Skärmning som sådan är ett sätt att apparatisera zoner, vilket vi behandlade i förra kursdelen: Zonindelning. När vi i dagligt tal pratar om skärmar tänker vi oftast på olika former av metallskal, som omsluter el- och elektronikkretsar, men kom ihåg att en skärm i zonindelningssammanhang t ex kan vara ett avstånd eller närhet till ett jordplan. Definitionen av zon är ju ” Volym, begränsad av en sluten yta (verklig eller imaginär), med bestämd elmiljö”, dvs en volym med bestämd elmiljö.

 

En generaliserad skärm (som beskrevs i förra kursdelen) kan sägas vara en topologisk sluten yta, vilken representerar en viss elektromagnetisk koppling, oftast begränsad. Alltså, vilken åtgärd som helst som reducerar elektromagnetisk koppling är en skärm.

 

I detta kursavsnitt ska vi beskriva skärmande lådor och alternativ därtill och ska försöka ge teori och underlag för val av skärmningsmaterial och utformning av skärmar, till exempel lådor.

EMC konstruktion – mekanik

Mekanikkonstruktörer är en ofta bortglömd grupp i EMC-samman­hang. Det är vanligt att EMC-frågor faller mellan stolarna eller lämnas till mekanik-konstruktörer att hantera. Paradoxalt nog är lösningarna till EMC-problem i modern elektronik många gånger av mekanisk na­tur. Mekanikkonstruktörer behöver grundkunskaper i EMC och prak­tiska verktyg för att utforma konstruktionen på ett kostnadseffektivt sätt för att uppnå önskade EMC-egenskaper hos produkten. Elektronik­konstruktörer bör ge mekanikkonstruktörer rätt underlag för elektroni­kens utformning ur elektromagnetisk synvinkel.

 

Det är även viktigt att alla kategorier av konstruktörer av apparater och system, automatiseringsutrustningar, maskiner och elektriska in­stallationer osv är väl insatta i EMC-problematiken. Detsamma gäller installatörer, brukare och underhållspersonal.

Skärmning

Skärmning och filtrering hör till de viktigaste metoderna för att reducera koppling av oönskade signaler mellan två kretsar (mellan zoner). Filter påverkar ledningsbundna störningar och skärmar reducerar påverkan via fält; i båda fallen från en volym (= zon) till en annan. Se tidigare kurs om bl a zonindelning. En skärm kan förhindra (eg reducera) att störning läcker ut från en störningskälla som fält eller den kan hindra (reducera) fältpåverkan på ett störningsoffer. Observera att skärmning och filtrering hör intimt samman; båda metoderna krävs för full kopplingsminskning. Detta därför att ledningar som passerar en skärm är antenner på båda sidor och på så sätt ”punkterar” skärmen om det inte finns ett filter i övergången från den ena till den andra sida zongränsen. Mer om filter i kommande kursdel.

 

Skärmningsmaterialets effektivitet är avhängigt av:

• Fältets karaktär: frekvens och impedans, dvs. avståndet från källan och källans impedans.
• Skärmningsmaterialets egenskaper: tjocklek, ledningsförmåga och permeabilitet.

Notera att ett ickeledande material i princip inte kan skärma (en radiosig­nal går i det närmaste odämpad rakt igenom en trävägg)!

 

Val av skärmningsmaterial är oftast inte ett problem; tunn folie av vilken metall som helst är oftast tillfyllest. I praktiken är det som regel skärmens mekaniska utformning med olika öppningar och sammanfogningar, som är helt avgörande för skärmens effektivitet. Se kommande kursavsnitt om öppningar i skärmar och sammanfogning av skärmdetaljer.

 

Skärmning är en av de åtgärdsmöjligheter som står till förfogande för att uppnå önskade EMC-egenskaper hos en apparat eller modul. Ofta får t ex mekanikkonstruktörerna i uppgift att bygga en skärmande låda (med or­det skärm avser vi i denna kursdel oftast någon form av metallskal), utan närmare kravspecifikation om t ex aktuellt frekvensområde och önskad dämpning.

