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 kan vara ”imaginär”, t ex zongränsen kan utgöra ett avstånd mellan källa och offer eller vara 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.

 

Repetition: en generaliserad skärm (som beskrevs i zonindelningskursen) kan sägas vara en topologisk sluten yta, vilken representerar en viss elektromagnetisk koppling, eller dämpning, oftast begränsad. Alltså, vilken åtgärd som helst som reducerar elektromagnetisk koppling är en skärm.

Hur åstadkommer vi bra skärmstrukturer

En av de viktigaste åtgärderna i strävan efter goda EMC-egenskaper hos apparater är att sammanfoga (koppla samman elektriskt, ihopfogning, amerikanska: to bond, bonding) alla delar av ledande strukturer med många breda anslutningar; helst direkt delarna emellan, dvs metall-till-metall, med så stora kontaktytor som möjligt och med god ytledningsförmåga. Alla sammanfogade metalldelar bildar en ”ekvipotentiell” struktur, dvs. ett referensplan. I praktiken utgör apparatens stomme och metallhölje detta referensplan. Oftast skall även kretskortets referensplan anslutas till stommen eller metallhöljet (referensplanet) för att uppnå önskade HF-emissions- och tålighetsegenskaper.

 

Notera att även om vi kallar en metallstruktur för referensplan, så innebär detta inte att alla delar av denna struktur har samma potential vid alla frekvenser! Om det inte flyter någon ström genom strukturen, ja då kan alla delar ha samma potential; inte annars. Vid låga frekvenser (liten fysisk storlek relativt våglängden för aktuell frekvens) och låg ström kan man dock ofta betrakta strukturen som ”ekvipotentiell”.

 

Syftet med god sammanfogning är bl a att åstadkomma så låga spänningsskillnader som möjligt mellan olika delar av den sammanhållande metallstrukturen, när det flyter ström i densamma. De strömmar som flyter i strukturen vill man även sprida ut så mycket som möjligt. Fältbilden i och runt apparatstrukturen blir stabil med en sammanhållen metallstruktur. Metallstrukturen kommer att tjäna som en mer eller mindre bra skärm, även om den är tämligen gles. En enkel plåt tjänar som en skärm av den enkla orsaken att kopplingen till och mellan kretsar och ledningar är dålig när dessa befinner sig nära plåten.

 

Impedans är elektriskt ledande materials motstånd (motsatsen till ledningsförmåga) mot växelström. Vid alla frekvenser, inkl. likström, bestäms impedansen (Z) av resistansen (r) och indukansen (L) enligt formeln Z = r + jωL (ω = 2πf). Vid likström (statisk ström, frekvensen noll Hz) bestäms impedansen uteslutande av resistansen i ledaren eller övergången mellan ytor. Med ökande frekvens blir ledarens eller anslutningens induktans (L) mer och mer dominerande. En tumregel säger, att en metalltråd utgör en induktans som motsvarar ungefär 1 nH/mm (= 1 μH/m). Som vi såg i avsnittet om kabelskärmning så duger trådanslutningar (sk ”pigtails”) i de flesta fall inte som kabelskärmsanslutning just pga dess induktans. Tabell ED 1 visar impedansen vid olika frekvenser i ett kopparplan jämfört med en rak kopparledare.

Notera att vi i kursen om Zonindelning definierade JORD som den ledande delen av zonens skärm. Ett apparatstativ eller ett metallhölje för en apparat kommer att bli en mer eller mindre bra skärm och därmed zonens JORD. Mer om Jord och Jordning i ett annat kursavsnitt.

 

Kortfattat kan vi redan i detta kursavsnitt konstatera att jordstukturer är ett av de viktigaste konstruktionselementen för att uppnå EMC. Skapa jord eller jordstuktur, dvs bra generaliserad skärm!

För att fungera som jord, eller skärm, förutsatt att det är låg impedans (= så låg som möjligt) för alla aktuella frekvenser mellan två godtyckliga punkter i den ledande strukturen, se Figur ED01. Dessutom gäller att alla kablar och ledningar är placerade så nära metallstukturen som möjligt och att deras projektioner är innanför metallstukturen, se Figur ED02. Anledningen är att det elektromagnetiska fältet kopplar dåligt till ledningar när dessa är nära en jordstruktur; E-fältet är vinkelrätt mot ledningarna och H-fältet är parallellt med desamma, se figur ED03.

