepadanan pada ujung terminal transmisi dan rugi – rugi transmisi, definisi dari perisaian efektif menggunakan rasio medan sebelum dan sesudah perisaian, atau rasio induksi tegangan tanpa dan dengan perisai. Oleh karena itu, pengukuran perisaian efektif di nyatakan dalam transfer impedansi dari perisai kabel. Transfer impedansi dari kabel dengan arus Is mengalir pada permukaan perisai menuju tegangan induksi longitudinal V i per unit panjang pada sisi luar permukaan, seperti pada Gambar 2.27.
Gambar 2.27. Model Kopling Transfer Impedansi pada Kabel Koaksial
Pelindung arus Is mungkin hasil dari kejadian medan diluar atau perbedaan potensial tanah antara dua ujung kabel. Dinyatakan dengan persamaan :
...2.24.
dimana Zt adalah transfer impedansi dari kabel yang diperisai dan dinyatakan dalam ohm. Jika perisai baik nilai Zt kecil.
Pada frekuensi rendah dibawah 100kHz, Zt pada kenyataannya sama pada perisai DC resistansi RDC. Zt cocok untuk induktansi bocor pada frekuensi tinggi diatas 10MHz.
Transfer impedansi terdiri dari :
1. Komponen difusi Z r dengan menghubungkan arus perisai kemedan listrik longitudinal menyebabkan konduktifitas terbatas dari perisai pipa ekivalen.
2. Kopling induktansi Lt dinyatakan sebagai penjumlahan untuk kopling medan magnet. 3. Kulit induktansi Ls menghasilkan medan magnet yang menembus perisai.
...2.25.
Untuk perisaian yang baik dengan kabel tunggal, transfer impedansi dapat dikurangi dengan membungkus sebuah band metal (biasanya aluminium) atau sebuah penutup konduktif (biasanya polycarbonat ) diatas lilitan kabel untuk mengurangi kopling induktansi Lt .
Untuk perisai kabel yang berbentuk pipa, seperti pada Gambar 2.28, tranfer impedansi dinyatakan dalam persamaan :
...2.26.
dimana a adalah radius dalam medan
t adalah tebal dinding
σ adalah konduktifitas perisai
δ adalah tebal kulit perisai
II.6.4. Perisaian Konduktor
Gandengan kapasitif antara dua konduktor secara sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.29. Dari Gambar 2.23 dapat dilihat rangkaian fisik terdiri dari dua konduktor yang dibatasi oleh dielektrik udara. Rangkaian tersebut membentuk sebuah kopling kapasitif.
C1g V1 C12 C2g R Vn konduktor V1 C12 R Vn C1g C2g (a) (b) 1 2 1 2
Gambar 2.29. (a) Gandengan Kapasitif Antara Dua Konduktor
(b)Rangkaian Ekivalen Gandengan Kapasitif Antara Dua Konduktor
Keterangan :
C12 = Kapasitansi sasar antara konduktor 1 dan 2
C1g = Kapasitansi antara konduktor 1 dengan tanah
C2g = Kapasitansi antara konduktor 2 dengan tanah
R = Resistansi rangkaian 2 ke tanah, bukan merupakan komponen sasar tetapi resistansi rangkaian yang berhubungan dengan rangkaian 2
V1 = Sumber interferensi
Tegangan noise Vn yang dihasilkan antara konduktor 2 dengan tanah dapat dicari dengan menggunakan rumus :
1 ) 2 12 ( / 1 )] 2 12 /( 12 [ V g C C R j g C C C j Vn
+
+
+
=
ω ω ………..2.27Jika resistansi dari konduktor 2 ke tanah lebih kecil dari impedansi kapasitansi sasar C12 dan C2g atau secara matematis dapat dituliskan :
) 2 12 ( 1 g C C j R + 〈〈 ω
Maka persamaan 2.27 dapat dituliskan menjadi :
1 12V RC j
Vn = ω ……….2.28
Pada persamaan 2.28 dapat dilihat tegangan noise secara langsung naik pada frekuensi
(ω = 2 π f) dari sumber noise.
