EMC och skärmning, . del 2: Läckande skärmlåda. EMC måste tas om hand i alla delar, såväl på elektrisk som på mekanisk systemnivå, och på alla nivåer i en utrustning på ett systematisk och planerat sätt. Denna gång tittar på öppningars och spalters inverkan på EMC-skärmning.
Denna artikel hänvisar till “Electromagnetic Shielding” av D . White och M. Mardiguian
EMC och skärmning, del 2: Läckande skärmlåda
Det är relativt enkelt att uppnå god dämpning (> 80 – 100 dB) av elektromagnetiskt fält med hjälp av en kompakt metallskärm. I de flesta praktiska fall är skärmen inte hel utan det finns nästan alltid öppningar, fönster och spalter. Det är i huvudsak dessa ofullständigheter i skärmen som bestämmer den totala skärmningseffektiviteten.
När man skall konstruera ett apparathölje, som skall hysa känslig elektronik och som skall skyddas mot elektromagnetiskt störningsfält, önskar man ofta åstadkomma en så kallad Faradays-bur. Detta innebär ett tätt metallskal där metallen genom sin ledande förmåga direkt skyddar mot elektrisk fält (kortslutning) och indirekt genom virvelströmmar hindrar magnetfält att tränga igenom skalet. Observera att skalet inte behöver vara kopplat till jord för att fungera som en effektiv skärm! I de allra flesta fall är inte valet av metall eller dess tjocklek något problem.
De vanligaste materialen för apparatlådor är aluminium, järn, stål, mässing, och koppar. Dessa är material med god ledningsförmåga och dämpar därför elektriskt fält mycket bra. Dämpning av magnetfält är avhängigt av materialtjockleken och är även frekvensberoende. Alla metaller är goda skärmmaterial för elektromagnetiska fält. Vid materialval till apparathöljen måste vi då även tänka på möjliga korrosionsrisker pga olämpliga materialsammansättningar.
Det är öppningar av olika slag som medför elektriskt läckage.
I praktiken är det svårt att göra ett apparathölje som är fullständigt tätt. Det behövs som regel öppningar för manöverorgan, teckenfönster, luftintag, fläkt, kontakter, mm. Till detta kommer alla skarvar mellan olika metalldelar. Genom dessa öppningar kan fält läcka in eller ut. Det är dessa öppningar som avgör hur bra den totala skärmningen blir.
Lite läckageteori
Läckage från en avlång öppning (se figur 1) bestäms av öppningens längd i förhållande till våglängden. En smal och grund öppning vars längd är lika med eller större än halva våglängden har ingen dämpning för dessa frekvenser.
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 ytströmmen måste ta, desto större blir läckaget, (se figur 2).
Runda hål har liknande effekt på skärmningseffektiviteten.
Förenklat kan man räkna med att skärmningseffektiviteten hos ett hål eller slits ökar 10 ggr (20 dB) per tio gånger lägre frekvens (se figur 1 och 2). Ett enkelt räkneexempel enligt figur 1 visar att om vi önskar 40 dB dämpning i en slits vid 300 MHz, skall slitsens gränsfrekvens fco vara 30 GHz (våglängd = 10 mm) eller större. Slitsen får således ej överstiga 5 mm.
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 4). 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]
Totaldämpning för en vågledarformad öppning blir således (reflektionsdämpning plus vågledardämpning räknat i dB):
R = R + A [dB]
Vid skarvning av t ex plåtar ska man sträva efter överlappning för minskat läckage. (se Figur 5.)
Generella kontruktionsregler
- Skärmen skall ha god ledningsförmåga och en yta eller ytbehandling som tillåter god elektrisk kontakt mellan kontakterande ytor.
- Öppningar av olika slag, skarvar och ventilationshål skall göras så små som möjligt.
- De bör inte överstiga 1/200 av våglängden för aktuell frekvens, vilket teoretiskt ger 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 (se figur 3).
- Läckaget från en ett antal symmetriskt placerade hål nära varandra ökar med kvadratroten av antal öppningar.
- Om samma antal öppningar placeras osymmetriskt och på större avstånd från varandra blir läckaget större än i förra fallet.
Sammanfogningar där endast punktvisa elektriska kontakter finns längst öppningen kan betraktas som en rad av öppningar. För att uppnå önskad skärmning är det viktigt att ha tillräckligt antal kontaktpunkter, t ex skruvar, kontaktfingrar eller elektriskt ledande packningar (skärmningspackningar).
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:
- Öka skruvtätheten
- Använd fingerlister
- Använd ledande packningar
Att öka skruvtätheten är inte alltid så lätt i praktiken vilket visas i tabell. När tätningskravet är högt eller frekvensinnehållet i störningen ökar då måste man använda fingerlister eller packningar för att uppnå tillräcklig skärmning. Ett enkelt räkneexempel enligt formler i figur 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), då får slitsen får inte vara längre än 5 mm.
Miklos Steiner Teknikredaktör