Wstęp - produkty do ochrony elektromagnetycznej

Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) oraz środowisko elektromagnetyczne ma wpływ na wewnętrzne połączenia między różnymi elektrycznymi/elektronicznymi systemami jak również na prace poszczególnych podzespołów.

Trzy główne powody problemów, które mogą wystąpić razem lub pojedynczo:

Zakłócenia przewodowe
Zakłócenia przewodowe są rezultatem mimowolnego efektu wywoływanego przez spadki napięcia, pulsacje, przepięcia oraz prądy o wysokiej częstotliwości występujące w systemach elektrycznych. Np.: silnik elektryczny.

Wpływ bliskiego pola (blisko źródła promieniowania)
Galwaniczność ma duży wpływ na bliskie pole towarzyszące systemowi elektrycznemu, rezultatem sprzężenia indukcyjnego i pojemnościowego jest emisja w bliskiej odległości od źródła.

Wpływ dalekiego pola(w odległości od źródła promieniowania)
Urządzenia znajdujące się w otoczeniu systemu elektrycznego maja wpływ na odziaływanie dalekiego pola, które może oddziaływać na system np.: radio, telewizor, komputer.

Każdy system elektryczny/elektroniczny może być zarówno źródłem jak i ofiarą interferencji elektromagnetycznej (EMI).
Wpływ bliskiego oraz dalekiego pola jest najbardziej istotny dla uszczelek ekranujących, dlatego w znacznym stopniu koncentrujemy się na tych aspektach

Teoria fal

Źródło promieniowania generuje pole składające się z dwóch składników: elektrycznego i magnetycznego.
Związek pomiędzy polem elektrycznym i magnetycznym zależy od rodzaju źródła oraz od odległości. Stosunek tych dwóch pól jest bardzo ważny i jest wyrażany jako impedancja fali Z.
Źródła które generują pole magnetyczne nazywane są źródłami o niskiej impedancji.
Zaś źródła o wysokiej impedancji generują pole elektryczne.
W przypadku większej odległości od źródła składniki elektryczny i magnetyczny pola stają się sobie równe. Tego typu fala jest traktowana jako fala płaska. Tego typu fale są generowane przez liczne urządzenia. Funkcją niektórych z nich jest emitowanie fal np.: nadajnik radiowy, mikrofalówka lub też fale są produktem ubocznym wynikającym z pracy urządzenia, np.: kable zasilające.

Ekranowanie

Kiedy fala napotka na swojej drodze obiekt, część energii zostanie odbita, część zaabsorbowana(zamieniona na ciepło lub przepływ prądów wewnętrznych), a pozostała część wpłynie do środka.
Zarówno impedancja fali jak i obiektu jest bardzo ważna. Wiele współczynników reguluje te proporcje, a mianowicie im większa różnica ,tym więcej energii zostaje odbite. W momencie gdy impedancja fali jest mała, np.: pole magnetyczne, większa część energii zostaje pochłonięta. Jest to powód, który sprawia że pole magnetyczne jest trudne do ekranowania.
Każdy wewnętrzny prąd wytworzony w osłonie może spowodować wygenerowanie pola po drugiej stronie bariery. Najskuteczniejszym sposobem ekranowania jest odbicie energii fali.
Każda, nawet najmniejsza część zaabsorbowanej energii może spowodować wytworzenie się szczątkowego prądu.

Efektywność ekranowania

Skuteczność ekranowania jest miarą osłabienia lub redukcji energii która przeniknęła przez urządzenie. Jednostką jest decybel [dB].
Zależność jest logarytmiczna:

N dB = 10 log P1/P2

gdzie P1/P2 jest wskaźnikiem stosunku zmierzonych wartości mocy.

Spektrum elektromagnetyczne

RFI - zakłócenia radiowe, niechciane szumy elektryczne 0d 10kHz do 1000MHz
EMP - impuls elektryczny, szerokopasmowy, intensywny, przejściowy proces, podobny do błysku podczas wybuchu jądrowego (NEMP)
HERF - fale radiowe o wysokiej energii
EMI - zakłócenia elektromagnetyczne: DC do 300GHz
ESD - wyładowanie elektrostatyczne

Właściwości uszczelek EMC

Skuteczność ekranowania jest zwykle przedstawiana w dB, co oznacza tłumienie, np.: wskaźnik wytraconej energii.
W przemyśle występuje wiele specyfikacji, np.: MIL-G-83528, MIL-STD-285 i SAE-ARP-1705. Każda z nich ma szczególne znaczenie dla określonych dziedzin. Brak miejsca nie pozwala nam na udostepnienie szczegółowych danych, jednak poniższe wykresy przedstawiają zdolności ekranujące rozwiązań wykonanych z różnych materiałów.

