EMC afschermingstips en -trucs

Wat is de slimste weg naar het einddoel

Het afschermen van uitgestraalde emissie en het beschermen van gevoelige elektronische componenten voor elektromagnetische straling kan op veel manieren worden gedaan. Soms is het mogelijk om hetzelfde doel op 10 verschillende manieren te bereiken. Maar wat is de meest economische manier en welke heeft de langste levensduur? Holland Shielding Systems heeft een white paper gepubliceerd met 101 afschermingstips en -trucs die u kunnen helpen bij het maken van de juiste keuze. Hier alvast een overzicht waarover het gaat.

Waarom afscherming belangrijk is, hoeven we niet uit te leggen en dat de kooi van Faraday de oplossing is. Dit is immer de ultieme afscherming en de oplossing om EM-straling zowel binnen als buiten de kooi te houden en dus het systeem om de omgeving te beschermen tegen straling vanuit het apparaat in de kooi en het apparaat in de kooi te beschermen tegen straling van buiten.

De ultieme kooi
Een compleet dichtgelaste doos van dik goed geleidend metaal is natuurlijk de beste afscherming tegen EM-straling met een breed frequentiespectrum. Handig is dit echter niet, want er zijn eigenlijk geen apparaten die in een dergelijke dichte doos kunnen werken. Er is immers van alles dat in en uit de doos gevoerd moet worden. Voeding, in- en uitgangssignalen van sensoren en actuatoren, draadloze of bedrade signalen voor communicatie en informatie van displays zijn er slechts een aantal voorbeelden van dat wat in en uit de doos gevoerd moet worden om het apparaat te laten werken. Daarnaast is een dichtgelaste behuizing niet erg servicevriendelijk. Voor dat doel moet er toch een manier zijn om de behuizing te openen.

In de praktijk zal dan ook de afscherming bestaan uit geleidende platen of metaallagen die zo veel mogelijk door middel van lassen of solderen ononderbroken met elkaar zijn verbonden. De afscherming is perfect als er geen verschil in geleidbaarheid is tussen de gebruikte materialen. Bedenk daarbij dat bij frequenties onder 30 MHz de metaaldikte de effectiviteit van de afscherming beïnvloedt. Voor lage frequenties zoals 10 kHz is een laag magnetisch zacht staal van 6 mm nodig om een reductie van 80 dB te bereiken. Frequentie boven 30 MHz kunnen worden afgeschermd door een laag koperfolie van slechts 0,03 mm dik. Voor hogere frequenties in het GHz-gebied zal dan ook de mechanische sterkte van het gebruikte afschermingsmateriaal belangrijker zijn en dus de dikte van de afscherming bepalen. Voor zeer lage frequenties en DC waar het magnetische veld dominant is, zijn naast dikke lagen geleidend materiaal ook speciale materialen zoals Mu-metaal en Mu-ferro legeringen nodig. Bovendien zijn combinaties van meerdere lagen vereist om voldoende afschermprestaties te krijgen.
De volgende aspecten met betrekking tot afscherming zijn ook van belang:

• Regelgeving met betrekking tot ESD (elektrostatische ontlading).
• Regelgeving met betrekking tot ATEX (explosieveiligheid).
• Bliksembeveiliging / EMP / HEMP / NEMP.
• Kortsluitbeveiliging / voorkomen van vonken.

  

Waar afschermen
Lang niet altijd is het nodig om de totale schakeling geheel in een kooi van Faraday te plaatsen. Soms volstaat het om de bron van de straling of het gevoelige deel in te kapselen door het plaatsen van een afscherming op de print over dat deel van de schakeling dat de straling veroorzaakt of daar gevoelig voor is (afbeelding 1). De afscherming kan daardoor veel kleiner en vooral goedkoper zijn. Wel vraagt dit het nodige van het printontwerp, want daar moet rekening gehouden worden met de afscherming. De drager van de print mag immers geen gaten vormen in de kooi van Faraday. Dit kan vrij lastig zijn, vandaar dat het soms gemakkelijker is om de hele print in te kapselen. Het spreekt voor zich dat bedrading ook afgeschermd moet worden. Er moet immers voorkomen worden dat niet afgeschermde bedrading als antenne gaat werken.

