Elektromos földelés gyakorlatias megközelítéssel

Nem is olyan régen az egyetlen ok, amiért az elektromos földelésre gondoltunk, a biztonság volt, és a legfőbb cél továbbra is az emberek áramütés elleni védelme. Ha azonban figyelembe vesszük a modern fogyasztói elektronikai eszközök multimédiás és kommunikációs képességeit, akkor felismerhetjük, hogy mennyire fontos egy megbízható és átfogó földelési stratégia kidolgozása.

A földelés összetett téma, de az érzékeny, nagy teljesítményű elektronikai eszközök és termékek védelmében betöltött kulcsszerepe tagadhatatlan. A jó földelés megelőzi az áramköri hibákat és a drága alkatrészek ebből eredő károsodásait. Megakadályozza az elektrosztatikus feltöltődést is, sőt, mivel minimalizálja az elektromágneses interferencia (EMI) következményeit, megnöveli az eszközök és készülékek teljesítményét.

Közös nullavezető

Az elektronika világában sokféle védőhálózat létezik, de a két legelterjedtebb a közös nullavezető és a testelés.
A földhöz ténylegesen bekötött földeléssel szemben a közös nullavezető egy referenciapont az adott áramkörön belül a feszültségmérésekhez. Egy egyenáramú tápellátás negatív csatlakozóját közös nullapontként használva, és ugyanerre a pontra kötve egy másik egyenáramú tápellátás pozitív csatlakozóját, az áramkör pozitív és negatív tápellátással is rendelkezhet. Így az áramkörön belüli csatlakozási konfiguráció és a nullafeszültség referenciájául választott pont határozza meg, hogy a tápfeszültség pozitív vagy negatív. Ez a megközelítés különösen fontos az akkumulátoros tápellátású készülékeknél, azaz sok modern fogyasztói elektronikai eszköznél, ahol nincsen vezetékes földelés.
A testelés olyan földelési módra utal, amely az összes fém alkatrészt beköti a földhöz. A hétköznapi statikus audioberendezések és háztartási készülékek gyakran igényelnek ilyen testelést.

Felhasznált anyagok

Végső soron minden elektromos készüléket földelni kell, és ami a felhasznált anyagokat illeti, számos megoldással kialakítható ez a célirányos és létfontosságú útvonal. Az ilyen innovatív anyagok rendszerint hasonló hozzáadott értéket képviselnek, elsősorban elektromos és mechanikai tulajdonságaik kiemelendők, mint például az elektromos vezetőképesség, az elektromágneses (EM) és rádiófrekvenciás (RF) interferenciákkal szembeni védelem, a mechanikai ellenállóság és a könnyű beszerelhetőség. Az elektromágneses vagy rádiófrekvenciás elektromos zajok különösen károsak lehetnek, mivel csökkentik az elektronikus áramkörök teljesítményét, mérési hibákhoz vezetnek az érzékelőknél, és akár tönkre is tehetnek érzékeny készülékeket.
A földelés többféleképpen segít csökkenteni az elektromos zajt. Először is, stabil referencia-feszültségszintet (általában 0 V) biztosít a rendszer összes elektronikus áramköre számára. Ez a közös referenciapont a zajhatás mérséklésével elősegíti a pontosabb és megismételhető jelméréseket.
Ezenkívül a földelés alacsony impedanciájú útvonalat hoz létre a zajáramok számára, így azok könnyen visszafolyhatnak forrásukhoz vagy a földbe. A földelés segít megakadályozni, hogy az ilyen áramok becsatlakozzanak az áramkörökbe, és csökkenti a rendszer teljesítményére gyakorolt hatásukat azáltal, hogy eltereli a zajáramokat az érzékeny elektronikus alkatrészektől. Ez az eredmény gyakran elérhető vezetőképes tömítés vagy földelő megoldás használatával (1. ábra). Kiviteltől függően megfelelő tömítések lehetnek a vezetőképes/szövetborítású habok, a vezetőképes elasztomerek vagy az árnyékoló fémkapcsok.

1. ábra A vezetőképes tömítések és elasztomerek csökkentik az elektromágneses interferencia hatását a rendszerteljesítményre