I detta kursavsnitt visar vi hur man kan åstadkomma så bra skärmstuktur, eller jord, som möjligt. Alla metallkapslade komponenter såsom filter och skärmkåpor bör ha god elektrisk högfrekvent kontakt med tillhörande skärmstuktur.

 

Med avsikt att en skärmstuktur skall ha låg impedans mellan olika delar som möjligt för alla aktuella frekvenser, måste den ha så många anslutningar mellan delarna som möjligt, dvs många slingor och stora ledande ytor i anslutningarna. Helst ska jordstrukturen vara en hel ledande yta och dess form spelar ingen roll.

 

En metallstruktur som omger eller är bärare av de elektriska kretsar, som enheten är uppbyggt av, kallas ibland chassijord. I praktiken skall chassijord betraktas som en del av zonens skärm.

Lågimpediv anslutning

En nödvändig kunskap, vid utformandet av bl.a. skärmstukturer eller potential-utjämningssystem, är en ledares elektriska egenskaper.

 

En ledares elektriska egenskaper är frekvensberoende. Vid nätfrekvens utgörs en ledares impedans i huvudsak av ledarens resistans. Vid högre frekvenser impedansen och den reaktiva delen (induktans och kapacitans) tar successivt över. Vid växelström uppträder dessutom i ledaren en koncentration av strömmen till ledarens ytteryta, vilket höjer ledarens impedans.

 

Ledarens impedans

En ledares area har endast betydelse vid frekvenser under någon kHz. Vid högre frekvenser dominerar induktansen. Även ledarens resistans ökar vid ökande frekvens emedan den effektiva tvärsnittsarean minskar p g a den frekvensberoende strömkoncentrationen till ledarens yta (kallas även inträngningsdjupseffekt: strömmen tränger in i ledaren med avtagande strömtäthet med ökande djup). Minskningen av den effektiva arean har dock endast inverkan på ledarens resistans. För att reducera ledarnas induktans ska ledarna göras så korta som möjligt. Dessutom bör ledarens längd inte vara mer än fem gånger ledarens bredd, helst inte mer än tre gånger. Ju bredare ledaren är i förhållande till längden desto lägre blir induktansen. Lägsta möjliga impedans eftersträvas för alla aktuella frekvenser. Observera att strömmen flyter på ytor; skapa en så bra väg som möjligt för ytströmmar.

 

Hur håller man anslutningsimpedansen låg?

• Öka strömbanans (ledarens) bredd
• Minska ledarens längd
• Stora överlappande anliggningsytor: plåt mot plåt (ledande ytor)
• Flera parallella anslutningar

 

All digital elektrisk aktivitet eller annan växelströmsaktivitet, som pågår i kretsar och ledare, alstrar oavsiktligt elektromagnetiska fält, som sprider sig i omgivningen och i sin tur alstrar elektrisk växelström (störning) i all ledande material som befinner sig i fältet. Om ledaren har låg impedans för de aktuella störningsfrekvenserna blir spänningsfallet, orsakad av störningsfältet, lågt, mätt mellan två punkter på ledaren, och störningens påverkan blir liten. Metalldelar, som inte är på samma potential som referensplanet, kan fortplanta eller förstärka störningsfältet på grund av att de kan agera som effektivare antenner än kretsen för aktuella frekvenser.

 

Vi kan illustrera och förklara olika slags lågimpediva anslutningar med hjälp av figurerna ED04, ED05, ED06, ED07 och ED08. För alla de illustrerade fallen gäller att anslutningsytorna ska vara tidsbeständigt elektriskt ledande samt rengjorda före och fukttätade efter montering.

Figur ED04 visar rätt anslutning av en underenhet (t ex filter) till utrustningens chassi. Bilden visar bland annat att man skall ta bort färg eller icke ledande ytbeläggning före montering. Ytan skall också vara korrosionsskyddad (t ex tätad), så att den breda direktkontakten behålls över tiden. (Använd galvaniserade monteringsplåtar i stället för färdiglackade i köpta apparatskåp.)

 

Figur ED07 visar ett monteringsskåp där alla detaljer är utformade så att de tillåter lågimpediv anslutning mellan ramdelarna och sidoplåtarna samt även mellan underenheter och skåpstommen.