 

Skärmning är en åtgärd man kan ta till för att minska effekterna av elek­tromagnetiska fält. Skärmning är endast verksam mot fältpåverkan eller fältemission.

 

Hur mycket dämpning är rimligt att förvänta sig? Här är några grova omdömen om skärmningsnivåer:

 

0 – 10 dB: obetydlig skärmning

10 – 30 dB: minimigräns för meningsfull skärmning

30 – 60 dB: generell skärmning

60 – 90 dB: god skärmning

90 – 120 dB: mycket god skärmning (120 dB är extremt svårt att uppnå).

 

Skärmningens uppgift är att skapa en zon vars elmiljö skiljer sig från an­dra zoner, ofta omgivningen. Inuti det skärmade utrymmet (jfr Faraday´s bur) kan t ex en krets arbeta ostörd, dvs. utan att påverkas av infallande elektromagnetiska fält (EM-fält). Skärmen är effektiv åt båda hållen och dämpar även energiemmission från en krets. En idealt skärmande låda har inte öppningar, springor eller anslutningar, dvs den är helt tät och svävar fritt. Notera att en skärm inte behöver vara ansluten till något i sin omgiv­ning (”jordad”) för att fungera! Till exempel en flygplanskropp av metall fungerar som skärm även högt ovan moder jord.

 

För att skydda fältstörda kretsar, eller för att reducera fältkoppling från kretsar, kan dessa inneslutas i en metallåda (för att minska fältkoppling mellan en krets och dess omgivning finns även andra sätt att skärma, se längre fram i denna text). Frågor som då behöver besvaras är:

• Vilket material skall användas?
• Hur tjockt behöver skärmningsmaterialet vara?
• Hur stora kan öppningar i skärmen vara?
• Hur behandlas kablar?

De två första frågorna försöker vi besvara i detta avsnitt, de två övriga i kommande avsnitt. Innan vi försöker besvara dessa frågor behöver vi lite bakgrundinforma­tion om elektromagnetiska fält och hur ström uppträder i en metall.

Statiska fält

Det är mycket enkelt att skärma statiska elektriska fält med tunna elek­triskt ledande metallskikt. Statiska och lågfrekventa (f < 10 Hz) magnetfält är däremot svåra att skärma och det krävs ferromagnetiska material. Vi behandlar inte skärmning mot statiska och lågfrekventa fält i den föl­jande texten. För den intresserade refererar vi till bl a Försvarets Materiel­verks sk EMMA-handbok: ElektroMagnetisk Miljö Användarhandbok, vilken för övrigt är referens till det mesta i denna text.

Elektromagnetiskt fält

Elektrisk fält (E) orsakas av spänningsskillnad mellan t ex två föremål och mäts i V/m (Volt per meter), se Figur EA01.

Magnetfält (H) genereras av ström, som oftast flyter i en ledare, och mäts i A/m (Amper per meter), se Figur EA02.

När både spänning och ström existerar uppstår ett elektromagnetiskt fält (EM-fält), där de olika komponenter har olika signifikans beroende på avstånd från och typ av källa.

 

Ett EM-växelfält på tillräckligt avstånd från källan betraktas i geometri­domänen som en vågrörelse. Det har en bestämd vektoriell utbrednings­riktning och kallas då även planvåg.

Fältet benämns närfält när betraktelsen görs i närheten av källan och fjärrfält när betraktelsen görs på större avstånd från av källan. Gränsen går vid ett avstånd av ungefär en sjättedels våglängd (λ/6) (för en våg­längdsmässig liten sändare eller mottagare).

 

Fjärrfält, eller planvåg, består av två komponenter: en elektrisk fältvektor (E) och en magnetisk fältvektor (H), vilka ligger vektoriellt vinkelrätt (90o) relativt varandra och till rörelsevektorn (rörelseriktningen). Förhållandet, E / H, mellan de två vektorerna i fjärrfält är alltid detsamma, se nedan.

