STOPPA STÖRNINGAR!

Enkla R D F R Att Hantera Och Konstruera

St Rningsfria Produkter

Kurskapitel E, Avsnitt B: ÖPPNINGAR I SKÄRM

Målgrupp är ALLA som vill slippa störningar, dvs chefer (alla nivåer), kvalitetsansvariga, projektledare, marknadsförare, säljare, installatörer, el- och elektronikkonstruktörer, mekanikkonstruktörer, med flera.

KURSENS SYFTE

Detta är den femte kursdelen i vår EMC-kurs för elektronikhårdvarukonstruktörer, vilken ska behandla skärmning. På grund av omfånget delas denna kurs upp i fyra avsnitt: Apparatskärmning, Öppningar i skärm, Kabelskärmning och Sammanfogning. Skärmning som sådan är ett sätt att apparatisera zoner, vilket vi behandlat i tidigare kurser om 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 zonindelningsdelen) 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.

Detta kursavsnitt behandlar den svåra konsten att bygga en tät skärmlåda och vad som kan göras för att skärmlådan ska bli så bra som möjligt.

APPARATHÖLJEN SOM SKÄRM

När man skall konstruera ett apparathölje avsett att hysa känslig elektronik och som behöver skyddas mot elektromagnetiska störningsfält, alternativt skydda omgivningen mot elektonikkretsarnas emission, önskar man ofta åstadkomma en så kallad Faradays bur. Detta innebär ett (tätt, se nedan) metallskal, där metallen genom sin ledande förmåga direkt skyddar mot elektriskt fält (kortslutning) och indirekt genom virvelströmmar hindrar magnetfält att tränga igenom skalet (se föregående skärmningsavsnitt). Observera att skalet inte behöver vara anslutet till ”jord” för att fungera som en effektiv skärm!

I de allra flesta fall är valet av metall eller dess tjocklek inte något problem. Det är öppningar av olika slag i metallskalet som medför elektromagnetiskt läckage.

I praktiken är det svårt att göra ett apparathölje som är fullständigt tätt. Det behövs som regel öppningar för manöverorgan, teckenfönster, ventilation, anslutningsdon, mm. Till detta kommer alla skarvar mellan olika metalldelar, oftast plåtar. Genom dessa öppningar kan fält läcka in eller ut. Det är dessa öppningars storlek, form och antal som avgör hur bra den totala skärmningen blir.

Det finns emellertid konstruktionsmetoder med vilkas hjälp läckaget kan reduceras till acceptabel nivå.

I dag kapslas elektronik in i både ledande och ickeledande material. Det är svårare att uppnå god skärmning med plastmaterial, eftersom plast i sig inte har någon skärmande egenskap. Man kan antingen ha en metallåda innanför plasthöljet eller metallisera plasthöljet.

Man kan belägga plasten med elektrisk ledande material eller använda plastkomposit med inblandning av elektriskt ledande partiklar.

Hur bra dämpning man behöver är avhängig av EMC-kraven för den bestämda produkten, vilket bestäms av omgivningsmiljön och elektronikens känslighet respektive emission. Omgivningsmiljön bestäms i sin tur av bl a marknaden, myndighetskrav, tillämpbara standarder, annan elektronikutrustning mm.

Det är relativt enkelt att uppnå god dämpning (> 80 – 100 dB) av elektromagnetiska fält med hjälp av en kompakt metallskärm. I de flesta praktiska fall är skärmen som nämnts inte hel utan det finns alltid öppningar, fönster, slitsar och skarvar. Det är i huvudsak dessa ofullständigheter i skärmen, som bestämmer den totala skärmningseffektiviteten.

Hur mycket metallådans dämpning (skärmningseffektivitet) reduceras bestäms av:

- öppningens storlek och form,

- öppningens orientering (polarisation) i förhållande till fältet,

- vågimpedansen och

- fältets frekvens.