Habtömítéses megoldások

A habtömítés szövetborítása uretán- vagy szilikonhab-hordozót borító vezetőképes szövetből áll. Gyakran alkalmazzák NYÁK-szintű földelőbetétként, ez a költséghatékony megoldás kis összenyomóerővel, de nagy vezetőképességgel ideális választás szinte minden beltéri földelési és árnyékolási alkalmazáshoz az elektromágneses interferenciával szemben.
A vezetőképes habtömítések – amelyek szalagok, lapok vagy folytonos tekercsek formájában vásárolhatók meg – a kivágáshoz beágyazott, elektromosan vezető szálakat tartalmaznak. Hasonlóan a szövetborítású habtömítésekhez, költséghatékonyak kis összenyomóerővel és nagy vezetőképességgel.
Számos modern alkalmazás képes kiaknázni a vezetőképes habok vagy szövetek előnyeit, különösen az iparág jelenlegi tendenciáit és mozgatórugóit figyelembe véve. Például, a fogyasztói elektronikai eszközök minél kisebb méretűre gyártása egy régóta tartó tendencia, különösen az olyan passzív, felhasználói beavatkozást ritkán igénylő készülékeknél, mint a háttérben működő routerek. Itt a félvezetők egyre kisebbek, a NYÁK-lapok pedig egyre kompaktabbak. A fizikai méret csökkenése ellenére az elektronikus alkatrészek és rendszerek egyre nagyobb teljesítményűek. Ennek eredményeként nő a kereslet a precízen sajtolt fémből előállított, NYÁK-szintű árnyékolásokra, és az üregek közötti teret kitöltő elektromágneses szigetelő tömítésekre, az interferencia és az áthallás kiküszöbölése érdekében. A vezetőképes habok vagy szövetek sok esetben ideális megoldást jelentenek, mivel földelőbetétként szolgálnak a lemezek, RFI árnyékolások és hűtőbordák között. Nem optimális megoldás viszont a vezetőképes hab és a szövetborítású hab környezeti hatásoknak kitett elektronikus eszközök esetén.

Egyéb lehetőségek

Környezeti kitettséggel járó alkalmazások esetén habalapú megoldások helyett kitűnően használhatók a vezetőképes elasztomerek. Az elektromosan vezető beágyazott részecskéket tartalmazó elasztomerek tökéletesek testelésre és burkolatok elektromágneses árnyékolására, illetve csatlakozók földelésére. Különösen fontos, hogy a vezetőképes elasztomerek folyadékállóak, és védelmet nyújtanak az elektrokémiai korrózióval szemben, így hozzájárulnak a termék hosszú élettartamához. Ennél a megoldásnál azonban figyelembe kell venni, hogy várhatóan nagyobb összenyomóerő szükséges a kellő földelés eléréséhez.
Az árnyékoló fémkapcsok (2. ábra) hajlított fémkivitelükkel más megközelítést kínálnak az elektromos földeléshez és a közvetlen fém-fém érintkezéshez. Magas áramátviteli képességével ez a megoldás ideális a nagy nyomóerejű, ciklikus igénybevételekhez, beleértve az ezres nagyságrendűeket is. Számos más földelési lehetőséghez hasonlóan azonban ez sem biztosít védelmet a környezeti hatásokkal szemben.

2. ábra Az árnyékoló fémkapcsok tökéletes megoldást jelentenek nagy nyomóerejű ciklikus igénybevételekhez

Egy másik lehetőség a fémhálós tömítések használata, ami lényegében egy hurkolt drótháló a burkolatok, fémvázak és huzalcsatlakozások földelésére és elektromágneses árnyékolására. A fémhálós tömítések kifejezetten olyan alkalmazásokhoz valók, ahol kis méretű kerek vagy négyszögletes EMI-tömítések szükségesek, például hullámvezető fojtótekercs-karimáknál vagy tengelyeknél vagy kis méretű burkolatoknál. Ez a költséghatékony megoldás közvetlen fém-fém érintkezést biztosít, de ez sem nyújt védelmet a kültéri környezeti hatásokkal szemben.

Földelve és árnyékolva

Az elektromos zaj csökkentésének kiegészítő módja a földelt fémanyagú árnyékolások alkalmazása (3. ábra), például kábelekben vagy burkolatokban. Ez a megközelítés segíthet elzárni az elektromos zajt okozó elektromágneses mezők belépési vagy kilépési lehetőségeit. Az árnyékolás a földeléskor gátat képez, és elnyeli vagy visszaveri az elektromágneses sugárzást, megakadályozva ezzel, hogy az zavaróan hasson az elektronikus alkatrészekre.

3. ábra A sajtolt fémárnyékolások csökkentik az elektromágneses hatást a NYÁK-lapokon

Kivitelénél fogva sok földelésre szolgáló termék funkcionál elektromágneses árnyékolásként is, és így vezetőképes illesztőfelületet biztosítanak az árnyékolások és a földelt felületek között. Ilyen földelt felület lehet maga a burkolat vagy a NYÁK-ba épített földelőlemezek. Fontos, hogy az árnyékolás földelve legyen, máskülönben nem képes megfelelő hatékonysággal árnyékolni.
Csak a földelés kérdésének stratégiai szemlélete és a helyes termékválasztás tudja garantálni az elektronikus berendezések biztonságos és optimális működését. A földelés segít megóvni az elektronikus áramkörök és a különféle alakú, méretű és funkciójú készülékek épségét és teljesítményét. Ezt háromféleképpen teszi: stabil referencia-feszültségszintet biztosít, alacsony impedanciájú utat hoz létre a zajáramok számára, és árnyékolja az elektronikus alkatrészeket.
Bármi is legyen az adott földelési követelmény vagy szükséglet, a Parker Chomerics anyagmegoldások széles kínálatát nyújtja minden nagy teljesítményű, nagy megbízhatóságú és költséghatékony elektronikai tervezési igényhez.

Szerző: Jesse Hagar – a Parker Chomerics termékcsalád-menedzsere

www.parker.com

https://www.parker.com/us/en/divisions/chomerics-division/solutions/electrical-grounding.html