 

I närfältet är inte förhållandet mellan E och H enkelt att beskriva; det är bekvämast att betrakta de två var för sig. Antingen dominerar E- eller H-fältskomponeten.

 

Dominant E-fält (närfält) genereras av högimpediva källor och anses ha hög impedans relativt fjärrfältsimpedansen; spänningen bestämmer fältet.

 

Dominant H-fält (närfält) genereras lågimpediva källor och anses ha låg impedans relativt fjärrfältsimpedansen; strömmen bestämmer fältet.

Fältimpedans

Elektromagnetiskt fält sägs ha en impedans, fältimpedans (Zv ), som ang­er förhållandet mellan fältets elektriska (E) och magnetiska (H) vektorer:

 

Z_v = E / H [Ohm]

 

Tillräckligt långt bort (> λ / 2 π, där λ = våglängden) från källan finner man att relationen mellan E och H förblir konstant oberoende av avstånd (Z_v = 377 eller ungefär 120 π Ohm) och oberoende av typ av emissions­källa. Man säger att fältet har fjärrfältsimpedans eller planvågsimpedans.

 

Invid (i närfältet av) en högimpediv krets är det elektriska fältet (E) re­lativt kraftigt (p.g.a. relativt hög spänning och låg ström) och det mag­netiska fältet (H) relativt svagt (p.g.a. relativt låg ström) och således är fältimpedansen hög relativt fjärrfältsimpedansen. Nära en lågimpediv källa (relativ hög ström och låg spänning) gäller det omvända, d v s H-fältet dominerar och fältimpedansen är relativt låg.

Inträngningsdjup

Materialet i en skärm är ju någon metall och vi behöver veta lite om hur ström uppträder i en sådan för att förstå hur denna dämpar ett EM-fält. Ström i en ledare utnyttjar vid höga frekvenser enbart ledarens tjocklek till viss del (strömmen flyter mest på dess yta), vilket är frekvens- och materialberoende, se Figur EA04. Man talar om ett visst inträngningsdjup, vilket är det djup i en ledare där strömtäthe­ten J (A/mm2) sjunkit till 1/e av värdet på ledarens yta (e: naturliga logaritmens bas, ung. = 2,718).

 

Inträngningsdjupet (δ) är en funktion av och omvänt proportionellt mot frekvensen, permeabiliteten och ledningsförmågan enligt följande:

 

δ = √ (1 / π f μ σ)

där δ = inträngningsdjup i m

f = frekvens [Hz]

μ = materialets permeabilitet = μ_r μ₀

μ_r = materialets permeabilitet relativt vakuum

μ₀ = 4 π 10^-7 [H/m]

σ = σ_r σC_u

σ_r = ledningsförmågan relativt Cu

σ_Cu = 5,8 10-7 [1/ Ωm eller Siemens/m]

σ_r för Al: 0,6; för konstruktionsstål: 0,17

 

Inträngningsdjup i Cu vid olika frekvenser:

• 50 Hz: 9,3 mm
• 10 kHz: 0,66 mm
• 1 MHz: 66 μm
• 100 MHz: 6,6 μm

Inträngningsdjup i Al vid olika frekvenser:

• 50 Hz: 12 mm
• 10 kHz: 0,85 mm
• 1 MHz: 85 μm
• 100 MHz: 8,5 μm

Skärmningsteori

För att besvara frågorna vi ställde oss i inledningen behöver vi se hur man värderar en skärm, dvs hur effektiv är en metall som skärm mot EM-fält? Därefter ser vi på hur metallen ger upphov till dämpning av ett EM-fält och kan då besvara frågorna

• Vilket material skall användas?
• Hur tjockt behöver skärmningsmaterialet vara?

Vad är skärmningseffektivitet?