L Ckage Genom En Slits

När ett fält åstadkommer en ström i en (tunn) plåt och denna plåt har en öppning, vilken strömmen måste förbi, alstras fält på båda sidor om öppningen. Metallen närmast runt öppningen fungerar som en resonanskrets med högt Q-värde och strömmen ger upphov till fält på ”frånsidan”, dvs hålet ”läcker”. Resonansfrekvensen bestäms av öppningen form och storlek. Vid resonansfrekensen kan även förstärkning (dvs negativ dämpning) ske, men i vår förenklade modell tar vi ingen hänsyn till detta.

Man kan även en likna slitsen vid en dipolantenn, vilken tar emot ”signalen” på ena sidan skärmplåten och sänder ut signalen på den andra sidan.

En öppning är oftast en skarv mellan två plåtar med måttligt tätt mellan olika kontaktpunkter. En långsmal öppningen eller slits är resonant vid en frekvens vars våglängd motsvarar slitsens halva längd. Förenklat, denna slits släpper igenom vågen helt odämpat vid resonansfrekvensen. Över resonansfrekvensen betraktas öppningen som icke-dämpande. Eg har slitsen resonans vid multiplar av grundresonansfrekvensen och däremellan sker viss dämpning.

Som vi har sett i tidigare avsnitt: en homogen plåt har mycket bra dämpning (100 – 150 dB) mot elektromagnetiska fält.

Vi tittar på effekten av en avlång slits. Vi antar att plåten är tunn och slitsen är så smal att öppningen är ”endimensionell”, se Figur EB 01.

Läckage från en avlång öppning bestäms av öppningens längd i förhållande till våglängden. En smal och grund öppning, vars längd är lika med eller större än halva våglängden, betraktas förenklat inte ha någon dämpning för motsvarande frekvenser. Frekvensen vars halva våglängd (λ) överensstämmer med slitslängden (L) kallar vi brytfrekvens (eller ”cut off frequency”) fco. Vid fco är dämpningen noll och dämpningen ökar med minskande frekvens med 20 dB per dekad (= 10 ggr per dekad), tills slitsen uppnår samma dämpning som plåten. Detta är en förenklad och konservativ modell av vad som sker, men tillräckligt bra för att förstå sambanden.

fco = 150/L (f i MHz, L i m)

Skärmningseffektiviteten SE för en given frekvens f lägre än fco kan beräknas som:

SE [dB] = 20 log (fco / f), gäller för f < fco

Fenomenet kan förklaras med följande teoretiska resonemang: det infallande fältet inducerar ytström på skärmen (plåten). Om fältet är polariserat så att denna ytström (J) måste avvika kraftigt för att gå runt öppningen uppstår ett magnetfält (H) runt öppningen. Detta fält motsvarar ett läckage genom öppningen. Ju större omväg ytströmmar måste ta, desto större blir läckaget, se Figur EB 02.

Runda hål har liknande effekt på skärmningseffektiviteten.

Uttryckt på ett annat sätt: skärmningseffektiviteten hos ett hål eller slits ökar minst 10 ggr (20 dB) per tio gånger lägre frekvens för frekvenser understigande öppningens fco

Tabell EB 1 visar, att om vi önskar 40 dB dämpning i en slits vid 300 MHz, får slitsen ej överstiga 5 mm. Detta emedan slitsen har sin resonans, och därmed dämpningen 0 dB, då slitsen är en halv våglängd lång. För att erhålla 40 dB dämpning krävs att slitsens gränsfrekvens fco är två dekader (40 / 20) högre än 300 MHZ, dvd 30 GHz (våglängd = 10 mm), eller längre.

Slitsens Längd Dämpning ca dB vid frekvensen

Notera att detta är en förenklad och konservativ modell; dämpningsökningen är i verkligheten betydligt större! (Se bl a Michel Mardiguian: Everything you always wanted to know about EMC but were afraid to ask.) Diskussionen gäller dessutom för en oändligt stor plåt med ett relativt litet hål. I verkligheten är ju elektronikkretsarna inneslutna i en plåtlåda, vilken i sig själv har en resonansfrekvens. Intern i lådan uppstår fältresonanser och kretsarna i lådan uppvisar egna resonanser. Att uppskatta verklig skärmningseffektivitet (påverkande störningssignal relativt infallande fält) är således komplicerat och svårt. Vi kan doch konstatera att för att åstadkomma bra skärmning måste alla öppningar i skärmen vara mycket små.

