Nu cu mult timp în urmă a existat un singur motiv să ne gândim la împământarea electrică: siguranța. Și, în timp ce protejarea oamenilor de șocurile electrice rămâne un obiectiv primordial, electronicele de larg consum moderne, cu capabilitățile lor multimedia și de comunicare, înseamnă dezvoltarea unei strategii de împământare robuste și cuprinzătoare, care capătă o importanță nouă.
Împământarea este un subiect complex, dar nu se poate ascunde rolul său esențial în protejarea dispozitivelor și produselor electronice sensibile și de înaltă performanță. O împământare corespunzătoare evită defecțiunile circuitului și orice deteriorare ulterioară a componentelor scumpe. De asemenea, împiedică acumularea de electricitate statică și chiar îmbunătățește performanța dispozitivelor și a aparatelor prin reducerea la minimum a efectelor interferențelor electromagnetice (EMI).
Masă comună
În domeniul electronicii există multe tipuri diferite de masă, dar cele două cel mai răspândite sunt masa comună și masa șasiului.
Spre deosebire de împământarea la sol, o masă comună nu este o masă fizică; este un punct de referință în cadrul unui circuit pentru măsurători de tensiune. Permițând terminalului negativ al unei surse de alimentare de curent continuu (CC) să servească drept masă comună și conectând terminalul pozitiv al unei surse de alimentare CC diferite în același punct, circuitul poate avea atât surse de alimentare pozitive, cât și negative. Ca rezultat, configurația conexiunii în cadrul unui circuit și punctul selectat pentru referința de tensiune zero determină dacă o tensiune de alimentare este pozitivă sau negativă. Această abordare este relevantă în special în dispozitivele care se bazează pe alimentarea bateriei, cum ar fi multe dispozitive electronice moderne de larg consum, unde nu există o conexiune de împământare prin cablu.
O masă de șasiu se referă la o conexiune de împământare care conectează toate piesele metalice la împământare. Echipamentele audio statice și aparatele de uz casnic sunt dispozitive comune, care necesită o masă a șasiului.
Aspecte materiale
Figura 1: Elastomerii și garniturile conductive reduc impactul EMI asupra performanței sistemului. (© Parker Chomerics)
În cele din urmă, toate dispozitivele electrice au nevoie de împământare și există mai multe soluții materiale care pot fi utilizate pentru a crea această cale electrică necesară și vitală. Valoarea adăugată asociată acestor materiale inovatoare tinde să fie similară, concentrându-se pe proprietățile electrice și mecanice, cum ar fi conductivitatea electrică, ecranarea împotriva EMI și interferențele de radiofrecvență (RFI), durabilitatea mecanică și instalarea ușoară. Zgomotul electric sub formă de EMI sau RFI poate fi deosebit de dăunător, deoarece afectează negativ performanța circuitelor electronice, provocând erori în măsurătorile senzorilor și conducând potențial la funcționarea defectuoasă a dispozitivelor sensibile.
Există diverse căi prin care împământarea ajută la reducerea zgomotului electric. În primul rând, se asigură un nivel stabil de tensiune de referință (de obicei 0V) pentru toate circuitele electronice din sistemul dispozitivului. Acest punct de referință comun acceptă măsurători de semnal mai precise și repetabile prin atenuarea impactului zgomotului.
În plus, împământarea creează o cale de impedanță scăzută pentru curenții de zgomot, astfel încât aceștia să poată curge cu ușurință înapoi la sursa lor sau la pământ. Împământarea ajută la prevenirea cuplării acestor curenți în circuite și reduce impactul lor asupra performanței sistemului prin direcționarea curenților de zgomot departe de componentele electronice sensibile. Acest rezultat este adesea realizabil prin utilizarea unei garnituri conductive sau a unei soluții de împământare (Figura 1). În funcție de cerințele de proiectare, garniturile adecvate pot lua forma unor spume/țesături cu spumă conductive, elastomeri conductivi, lamele sau „degete” metalice.
Soluții de spumă
O garnitură din țesătură cu spumă cuprinde o țesătură conductivă înfășurată în jurul unui substrat de spumă de uretan sau silicon. Folosită, în general, ca suport de împământare la nivel de PCB, această soluție rentabilă oferă o forță de compresie scăzută cu o conductivitate ridicată, făcând-o ideală pentru aproape toate aplicațiile de împământare și ecranare EMI de interior.
Garniturile din spumă conductivă, care se prezintă sub formă de benzi, foi sau rulouri continue pentru tăiere cu matriță, au încorporate fibre conductive de electricitate. Similar cu garniturile din țesătură cu spumă, acestea sunt rentabile și oferă o forță de compresie scăzută și o conductivitate ridicată.