Figur EA05 visar en plåt med en viss tjocklek och en infallande elektro­magnetisk våg. Dämpningsförmågan eller skärningseffektiviteten be­står huvudsakligen av två fysikaliska fenomen (fältfrekvensen > 10 Hz):

• Plåten (likt en spegel för ljus) reflekterar tillbaka en del av den infal­lande vågen. Denna del kallas Reflektionsförlust (R) eller Reflektions­dämpning. En annan benämning på effekten är virvelströmsskärm­ning, emedan det infallande fältet ger upphov till virvelström i plåten och denna ström alstrar det reflekterade fältet.
• En del av vågen absorberas av plåten (A = Absorptionsdämpning) medan en liten del av vågen tränger igenom skärmen.

Figur EA05. Skärmningsmodell.

Skärmningseffektivitet SE = E₂ / E₁ [ggr] eller SE = H₂ / H₁ [ggr] vilket motsvarar

SE = R + A [dB] där R = reflektionsförlust och A = absorptionsförlust.

R = f (vågimpedans, material, frekvens); A = f (material, tjocklek, frekvens).

E₁, H₁ = infallande våg; E₂, H₂ = dämpad våg; E₃, H₃ = reflekterad våg.

J₁ = inducerad ytström på exponerad sida; J₂ = ytström på sekundärsidan som funktion av inträngningseffekt.

 

Skärmningseffektivitet är således förmågan hos en skärm att dämpa elektromagnetiska fält, t ex fält från ena sidan (E₁, H₁) av en plåt till den andra (E₂, H₂) (Figur EA05). Således:

 

SE = E₁ / E₂ eller H₁ / H₂ ; SE_dB = R + A [dB]

R = Reflektionsdämpning (virvelströmsskärmning)

A = Absorptionsdämpning (yteffektskärmning)

 

Vi tänker oss ett experiment på följande sätt: Vi sätter upp två antenner på ett visst avstånd från varandra och matar den ena antennen med en viss sändareffekt och använder den andra antennen som mottagare. Vi noterar den mottagna effekten = P₀.

 

Nu sätter vi in en ”oändligt” stor plåt mellan sändar- och mottagaran­tennerna och antecknar den nu mottagna effekten = P₁.

 

Relationen mellan effekterna P₁ / P₀ = SE (skärmningseffektivitet = dämpning).

Hur förklaras fysisk skärmningseffekt?

Vilka egenskaper hos skärmen är avgörande för skärmningseffektivi­teten? Reflektionsdämpningen är en funktion av vågimpedansen, materialet (eg. plåtytans impedans) och frekvensen:

 

R = f (vågimpedans, material, frekvens)

 

Absorptionsdämpningen är en funktion av materialet, tjockleken hos metallen (plåten) och frekvensen.

Reflektionsdämpning

Reflektionsdämpning, R, kan betraktas som en funktion av missanpass­ning mellan vågimpedansen och skärmens (metallens) ytimpedans:

 

När en planvåg, som alltid har 377 ohm vågimpedans, möter en skärm, vars ytimpedans i allmänhet är mycket lägre, medför detta stor mis­sanpassning = stor reflektion = stor dämpning. Slutsats: ju bättre ledare (aluminium, koppar, silver) desto bättre reflektionsdämpning. Notera att vid höga frekvenser och små inträngningsdjup (se nedan) har ytskik­tet (t ex oxider) stor betydelse!)

 

Figur EA06 visar reflektionsdämpningskurvor för skärm av koppar, där vi kan jämföra skärmningsegenskapen mellan när- och fjärrfält i frek­vensområdet 100 Hz till över 100 MHz.

 

Mittersta kurvan illustrerar dämpningen för planvåg. Vi kan avläsa att dämpningen ligger mellan ca 100 dB och 150 dB; något avtagande med ökande frekvenser. Detta är mycket hög dämpning och oftast mer än tillräckligt!