Jika resistansi dari konduktor 2 ketanah lebih besar dari impedansi kapasitansi sasar C12 dan C2g atau secara matematis dapat ditulis :
) 2 12 ( 1 g C C j R
+
〉〉
ωMaka persamaan 2.27 dapat ditulis menjadi :
1 2 12 12 V g C C C Vn
+
=
……….2.29Jika perisaian dibuat pada konduktor 2, yang dapat dilihat pada Gambar 2.30, maka dapat ditentukan tegangan pick up dari perisaian tersebut.
C1g V1 C1s Csg Vs (a) 1 2 V1 C1s C1g Csg (b) 1 2 Vs Shield C2s C2s
Gambar 2.30. (a). Perisaian Kopling Kapasitif
(b). Rangkaian Ekivalen Perisaian Kopling Kapasitif
Keterangan :
C1s = Kapasitansi sasar antara konduktor 1 dan 2 yang berperisai
C1g = Kapasitansi antara konduktor 1 dengan tanah
Csg = Kapasitansi antara konduktor 2 yang berperisai dengan tanah
C2s = kapasitansi antara konduktor 2 dengan perisai
V1 = Sumber interferensi
Vs = Tegangan pick up yang dipikul perisai
Rangkaian penerima atau konduktor 2 memiliki resistansi tidak terbatas ke tanah. Jika perisaian ditempatkan pada konduktor 2, persamaan Gambar 2.30 menjadi
) 2 12 ( 1 g C C R
+
=
ω ………2.30.Tegangan pick up yang dipikul oleh perisai adalah
1 1 1 V Csg s C s C Vs
+
=
………2.31.Jika tidak ada arus yang mengalir pada C2s atau arus C2s sama dengan nol, maka tegangan pick up pada konduktor 2 sama dengan tegangan noise.
Vs = Vn
Biasanya dalam praktek inti konduktor dibuat melebihi panjang perisai, yang dapat dilihat pada Gambar 2.31. Dalam gambar terdapat C12 dan C2g, dimana C12 dan C2g ada karena ujung-ujung dari konduktor 2 panjangnya melebihi perisai. Kejadian ini sama halnya dengan perisai ditanahkan, sehingga ada tegangan noise yang dikopel (digandeng) pada konduktor 2. Besar dari tegangan noise yang dipikul oleh konduktor 2 adalah :
1 2 2 12 12 V s C g C C C Vn
+
+
=
………....(6) C1g V1 C1s Csg Vn (a) 1 2 V1 C1s C1g Csg (b) 1 2 Vn Shield C12 C2g C2s C2s C2g C12Gambar 2.31. (a). Perisaian Gandengan Kapasitif dengan Perisai Ditanahkan
(b). Rangkaian Ekivalen Perisaian Gandengan Kapasitif dengan Perisai Ditanahkan
Keterangan :
C1s = Kapasitansi sasar antara konduktor 1 dan 2 yang berperisai
C1g = Kapasitansi antara konduktor 1 dengan tanah
Csg = Kapasitansi antara konduktor 2 yang berperisai dengan tanah
C12 = Kapasitansi sasar antara konduktor 1 dan 2
C2s = kapasitansi antara konduktor 2 dengan perisai
V1 = Sumber interferensi
Vn = Tegangan noise
Untuk perisaian medan listrik yang baik perlu dilakukan :
1. Meminimalkan panjang inti konduktor yang panjangnya melebihi perisai. 2. Melakukan pembumian perisai dengan baik.
Apabila konduktor 2 (konduktor penerima) yang diperisai memiliki resistansi yang terbatas ke tanah, maka gandengan tegangan noise di konduktor 2 memiliki nilai yang berbeda. Gambar 2.32 menunjukkan sirkit gandengan kapasitif dengan penerima diberi perisai yang memiliki resistansi terbatas terhadap tanah.
C1g V1 C1s Csg Vn (a) 1 2 V1 C1s C1g Csg (b) 1 2 Vn Shield C12 C2g C2s C2s C2g C12 R R
Gambar 2.32. (a). Perisaian Gandengan Kapasitif dengan Resistansi Terbatas
(b). Rangkaian Ekivalen Perisaian Gandengan Kapasitif dengan Resistansi Terbatas