Zapojení v elektronice? Držte se při zemi

Není to zase tak dávno, kdy jsme elektrické uzemnění řešili pouze z jednoho důvodu, a to bezpečnosti. Ochrana osob před úrazem elektrickým proudem stále zůstává prvořadým úkolem.

Současná spotřební elektronika se svými multimédii a komunikačními schopnostmi však zahrnuje i rozvoj odolné a také komplexní strategie zemnění, která zde nabývá na významu.

Zemnění je sice složitou záležitostí, což ale nijak nezakrývá jeho základní úlohu při ochraně citlivých a vysoce výkonných elektronických součástek či produktů. Díky správnému zemnění se vyhneme selhání obvodů a jakémukoli následnému poškození drahých prvků. Rovněž se tím překazí hromadění statické elektřiny, a dokonce se zlepšují vlastnosti součástek nebo i spotřebičů z důvodu minimalizace vlivu elektromagnetických interferencí (EMI).

Společná zem

V elektronice máme řadu různých typů zemí, nicméně dvěma nejčastějšími zde budou společná zem a také uzemnění kostry.

V protikladu k samotnému zemnímu potenciálu není společná zem fyzickou zemí. Jedná se totiž o referenční místo v zapojení pro účely měření napětí. Pokud tedy zápornému pólu DC zdroje napájení umožníme sloužit jako společná zem a ke stejnému bodu připojíme kladný vývod jiného zdroje DC napájení, může mít obvod nejen kladné, ale i záporné napájení. Konfigurace zapojení v rámci obvodu a také zvolené referenční místo s nulovým napětím proto nakonec určují, zda je napájecí zdroj kladný či záporný. Takový přístup bude důležitý zejména u zařízení napájených z baterie, jako je i spousta moderní spotřební elektroniky, kde neexistuje žádný vodič pro spojení s potenciálem země.

Uzemnění kostry pak odkazuje na zemní spojení, které propojuje veškeré kovové části se zemním potenciálem. Mezi obvyklá zařízení, která vyžadují uzemnění kostry, patří nepřenosná audiotechnika a domácí spotřebiče.

Obr. 1 Vodivá těsnění a elastomery omezují vliv EMI na vlastnosti systému

Důležitý je materiál

Všechna elektrická zařízení v podstatě potřebují zemnění a k tomu, abychom tuto záměrnou a zcela zásadní elektrickou trasu vytvořili, lze využít několika materiálů. Přidaná hodnota spojovaná s těmito inovativními materiály je často podobná. Zaměřuje se přitom na elektrické a mechanické vlastnosti, jako je elektrická vodivost, odstínění EMI a vysokofrekvenčního rušení (RFI), mechanická odolnost a jednoduchá instalace. Elektrické rušení v podobě EMI či RFI dokáže škodit zejména proto, že negativně ovlivňuje vlastnosti elektronických obvodů, stává se příčinou chyb u měření se snímači a teoreticky může vést i k selhání citlivých součástek.

Existují různé způsoby, jak zemnění pomáhá omezit elektrické rušení. V prvé řadě zde zajišťuje stabilní úroveň referenčního napětí (zpravidla 0 V) pro všechny elektronické obvody v zařízení. Společné referenční místo tak podporuje přesnější a opakovatelná měření signálu, když zmírňuje vliv šumu.

Zemnění zde navíc vytváří nízkoimpedanční trasu pro rušivé proudy, takže se mohou jednoduše vrátit ke svému zdroji nebo do země. Zmíněná technika pomáhá zamezit navázání takových proudů do obvodů a snižuje jejich vliv na vlastnosti systému, protože je vede stranou od citlivých elektronických součástek. Tohoto výsledku lze často dosáhnout s využitím vodivého těsnění nebo zemnicího řešení – viz obr. 1. V závislosti na potřebách daného návrhu mohou mít vhodná těsnění podobu vodivé pěnové hmoty či FOF (fabric-over-foam), vodivých elastomerů nebo i kovových prvků (fingerstock).

Obr. 2 Kovové prvky typu „fingerstock“ budou ideální pro cyklické používání v aplikacích s vysokou mírou stlačování

Řešení z pěny

Těsnění FOF se skládají z vodivé struktury ovinuté kolem uretanu či substrátu ze silikonové pěny. Řešení s relativně nízkými náklady, které se obvykle používá jako zemnicí podložka na úrovni desek plošných spojů, počítá s malou silou potřebnou ke stlačení a vysokou vodivostí, takže bude ideálním nástrojem pro téměř všechny vnitřní aplikace skloňující EMI, zemnění a také stínění.

Vodivá pěnová těsnění, která dostaneme v páscích, plátech nebo i souvislých rolích umožňujících další přizpůsobení, se vyznačují vlastními elektricky vodivými vlákny. Podobně jako těsnění FOF budou opět ekonomické a vyznačují se malou kompresní silou společně s vysokou vodivostí.