 

De andra kurvorna illustrerar dämpning för elektriskt fält (E) och mag­netfält (H), på två olika distanser från källan: 1 m och 30 m. Som det framgår är skärmning mot elektrisk fält (E) inget bekymmer: mycket högre dämpning jämfört med planvåg. Dämpningseffekten för magnetfält (H) är däremot svagare för låga frek­venser med valt material.

Reflektionsdämpning i nät

Ett metallnät har nästan lika bra skärmningseffektivitet som en homo­gen plåt. Dämpningen är beroende av maskstorleken D:

 

R = 20 log (1,5 ∙ 10⁸ / D ∙ f) [dB] för f < f_co

 

Formeln gäller för frekvenser under f_co = ”cut off frequency”, brytfrek­vens. Vid en viss frekvens (f_co = 150 / D [MHz]) och däröver har nätet i det närmaste ingen dämpning, dvs. hela vågen passerar igenom nätet. En modell säger att nätet har samma dämpningsgrad vid låga frekvenser som en folie med samma metallmängd som nätet, dvs. som om nätet plattats ut till en folie.

Absorbtionsdämpning

Inträngningsdjupet (se ovan) har en avgörande betydelse för absorp­tionsegenskaperna hos metallskärmen. Ett infallande EM-fält genererar alltid strömmar i ett metallföremål (t ex skärmplåt). Denna ström flyter mestadels på ytan och längre in i materialet sjunker strömtätheten exponentiellt med avståndet från ytan. Detta gäller oberoende av hur strömmen uppkommer.

 

Absorptionsdämpning är således en funktion av materialtjockleken (t) relativt inträngningsdjupet (δ). Det finns ett enkelt samband:

 

A = 8,69 (t / δ) [dB];

 

dvs. när materialtjockleken (t) är lika med inträngningsdjupet (δ) får vi 8,69 dB bidrag p.g.a. absorptionsdämpningen. Om tjockleken är 10 gånger större än inträngningsdjupet blir absorptionsbidraget 10 ggr större, dvs. 86,9 dB.

 

Om inträngningsdjupet är större än plåttjockleken så är absorbtions­dämningen försumbar. Plåten behöver vara tjockare än 1,3 gånger in­trängningsdjupet för att absorbtionsdämpningen ska ha någon betydel­se, dvs medföra att dämpningen är större än 10 dB.

Sammanfattning

Endast elektriskt ledande material lämpar sig för skärmning mot elektromagnetiska fält; ju bättre ledningsförmåga desto effektivare skärm. Generellt sätt har homogena plåtar eller folier av alla vanliga metaller tillräckligt bra skärmningseffektivitet (dämpning) i de flesta frekvensområden. Undantaget är lågfrekventa magnetfält där de flesta metaller har låg dämpningsförmåga. För frekvenser under c:a 10 Hz kan metaller med hög relativ permeabilitet ge effektiv dämpning. För frekvenser 10 Hz – 1 MHz behövs tjock plåt med god ledningsförmå­ga, till exempel aluminium eller koppar. För högre frekvenser räck­er det med folietjocklek, dvs när metallen är några inträngningsdjup tjock, se nedan.

 

Metallnät har nästan lika bra dämpningsförmåga som homogen plåt förutsatt att maskorna är små relativt aktuell våglängd; ju tätare mas­kor ju högre dämpning.

 

Skärmningseffektiviteten (se Figur EA05 och Figur EA04) hos skär­mar av metaller kan delas upp i två huvudkomponenter: reflektions­dämpning (R) (se Figur EA02), absorptionsdämpning (A) (se Figur EA03).

 

Reflektionsdämpningen, eller reflektionsförlusten, beror på att det in­fallande fältet alstrar virvelströmmar i metallytan, vilka i sin tur ger upphov till ett motriktat fält; energin reflekteras bort från metallytan. Ett annat betraktelsesätt är att reflektionen kan sägas bero på missan­passning mellan den infallande vågens impedans och skärmmaterialets (ytans) impedans; ju större skillnad desto bättre reflektion. Reflektions­dämpningen är dominant vid låga till måttligt höga frekvenser. Reflek­tionsskärmning kallas även virvelströmsskärmning.