 

Ramdelarna är svetsade eller lödda. De horisontella slädarna, som är avsedda för anslutning av underenheter, är svetsade eller lödda till ramen. De är försedda med ledande ytbehandling för lågimpediv anslutning av underenheternas metallhöljen. Underenheternas frontpanel kan anslutas via för ändamålet avsedda rätt ytbehandlade monteringsytor. Täckplåtarna måste ha god anläggning till stommen och monterade med ledande packningar eller många skruvar.

 

Figur ED08 visar rätt anslutning av ett kontaktdon i metallutförande. Det skall anslutas likt ett koaxialdon.

 

Vid konstruktion av skärmande apparatlådor är kontakteringssättet för sammanfogning av olika delar av en skärmande inneslutning myck- et viktigt för lådans totala skärmningseffektivitet (SE). Det är nästan omöjligt att skapa en lågimpediv kontaktväg för strömmen, när man försöker kontaktera kant mot kant. Strömbanan bryts mer eller mindre med påföljande läckage. Se ED09.

Figur ED10 visar utförandet av en lågimpediv anslutning mellan två metalldelar: båda delarna skall ha rena metallytor över hela de mötande och överlappande ytorna. Observera att elektrisk kontakt sällan åstadkommes via skruvar eller bultar, utan via de stora mötande ledande ytorna. Skruvar eller bultar säkrar endast lämpligt kontakttryck (fästelementet skulle lika gärna kunna vara av ickeledande material.)

Det är viktigt att delarna har direktkontakt. Vi har under årens lopp sett många felaktiga utföranden, till exempel:

 

• Skärmat nätfilter, som var monterat med 30 mm höga distanser till chassiet.
• Anslutningar mellan chassidelar utförda med olika typer av skärande brickor på målade ytor utan avlägsnad färg.
• Skärmade enheter, som var monterade på monteringsskenor.
• Mycket störande enheter monterade på en ”löst” ansluten panel eller dörr, där den enda eventuella elektriska förbindelsen sker via gångjärn eller en gröngul elsäkerhetsanslutning.

Ledande ytor

För att uppnå god elektrisk kontakt via mötande metallytor över en längre period (produktens eller anläggningens hela livslängd) krävs det att tätt sammanfogade ytor inte påverkas av korrosion, vibration, luftföroreningar med mera. Alla metaller har inte tillfredsställande ytledningsförmåga, till exempel rostfritt stål. Vissa metaller måste förses med ledande ytbehandling, åtminstone på kontaktytorna. Eloxerad aluminium, som är ett mycket populärt kapslingsmaterial för elektronikprodukter, är, tyvärr, mycket besvärligt att kontaktera med låg impedans. Aluminiumoxid är en förträfflig isolator!

 

Följande metoder är att rekommendera för ytbehandling av aluminiumplåt:

• Nickel – Tenn
• Nickel – Silver
• Nickel – Guld
• Koppar – Silver eller
• Kemisk – Nickel

Korrosion

Korrosion är en gammal fiende till elektronik, som inte kan utrotas, men som kan motverkas. Det är ett kemiskt eller elektrokemiskt angrepp, som tär på alla metaller. Korrosion kostar miljarder varje år. Korrosion orsakar bland annat dålig kontakt och kan bl a fördärva ett från början välfungerande jordplan.

Det finns två typer av korrosion, som vi behöver se upp med: elektrolytisk och galvanisk korrosion.

Elektrolytisk korrosion

Alla strömförande kontakteringar (om de inte är fukttäta) mellan två metallytor (lika eller olika metaller) korroderar, när vatten och salt (= elektrolyt) tränger in mellan metallytorna. Vid stömpassage sker materialomvandling och materialvandring, vilka orsakar dålig kontakt och därmed hög impedans.

Åtgärd: Täta mot fukt eller ventilera.

Galvanisk korrosion

Galvanisk korrosion sker inne i materialet. Vi ser bara dess verkan. Fenomenet uppstår på grund av att alla metaller har olika elektrisk potential relativt varandra, när de befinner sig i en elektrolys. Alla metaller är inordnade i den galvaniska spänningsserien, se Tabell ED02. När vi sammanfogar olika metaller kan det uppstå galvanisk korrosion på grund av elektrolys (fukt + salt = elektrolyt) tränger in i fogen. Fogen fungerar som ett batteri! Det kommer att ske materialomvandling och materialvandring, vilket orsakar dålig kontakt och därmed hög impedans.