V Gledard Mpning

Om öppningen har ett djup, dvs. utförd som en rörstump eller som överlappande flänsar, inträder en sk vågledardämpningseffekt, A dB. Öppningens dämpning ökar för frekvenser som är lägre än hålets brytfrekvens fco. Vågledardämpningen är avhängigt förhållandet mellan öppningens bredd (g) och djup (d), se Figur EB 03. Vid g = d ger vågledardämpningen ca 30 dB extra dämpning för frekvenser lägre än c:a fco / 3 utöver reflektionsdämpningen enligt ovan.

A ≈ 30 g / d [dB] (f < fco /3)

Totaldämpning för en vågledarformad öppning blir således (reflektionsdämpning plus vågledardämpning räknat i dB):

R = R + A [dB]

Vid skarvning av till exempel plåtar ska man sträva efter överlappning för minskat läckage.

VÅGLEDARDÄMPNING I PRAKTIKEN

Figur EB 04 visar en metallåda med överlappande flänsar, där vi räknar med ett visst dämpningsbidrag. Som figuren visar är det avståndet mellan skruvarna (g) (där plåtarna har säker kontakt) och överlappet (d), som är avgörande parametrar. Förhållandet d/g enligt Figur EB 03 bestämmer dämpningen genom ”röret”.

METODER ATT SKÄRMA ÖPPNINGAR

Figur EB 05 visar olika metoder att begränsa läckage genom öppningar. Nät, galler, ”bikake”-konstruktioner (honeycombs), kan fungera mer eller mindre bra för skärmning av öppningar.

Utförandet är många gånger avgörande för resultatet. Figur EB 06 visar en del av svårigheterna. Man måste se till att det inte uppstår oavsiktliga glapp eller spalter när man ansluter t ex ett finmaskigt nät för att skärma en stor öppning. Observera viktiga detaljer som:

• Panelens yta måste vara ren och vara en god elektriskt ledande.

• För att kunna åstadkomma en god och kontinuerlig kontakt mellan nätet och panelen behövs oftast någon form av ledande packning.

• En styv ram, som pressar nätet mot panelen, för god kontakt i många punkter med hjälp av packningen.

• Metallerna bör inte ligga långt från varandra i den galvaniska korrosionsskalan för att säkerställa långlivad kontaktering i anliggningsytorna.

REGLER FÖR UPPSKATTNING AV LÄCKAGE FRÅN FLERA HÅL

Figur EB 07 visar utsläckningseffekten av symmetriskt lagda, intilliggande identiska hål: läckaget minskar dramatiskt om hålen är identiska och ligger nära varandra.

Till vänster i Figur EB 07 visar att ett hål med längden g läcker dubbelt så mycket som två närliggande identiska hål med längden g/2. De två hålen läcker motsvarande ett hål med längden g/2, trotts att den sammanlagda arean för de två hålen är densamma som för hålet med längden g.

Effekten kan förklaras med ömsesidig utsläckning av fält på grund av geometrin.

Till höger i figuren illustreras, att ännu mindre läckage kan uppnås med flera små öppningar istället för en stor.

1: Skärmningseffektiviteten (läckaget) för ett fyrhåls fält är densamma som skärmningseffektiviteten för ett hål på grund av ovan nämnda ömsesidiga fältutsläckning.

2: Likadana, men ej närliggande och hål: skärmningseffektiviteten försämras för varje hål = läckaget ökar med antalet hål.

3: Olika former av öppningar: skärmningseffektiviteten sämre (läckaget större) än för det största hålet, dvs. varje hål läcker som funktion av sin form och placering.

GENERELLA KONSTRUKTIONSRÅD

- Skärmmaterialet skall ha god ledningsförmåga och en yta eller ytbehandling som tillåter god elektrisk kontakt mellan kontakterande ytor.