Afdichten
Daar waar er openingen zijn voor het doorvoeren van kabels, displays, ventilatie, koeling, stroomvoorziening, signalen etc. moeten voorzieningen getroffen worden om deze gaten voor elektromagnetische straling te dichten. Kabels moeten dan ook via geleidende wartels naar binnen gevoerd worden waarbij de afscherming van de kabel verbonden wordt met de behuizing. Ook kunnen geleidende flexibele afdichtingsstrips gebruikt worden zoals te zien is in afbeelding 2. De strip vormt zich hier geheel om de kabel heen en dicht zo elke opening in de kooi van Faraday. Dit soort materiaal kan ook als pakking gebruikt worden om delen van de behuizing die op elkaar geschroefd worden op een juiste manier te verbinden. Elke oneffenheid wordt zo opgevangen waardoor de behuizing echt hoogfrequent dicht wordt. Overigens kan dit soort pakking tegelijkertijd ook ingezet worden als afdichting voor vuil en vocht. Er zijn namelijk geleidende pakkingen die tevens deze taak voor hun rekening nemen. Bedenk bij dit alles dat vuil en vocht kunnen leiden tot afname van de afdichting voor EM-straling. Corrosie verhoogt bijvoorbeeld de contactweerstand tussen twee op elkaar geschroefde metalen delen van een behuizing.
Gaten in een kooi van Faraday bepalen ook voor welke frequenties de afdichting werkt. Hoe hoger immers de frequentie van het EM-signaal, hoe kleiner de openingen moeten zijn wil de kooi van Faraday nog als dicht gezien worden. Met name voor openingen voor ventilatie is dit een groot probleem. Voor een goede luchtstroom moet de opening zo groot mogelijk zijn, maar daarmee is voor hogere frequenties de kooi niet meer gesloten. Beide parameters werken elkaar hierbij dus heerlijk tegen. Nu kunnen we gaas gebruiken om de openingen te verkleinen, maar nog beter is het om speciale honingraat ventilatiepanelen te gebruiken (zie afbeelding 3). De honingraatstructuur levert gaten op die als golfgeleider werken en wel lucht doorlaten terwijl de elektromagnetische golven niet binnenkomen.

De celgrootte van de honingraten is 3,2 mm en combinaties van scheidingslagen zijn mogelijk, zelfs onder kruisconstructies voor betere prestaties. Een kruisvormige honingraat bestaat uit minimaal twee lagen honingraatmateriaal die 90 graden ten opzichte van elkaar zijn getrapt en gedraaid zijn. Dit resulteert in een goede afschermprestatie onafhankelijk van de polarisatie van de golven.
Om het binnendringen van stof te voorkomen, kan een stoffilter worden geïntegreerd in het ventilatiepaneel.
De standaard honingraat is gemaakt van aluminium, maar voor speciale toepassingen zoals EMP kan deze ook worden gemaakt van zacht staal, dat duurder is.
Voor buitengebruik kan de honingraat worden behandeld met een nikkel of andere afwerking. Dit is om het honingraatventilatiepaneel te beschermen tegen omgevingsinvloeden zoals corrosie. Om te voorkomen dat regendruppels in de behuizing vallen, is de honingraat ook schuin te maken. Twee tegenover elkaar geplaatste schuine honingraatlagen maken het ook onmogelijk dat metalen staven in de kooi terechtkomen en zo elektrocutie voorkomen.

Transparante afscherming
Ventilatiegaten zijn lastig, maar nog lastiger zijn afschermingen voor displays. De afscherming moet immers zo veel mogelijk onzichtbaar zijn, wat inhoudt dat afschermingen van geweven gaas alleen werkt als het draad heel dun is. Voor laagfrequente straling is dit dan ook niet optimaal.
Dit geldt ook voor het lichtdoorlatende indiumtinoxide (ITO) op folie of glas alsmede koperen rooster op folie die allemaal voor het display geplaatst worden. Daarbij is het momenteel niet mogelijk om transparante afschermingen 100% optisch correct te maken vanwege o.a. moiré-effecten.
ITO-coating produceert geen moiré-effect en biedt een goede afscherming bij hogere frequenties. Het product is echter gevoelig voor zure stoffen, zoals bijvoorbeeld in vingerafdrukken. Een kunststoffen filmlaag moet worden aangebracht om de ITO-laag te beschermen.

Nog veel meer
De hier genoemde punten zijn slechts een eerste selectie, want wie bijvoorbeeld de in afbeelding 4 getoonde behuizing goed wil opbouwen, komt veel meer tegen. De genoemde white paper van Holland Shielding Systems kan u dan helpen om tot de juiste oplossingen te komen.