 

Absorptionsdämpningen beror av att strömtätheten är störst på den exponerade ytan och att den avtar med ökande djup. Absorptions­dämpningens storlek bestäms av hur många sk inträngningsdjup tjockt materialet är, vilket innebär att absorbtionsdämpning är dominant vid höga frekvenser.

Ledande ytbehandling – Metallisering

Ett mycket tunt skikt av metall kan ge tillräckliga dämpningsbehov för högre frekvenser; detta p.g.a. att det sk inträngningsdjupet är litet rela­tivt det ledande skiktets tjocklek. Det finns många väl utvecklade tekniker för att metallisera plast för ändamålet, till exempel: ledande färg, zinkbeläggning, kemisk plätering eller vakuum-metallisering.

Total skärmningseffektivitet

Figur EA08 visar kurvor för 0,5 mm aluminium: total skärmnings­effektivitet, dvs. sammanlagd reflektionsdämpning och absorptions­dämpning. Det framgår att absorptionens inverkan vid högre frekvenser resulterar i högre dämpning jämfört med enbart reflektionsdämpning för en viss plåttjocklek.

 

Det är inte så lätt att åstadkomma en skärmande låda (se Figur EA09) som många tycks tro. Enligt vår erfarenhet satsas mycket resurser (pengar och tid) på skärmning, ibland till mycket liten nytta. Att försö­ka bygga eller köpa dyra så kallade ”EMC-täta” apparatlådor hjälper föga om man t ex lämnar alla kablar och ledningar som passerar genom skärmen utan åtgärd (se kurs om filter).

 

Det är ytterst viktigt att ha en helhetssyn på störningsproblematiken för att man skall kunna åstadkomma en balanserad kostnadseffektiv lösning.

Alternativ till apparatskärmning

Apparatskärmning i form av lådor kanske inte kan användas i alla sam­manhang. Vad är alternativen?

• Jordplan (generaliserad skärm kombinerad med filter). Se Figur EA10 och Figur EA11.
• Lokal skärmning och filtrering (små zoner, komponenter). Se Figur EA12 och Figur EA13.
• Små skärmburkar kan användas för lokal skärmning. Exempelvis har radioapparaters mellanfrekvenstransformatorer och antenningångskretsar i alla tider varit skyddade av lokala skärmkåpor.
• Skärma hela systemet (gammalt militärt angreppssätt). Används när robusthet är ett plus och vikt inte alltid är en kritisk pa­rameter.

 

 

 

 

Vi har sett avskräckande exempel på hur man har struntat i EMC-egen­skaper på modulnivå vid konstruktion av ett bepansrat militärfordon. Man tänkte att fordonets yttre skal, som i stora delar skulle bestå av keramik-kompositmaterial, skulle fungera som skärm.

Avslutning

Detta är första avsnittet av fyra i den femte kursendelen i vår EMC-kurs­serie med syfte att ge olika yrkeskategorier inblick, förståelse och kun­skaper om vad EMC innebär och hur EMC uppnås. Detta kursavsnitt har behandlat apparatskärmning, både i teori och praktik, och ger grun­den för att kunna bygga skärmade apparater med förväntad skärmnings­effekt. Denna kursdel ingår som en av fyra skärmningskurserdelar, där de tre övriga behandlar skärmläckage, kabelskärmning och lågimpediv sammanfogning av skärmdelar.

 

Fortsätt nu med självtest genom att välja svarsalternativ i Frågor och Svar. De rätta (eller mesta rätta) svaren återfinns längre bak i denna Electronic Environment.

 

Miklos Steiner, redaktion@electronic.se

Ulf Nilsson, emculf@gmail.com