Řada moderních aplikací může těžit z vodivých pěnových hmot či struktur, zejména když v této oblasti uvážíme některé ze současných směrů. U spotřebních elektronických zařízení, zejména těch pasivních, například pozorujeme dlouhodobý trend související s kompaktním provedením, kdy také věci, jako jsou routery běžící někde v zákulisí, jednou nastavíme a pak už o nich nevíme. Polovodiče zde budou stále menší a desky plošných spojů tudíž i kompaktnější. Navzdory takovému snižování fyzických rozměrů jsou však elektronické součástky a také systémy výkonnější než dříve. Výsledkem je rostoucí požadavek, pokud jde o stínění na úrovni desek, které je realizováno z přesně střiženého kovu, resp. těsnění pro izolaci EMI mezi jednotlivými dutinami, abychom zde zabránili interferencím nebo i přeslechům. Vodivé pěnové hmoty či struktury nabízí v mnoha takových případech ideální řešení, protože slouží jako zemnicí podložka mezi deskami, vf stíněním a chladiči. Vodivé pěnové hmoty a také FOF však nejsou ideálními nástroji pro jakákoli elektronická zařízení, která budou vystavena působení vnějšího prostředí.

Obr. 3 Nasazené kovové stínění snižuje vliv EMI na desky plošných spojů

Další možnosti

Vhodnou alternativou k řešením založeným na pěně jsou v aplikacích zahrnujících působení okolních vlivů vodivé elastomery. Takové elastomery s vlastními elektricky vodivými částicemi budou perfektním nástrojem pro uzemnění kostry a také odstínění vymezených částí z hlediska EMI či uzemnění konektoru. Vodivé elastomery jsou ale především odolné vůči tekutinám a přináší ochranu před galvanickou korozí, takže podporují též dlouhou životnost produktu. Jednou z věcí, kterou zde bude zapotřebí zvážit, se pravděpodobně stane větší síla, kterou musíme při stlačení vynaložit, abychom dosáhli patřičného uzemnění.

Prvky dle obr. 2 typu fingerstock nabízí odlišný přístup v podobě pozohýbaného kovu sloužícího k elektrickému uzemnění a také přímému kontaktu kov na kov. Díky schopnosti vést vysoké proudy je takové řešení ideální pro cyklické používání, a to včetně aplikací, kde s vysokou mírou stlačení dosahujeme tisíců opakování. Podobně jako u několika dalších možností uzemnění ale ani zde nečekejte ochranu před působením okolního prostředí.

Ještě jinou alternativou pak mohou být kovové síťované struktury, což je v podstatě síťovina pletená z drátu pro účely zemnění a odstínění EMI v případě spojování vodičů, šasi nebo i ohrazených míst. Toto kovové síťování je speciálně určené pro aplikace vyžadující drobné zaoblené či pravoúhlé těsnicí spoje, pokud jde o EMI, třeba u vlnovodů a jejich přírub, hřídelí nebo malých krytů. Řešení s relativně nízkými náklady nabízí přímý kontakt kov na kov, nicméně opět neumožňuje ochranu před vnějšími vlivy.

Uzemněno a odstíněno

Doplňkový způsob, jak omezit elektrické rušení, spočívá v uzemněných kovových krytech dle obr. 3 – třeba u kabelů či jinak vyhrazených míst. Lze tím blokovat vstup, ale také únik elektromagnetických polí, které způsobují elektrické rušení. Jakmile takový kryt připojíme k zemi, začne sloužit jako zábrana, která absorbuje nebo odráží elektromagnetické vyzařování a zamezuje jeho reakcím s elektronickými součástkami.

Díky způsobu řešení dokáže mnoho zemnicích produktů rovněž fungovat jako stínění pro EMI a slouží zde proto jako vodivé rozhraní mezi stíněním a uzemněnými povrchy. Takovými povrchy zde může být samotné ohrazení nebo i zemní plochy na deskách plošných spojů. Je ale důležité, aby stínění mělo spojení se zemí, jinak nelze zaručit jeho zamýšlenou účinnost.

Bude to koneckonců pouze strategické zemnění a správně zvolené produkty, co umožní, aby elektronika pracovala bezpečně a optimálním způsobem. Zemnění zde přitom pomáhá zachovat integritu a také požadované vlastnosti elektronických obvodů, včetně součástek všech tvarů, velikostí nebo i funkcí. Dochází k tomu třemi způsoby – na základě zajištění stabilní úrovně referenčního napětí, díky vytvoření nízkoimpedanční trasy pro rušivé proudy a také z titulu odstínění elektronických součástek.

Ať již budou důvody či specifické požadavky na zemnění jakékoli, Parker Chomerics má k dispozici celou řadu materiálů a také dostupných řešení pro všechny špičkové, vysoce spolehlivé a samozřejmě i ekonomické návrhy v elektronice.

Odkazy:

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