Ögat på: EMC från bricka till bricka, del 20

EMC och skärmning, . del 3: Andra läckagevägar. 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 vi på anslutningdonens och anslutningskablarnas inverkan på EMC-skärmning.

Det är relativt enkelt att uppnå goda EMC-egenskaper när man har att göra med enheter med relativt små dimensioner (t.ex digitalklocka eller telefon.) Ofta är båda emissionsegenskaperna och tåligheten inom gällande gränsvärden. Det blir helt annorlunda när vi handskas med enheter med flera anslutande kablar. Små apparater och enheter saknar oftast effektiva ”antenner”, som kan koppla störningsfält till eller från enheten.

Lite antennteori

Likt läckage från en avlång öppning bestäms av öppningens längd i förhållande till våglängden, kan en kabel agera som antenn, där kabelns fysiska längd relativt störningens våglängd är avgörande. En kabel, ledning eller vilken ledande struktur som helst vars längd är lika med eller större än halva våglängden är resonant på denna frekvens och förstärker signalen kraftigt. Effekten finns mer eller mindre påtagligt även i närheten av resonansfrekvensen.

 

Vi brukar hänvisa till en tumregel som säger att när strukturdelarnas längd är större än en tiondels (ibland tjugondel) våglängd då börjar de bli effektiva antenner. Det är alltså svårare att hantera apparater med anslutande kablar.

Hantering av kablar och anslutningar

Kablar kan hanteras på två olika sätt: skärma kablarna eller använd filter. Denna gång behandlar vi kabelskärmning. 

Kabelskärmning

 De flesta konstruktörer och installatörer av elektrisk utrustning är överens om, att skärmade kablar är ett bra sätt att åstadkomma EMC. Men många gånger har jag sett att det kastas stora pengar ”i sjön” på grund av en övertro på kabelskärmars effekter samt okunskap om dess rätta användning och utformning.

Zonindelning

Elmiljözon definieras som en given volym med bestämd elmiljö, begränsad av en sluten yta, en zongräns. (Notera att denna yta kan vara en fiktiv, tänkt, yta!) Vid all slags EMC-konstruktion är det viktigt att tänka i elmiljözoner för att åstadkomma en balanserad skyddslösning. Zontänkandet gör det möjligt att lätt identifiera kopplingsvägar och -mekanismer. (Se tidigare artiklar.) Allmänt sett förlänger en skärmad kabel, ansluten till ett apparathölje av metall, apparatens interna elmiljözon ut i kabeln.

Anslutning av kabelskärm

Kabelskärmen är oftast en förlängning av apparatskärmen och utgör därmed en del av en totalskärm. Öppningar i en totalskärm innebär läckage: således måste vi ansluta kabelskärmen till apparatskärmen. En del instruktioner är uppenbart felaktiga då de säger att man skall jorda kabelskärmen! Jorda betyder i detta fall, att vi ansluter kabelskärmen till närmaste zontillhöriga skärm med möjligast lägsta impedans.

 

Den i särklass oftast förekommande EMC-fråga är: ”ska man ansluta kabelskärmen i båda ändan eller bara i en ända (och i så fall vilken)?”

En skärmad kabel, ansluten mellan två apparater med metallhölje binder ihop apparaternas skärmar. Ett avbrott i skärmen (bristfälligt eller ej ansluten kabelskärm) medför att de yttre och inre zonerna, och därmed de olika miljöerna, kopplas samman. (Fig 1.)

Figur 1. Kabelskärmning.

 

Är kabelskärmen avsedd att vara ”länk” mellan två apparater ska kabelskärmen anslutas till apparaterna i båda ändarna för att behålla zongränsen hel och därmed erhålla god skärmning.

Vikten av lågimpediv anslutning

 Skärmade kablars skärmningsegenskaper beskrivs med hjälp av kopplingsimpedans (Fig. 2). Där:

 

I = ström på skärmens utsida

I´= ström på skärmens insida

ΔU = spänning mellan två punkter på skärmens insida

Kopplingsimpedans Zt = ΔU/I [Ω/m]

Figur 2. Kopplingsimpedans för skärmad kabel.

 

Kopplingsimpedansen anger i ohm/m förhållandet mellan störningsspänning, som genereras på skärmens insida, och störningsströmmen, som flyter på utsidan av kabelskärmen. Även det omvända gäller.

Kopplingsimpedansen är ett mått på kabelns skärmningsegenskaper, är frekvensberoende och avhängigt av material och utformning. Typiska värden är 1 – 10 milliohm/m och exempel visas i Fig. 3.

Figur 3. Exempel: kopplingsimpedans.

 

En EMC-riktig kabelskärmsanslutning för skärmning av högfrekvensfält utesluter s k ”piggtails”, eftersom anslutningsimpedansen blir för hög och totalt dominerande i den sammanlagda kopplingsimpedansen. Se Figur 4. Där:

 

L  ̴ 10 nH/cm

U = 2π·fˑLˑI eller U = -di/dt

 

Vi bör eftersträva noll ohm i anslutningsimpedans för kabelskärmen. Runtomanslutning med kabelförskruvning av metall ger låg anslutningsimpedans (Fig. 4). Där:

 

U = I * Σ Zt  där Zt  är en funktion av f;

U = I * [Z t kabel * längd + Zt anslutning]

 

OBS:  Zt är oberoende av antal ledare inuti skärmen!

Figur 4. Anslutning av kabelskärm.

 

En trådanslutning har ca 2 ohm impedans (dvs inte kortslutning) vid en frekvens motsvarande en tusendel av våglängden på grund av trådens egeninduktans.  Jämfört med kopplingsimpedansen 10 milliohm per meter så motsvarar en cm pigtail läckaget från 100 m kabel! Använd skärmande runtomslutande bakkåpa för bästa resultat!

 

Ett oftast tillräckligt sätt är att ansluta med kabelklammor till ledande underlag, t ex en plåtskärm (Fig. 5).

Figur 5. Kabelskärmsanslutning.

 

Miklos Steiner
Teknikredaktör