Multe aplicații moderne pot profita de spume sau țesături conductive, în special atunci când se iau în considerare anumiți factori și tendințe actuale ale industriei. De exemplu, dimensiunea compactă este o tendință de lungă durată pentru dispozitivele electronice de larg consum, în special pentru cele pasive, de tip adaptează și lasă (fit-and-forget), cum ar fi routerele care funcționează în fundal. Aici, semiconductorii devin din ce în ce mai mici, iar PCB-urile devin mai compacte. Totuși, în ciuda acestor reduceri ale dimensiunilor fizice, componentele și sistemele electronice devin din ce în ce mai puternice. Rezultatul este cererea tot mai mare de ecrane la nivel de placă fabricate din metal ștanțat cu precizie și garnituri de izolare EMI de la cavitate la cavitate pentru a preveni interferențele și diafonia. Spumele sau țesăturile conductive oferă soluția ideală în multe astfel de cazuri, deoarece servesc ca un suport de împământare între plăci, scuturi RF și radiatoare. Cu toate acestea, spumele conductive și spumele de țesătură nu sunt soluția optimă pentru niciun dispozitiv electronic supus expunerii la mediu.
Alte opțiuni
Figura 2: Benzile metalice Fingerstock sunt perfecte pentru aplicații cu ciclu de compresie ridicat. (© Parker Chomerics)
O alternativă bună la soluțiile pe bază de spumă în aplicațiile care implică expunerea la mediu sunt elastomerii conductivi. Încorporați cu particule conductive din punct de vedere electric, acești elastomeri sunt perfecți pentru împământarea șasiului și ecranarea EMI a carcasei sau pentru împământarea conectorilor. În special, elastomerii conductivi sunt rezistenți la fluide și oferă protecție împotriva coroziunii galvanice, asigurând o durată lungă de funcționare a produsului. Un aspect ce trebuie luat în considerare la această soluție este că va necesita probabil o forță de compresie mai mare pentru a obține o împământare corespunzătoare.
Benzile metalice Fingerstock (Figura 2) oferă o abordare diferită sub formă de metal îndoit pentru împământare electrică și contact direct metal-metal. Cu capacitatea sa mare de transport a curentului, această soluție este ideală pentru aplicații cu ciclu de compresie ridicat, inclusiv cele care ajung la mii de cicluri. În orice caz, la fel ca și alte opțiuni de împământare, aceasta nu asigură protecția mediului.
O altă opțiune pot fi garniturile din plasă metalică: în principiu, o plasă de sârmă întrețesută pentru împământarea și ecranarea EMI a carcasei, șasiului și joncțiunilor de fire. Garniturile din plasă metalică destinate în special aplicațiilor care necesită etanșări EMI mici, rotunde sau dreptunghiulare, cum ar fi flanșele pentru ghiduri de undă, arbori sau carcase mici. Această soluție rentabilă asigură contact metal-metal direct, dar, din nou, nu oferă protecție împotriva mediului în exterior.
Împământat și ecranat
Figura 3: Scuturile metalice ștanțate reduc efectul EMI pe plăcile de circuite imprimate. (© Parker Chomerics)
O modalitate complementară de a reduce zgomotul electric este adoptarea de scuturi metalice împământate (Figura 3), de exemplu în cabluri sau carcase. Această abordare poate ajuta la blocarea intrării sau ieșirii câmpurilor electromagnetice care provoacă zgomot electric. La conectarea scutului la masă, acesta acționează ca o barieră care absoarbe sau reflectă radiația electromagnetică, împiedicând să se interfereze cu componentele electronice.
Prin proiectare, multe produse de împământare funcționează și ca dispozitive de ecranare EMI și, prin urmare, sunt menite să servească drept interfață conductivă între scuturi și suprafețele împământate. Aceste suprafețe împământate pot fi carcasa în sine sau planurile de masă încorporate în PCB-uri. Este important ca un scut să aibă o conexiune la masă, altfel nu va oferi eficiența de ecranare dorită.
În cele din urmă, doar o abordare strategică de împământare și produse corect specificate vor menține produsele electronice să funcționeze optim și în siguranță. Împământarea ajută la menținerea integrității și performanței circuitelor și dispozitivelor electronice indiferent de formă, dimensiune și funcție. Acest lucru este realizat în trei moduri: prin furnizarea unui nivel stabil de tensiune de referință, prin crearea unei căi de impedanță scăzute pentru curenții de zgomot și prin ecranarea componentelor electronice.
Indiferent de cerințele sau motivele specifice de împământare, Parker Chomerics oferă o gamă largă de soluții de materiale disponibile pentru toate cerințele de proiectare electronică de înaltă performanță, fiabilitate ridicată și rentabilitate.
Autor: Jesse Hagar, Manager Linie de produs, Parker Chomerics
Descoperiți mai multe aici.
Despre Chomerics
Chomerics este o divizie a Parker Hannifin Corporation și face parte din Engineered Materials Group. Este liderul global în dezvoltarea și implementarea materialelor cu conductivitate electrică și termică în electronică, transporturi și în sistemele de energie alternativă. Pentru mai multe detalii, puteți accesa site-ul: www.parker.com/chomerics
Despre Parker Hannifin
Parker Hannifin este lider global în tehnologiile de mișcare și control, conform clasamentului Fortune 250. De peste un secol, compania a făcut descoperiri majore în domeniul ingineriei, asigurând un viitor mai bun. Pentru mai multe detalii, puteți accesa pagina: www.parker.com.