Åtgärd: Täta mot fukt eller ventilera!

Tabell ED 02 visar potentialskillnader mellan olika metaller relativt silver i en saltlösning. Som god tumregel för kombination av olika metaller bör potentialskillnaden enligt tabellen för materialanvändning utomhus ej överstiga 0,3 V och för användning inomhus 0,5 V.

Kompositmaterial

Kompositmaterial har på senare tid vunnit terräng b a i flygindustrin. Med fördelar, såsom lägre vikt, har emellertid kommit nya tekniska utmaningar, eftersom kompositmaterial i sig saknar elektriskt ledningsförmåga och därmed inte skärmar. För att åstadkomma saknade egenskaper, såsom skärmning och möjlighet till elektrisk anslutning (bonding), måste man införa metall i någon form i kompositstrukturer. Man kan använda koppar- eller aluminiumnät eller folie.

Elektriska moduler måste kunna anslutas med låg impedans till exponerat metallnät. Se Figur ED11. I områden där elektriska moduler monteras och ansluts direkt till flygplansskrovet är en maximal impedans av 3 milliohm specificerad (referens: Elektronik i Norden nr 5, 2012). För att hantera ett blixtnedslag är ett konventionellt flygplan konstruerat att leda blixtenergin med skrovmetallens ledningsförmåga på utsidan av skrovet. Skrovet själv kan ta upp en del av blixtenergin och förhindra skador på känsliga elektroniksystem innanför flygplansskalet.

Att garantera god elektrisk kontakt mellan individuella kompositdelar för att åstadkomma avledning av blixtenergi är en utmaning. Ledande packningar och tätningar används för att förbättra elektrisk kontakt mellan metallaminerade kompositstrukturer.

Metalliserad plast

Som vi berörde tidigare, kan vi använda metalliserad plast för skärmningsändamål. Det kritiska för goda skärmningsegenskaper är hur vi lyckas sammanfoga de olika delarna av konstruktionen till en obruten skärm. Figur ED12 visar sämre och bättre utförandealternativ. De bättre alternativen har bredare och säkrare kontaktytor.

Punktvis kontartering

I vissa sammanhang, t ex när man inte är i behov av hög dämpning vid relativt hög frekvens, dvs. behov av skärmning vid relativt lågt frekvensspektrum, kan det räcka med att åstadkomma metallisk kontakt mellan olika metalldelar genom gles punktkontaktering. Detta kan göras på olika sätt. I följande exempel, Figur ED13, visar två olika typer av specialdesignade kontaktelement av beryllium-koppar: båda är avsedda att pressas in i borrade hål t ex i ett apparatskåp. Deras räfflade periferi ger bra kontakt med skåpet, även utan avlägsnande av färg. Den vänstra har en fjädrande del med flera optimalt formade kontaktpunkter, som måste möta en ledande yta för avsedd funktion. Den högre är en variant med ”mesh”-kontaktyta (stickad tråd av till exempel monell) som har en viss flexibilitet.

Avslutning

Detta är den femte kursdelen, fjärde avsnittet av EMC-kursen i en serie med syfte att ge olika yrkeskategorier inblick, förståelse och kunskaper om vad EMC innebär och hur EMC uppnås. Detta kursavsnitt har behandlat sammanfogning av skärmdelar (från jordstrukturer till helskärmande apparatlådor), både i teori och praktik. Det är viktigt att all metall i en struktur för elektronik sammanfogas så bra som möjligt för att erhålla förväntad skärmningseffekt för nedlagda kostnader.

 

Övriga kurser i serien ger inblick i olika EMC-teknikområden såsom zonindelning, filtrering och jordning, men introduktionskursen och kursen om Störningskällor, störningsoffer och kopplingsvägar är ett måste för den som vill behärska EMC-tekniken. Fortsätt nu med självtest genom att välja svarsalternativ i Frågor och Svar.

 

Har du frågor eller synpunkter är du hjärtligt välkomna med dessa till info@contentavenue.se. Vi utlovar inga personliga svar (även om det kan bli så), men vid behov publicerar vi tillrättalägganden. Vi uppskattar ditt engagemang!

.

Miklos Steiner, redaktion@electronic.se

Ulf Nilsson, emculf@gmail.com