- Öppningar av olika slag, såsom skarvar och ventilationshål, skall göras så små som möjligt. De bör inte överstiga 1/200 av våglängden för aktuell frekvens, vilket teoretiskt ger minst 40 dB dämpning.

- Det är inte öppningens yta utan dess största dimension som är avgörande för dämpningen.

- Det är bättre med många små öppningar än med en stor.

- Läckaget från ett antal symmetriskt placerade hål nära varandra är betydligt mindre än ett stort hål med samma öppningsyta.

- Om samma antal öppningar placeras osymmetriskt och på större avstånd från varandra blir läckaget betydligt större än i förra fallet.

Sammanfogningar, där endast punktvisa elektriska kontakter existerar längst öppningen, kan betraktas som en rad av öppningar. För att uppnå önskad skärmning är det oftast viktigt att åstadkomma ett stort antal kontaktpunkter med t ex många skruvar, kontaktfingerpackningar eller andra former av elektriskt ledande packningar (skärmningspackningar).

En metallåda, som har diskontinuiteter i form av öppningar och skarvar, är inte tätt. Vid t ex en ESD-urladdning mot lådan (se Figur EB 09) flyter det betydande förskjutningsströmmar (I) på lådans yta. När denna ström skall passera öppningar eller skarvar tvingas den att flyta runt dessa. Därigenom genereras fält, som via öppningarna tar sig in i lådan och kan orsaka felfunktion.

Det är ytterst viktigt att en lucka eller panel av metall är lågimpedivt ansluten till resten av lådan. En panel representerar en betydande kapacitans till kretsarna inuti lådan. Vid t ex ESD-urladdning mot en isolerad eller dåligt ansluten panel blir panelen momentant uppladdad till hög spänning relativt lådan. Härvid genereras ett transient E-fält mellan panelen och lådans inre, som lätt kopplar till de oskyddade kretsarna i lådan.

APPARARLÅDA AV METALL och koppar. Dessa material har god ledningsförmåga och dämpar därför elektriskt fält mycket bra. Dämpning av magnetfält är avhängigt av materialtjockleken och är även den frekvensberoende. Alla metaller är goda skärmningsmaterial för elektromagnetiska fält.

Plast och trä har inga eller mycket ringa skärmningsegenskaper för elektromagnetiska fält.

Lågfrekventa magnetfält är svårare att skärma: tjock (10-tals mm) metallplåt eller, för frekvenser lägre än storleksordningen 10 Hz, metall med goda magnetiska egenskaper (hög permeabilitet, t ex: permaloy eller mymetal) är lämpliga val i dessa fall.

Som nämnt ovan är det öppningarna som avgör skärmningseffektiviteten i den färdiga konstruktionen. Ju längre öppningar desto mer läckage. Skarvar mellan plåtar måste således ha många kontaktpunkter mellan plåtarna.

Vid materialval till apparathöljen måste vi även tänka på möjliga korrosionsrisker p.g.a. olämpliga materialsammansättningar.

YTBEHANDLING

När det gäller EMC och ytbehandling är det särskilt ytbehandlingen i sammanfogning mellan metalldelar som är viktigt. Dessa måste vara varaktigt elektriskt ledande.

Ytbehandlingsmetoder som är acceptabla med hänsyn till ovanstående framgår av Tabell EB 2.

Tabell EB 2. Ytbehandlingsmetoder.

För aluminium För kolstål

Alutin Kromatering

Tennplätering Nickelplätering

Iridite

Ledande färger

Zinkkromatisering Zinkplätering

Tennplätering Nickelplätering

Ledande färger Rostfritt stål bör passiveras

KORROSION

När olika metaller sammanfogas i fuktiga miljöer uppstår lätt korrosion (oxider är oftast goda isolatorer) i fogarna, vilken dramatiskt försämrar övergångsimpedansen mellan metalldelarna.

Särskilt viktigt är detta vid användning av packningar, då packningsmaterialet ofta består av en annan metall än lådan.

De vanligaste materialen för apparatlådor är aluminium, järn, stål, mässing g

Tabell EB 3 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.

Tabell EB 3. Potentialskillnad relativt silver i saltvatten.

Material Potentialskilnad relativt silver, V

Zink -1,1

Aluminium -0,75

Duraluminium -0,60

Stål -0,70

Rostfritt < 12 % krom -0,45

Rostfritt < 12 % krom -0,35

Tenn -0,50

Nickel -0,45

Krom -0,45

Koppar -0,25

Monel -0,25

Silver 0,00

Kol + 0,10

Guld +0,15

TEKNIKER FÖR TÄTNING AV SLITSAR

Slitsar som uppstår i en sammanfogning blir många gånger så många och långa att tillräcklig skärmningseffektivitet ej kan uppnås. Särskilda åtgärder behövs. De mest använda är:

- stor skruvtäthet,

- fingerlister eller

- ledande packningar.

Att öka skruvtätheten är inte alltid så lätt i praktiken, vilket visas i Tabell EB 1. När dämpningskravet är högt eller vid höga störningsfrekvenser måste man använda någon typ av packning för att uppnå tillräcklig skärmning.

Ett enkelt exempel enligt Tabell EB 1 visar, att om man vill ha 40 dB dämpning i en slits vid 300 MHz, skall slitsens gränsfrekvens fco vara 30 GHz (våglängd = 1 cm), vilket innebär att slitsen inte får vara längre än 5 mm.

TECKENFÖNSTER, VENTILATIONSHÅL MED MERA

Stora öppningar kan skärmas genom att montera ett galler över öppningen, såsom metallnät eller perforerad plåt. Det är viktigt att nätets eller plåtens hela periferi har god elektrisk förbindelse med den plåt den monteras mot. Hur stora maskerna i nätet eller perforeringshålen får vara bestämmes av skärmningskravet. Figur EB 11 visar reflektionsförlust (R) i nät relativt maskstorlek.

R = 20 log ( 1,5 108 / D f ) [dB], gäller för f < fco f = frekvensen i Hz fco = nätmaskornas resonansfrekvens = 1,5 108 / D

D = maskdiametern

Öppningar för teckenfönster är extra svåra att skärma eftersom de måste vara genomskinliga.

En metod, som ofta nyttjas för teckenfönster av glas eller plast, är ett tunt förångat ledande skikt av metall. Skiktet kan vara så tunt att läsbarheten inte försämras nämnvärt. Då skiktet är så tunt uppnås skärmningsverkan i huvudsak genom reflektionsdämpning. Metall med hög ledningsförmåga måste användas, ofta guld.

Det finns även fönster med en duk av ledande metalltrådar laminerade mellan två skivor av glas eller plast. “Fönstret“ levereras färdigt med inlagd duk som sticker ut på sidorna. Det gäller att ansluta metalldukens alla trådar i hela fönstrets omkrets.

APPARARLÅDA AV PLAST

Plast har många fördelar, men från skärmningssynpunkt är den värdelöst eftersom plast är ett icke-ledande material.

Det har utvecklats tekniker, som gör det möjligt att uppnå godtagbara skärmnings-resultat även med plast:

- Kompositmaterial

- Vakuumpåläggning med elektriskt ledande material

- Besprutning med elektriskt ledande material

- Kemisk nickelplätering

- Elektriskt ledande färg

- Ledande folie eller tejp

Även relativt små plasthöljen kan läcka betydligt om inte metalliseringen i olika skarvar är omsorgsfullt gjorda. Det är ytterst viktigt att kontakteringen mellan två apparathalvor är utformad på ett sätt som säkerställer god kontinuerlig elektrisk kontakt. Överlappande skarvning rekommenderas mellan metalliserade delar. Se Figur EB 12.

EMI-PACKNINGAR

Vi har sett i tidigare avsnitt att slitsar, som uppstår i en sammanfogning, och öppningar, som är nödvändiga för exempelvis genomföring, ventilation och teckenfönster, är helt avgörande för skärmningseffektiviteten hos ett apparathölje.

När önskad skärmningseffektivitet inte kan uppnås genom ökad skruvtäthet återstår att använda EMI-packningar.