Żywotność

Wykres prezentuje zdolności ekranujące w funkcji częstotliwości oraz jak się zmieniają właściwości ekranujące wraz
z długością czasu pracy produktów. Metoda badania: impedancja przejściowa SAE-ARP-1705. Materiał: silikon z srebra/aluminium (TC 1D/1 i 3D).

Wydajność środowiskowa

Wykres przedstawia wydajność ekranowania dla procedury MIL--G-83528/Mil-285 dla srebra/aluminium z silikonem (TC 1D i 3D).

Wydajność materiałów drukowanych

Wykres przedstawia tłumienie w funkcji częstotliwości, dla nikiel/grafit w silikonie (TC 3T/2).

Przewodnik po elastomerach przewodzących EMC

Najprostszymi dostępnymi polimerami są: slikon i fluorosilikon.

Srebro/Miedź (Ag/Cu) produkty te są skomponowane tak, aby oferowały dobre właściwości ekranujące. Mają świetną rezystancje, oferują dobry przepływ prądu oraz ciepła. Temperatura pracy -50° to +125°C.

Srebro/Aluminium (Ag/Al) rodzaje są zależne od stopnia zbrązowienia oraz dobierane tak, aby ich wydajność w kwestii ekranowania była jak najlepsza. Drugim bardzo ważnym parametrem jest masa produktów, która powinna być niewielka. Temperatura pracy od -50 do +160°C.

Srebro/Szkło (Ag/Glass) rodzaje są zależne od stopnia zbrązowienia oraz mają najmniejszą gęstość ze wszystkich materiałów. Rekomendowane do stosowania w urządzeniach w których niska masa jest najważniejszym parametrem, zaś bardzo wysokie właściwości ekranujące nie są szczególnie wymagane. Materiał ten nie jest rekomendowany do urządzeń w których występuje duży przepływ prądu. Temperatura pracy wynosi od -50 do +160°C.

Czyste srebro (Ag) rodzaje są zależne od stopnia zbrązowienia, reprezentują najlepsze właściwości przewodzące jak i ekranujące. Ten materiał jest szczególnie przydatny gdy potrzebujemy bardzo niskiej rezystancji dla przepływającego prądu. Tempera pracy od -50 do +160°C.

Srebro/Nikiel (Ag/Ni) rodzaje są zależne od stopnia zbrązowienia. Produkt ten oferuje świetne właściwości ekranujące. Rozwiązanie to jest dosyć drogie. Temperatura pracy od -50 do +160°C.

Nikiel/Grafit (Ni/Gr) materiał ten ma szara barwę i jest dobierany tak, aby miał znakomite właściwości ekranujące oraz nie był podatny na korozje elektrochemiczną. Temperatura pracy od -50 do +160°C.

Aluminium z domieszką silikonu występuje w czarnym kolorze i może być nakładane tylko metoda druku. Materiał oferuje dobre właściwości ekranujące oraz dobrą kompatybilność galwaniczną gdy pracuje w kontakcie z aluminium w środowisku solnym. Temperatura pracy wynosi -50 do +160°C.

Fluorosilikon nie jest dostępny w produktach wytwarzanych metodą druku.

Aspekt korozji [&] zalecenia projektowe

Problemy i dylematy…
W celu osiągnięcia dużych strat odbicia na uszczelnionym interfejsie znajdującym się w obudowie, co za tym idzie dobrych właściwości ekranujących i uszczelniających potrzebujemy materiału o niskiej impedancji. Tego typu materiał przewodzi prąd bardzo łatwo. Dobre przewodniki takie jak srebro i nikiel maja bardzo niski, a nawet ujemny potencjał elektrod. Gdy są one umieszczone w elektrolicie jakim może być słona woda wraz z innym materiałem, np.: stalą lub aluminium, następują procesy elektrolityczne powodujące korozję i osłabienie ekranowania.
W wyniku różnicy potencjałów pomiędzy dwoma metalami, jedna elektroda będzie dawcą materiału i zacznie powoli ulegać zniszczeniu. Różnica potencjałów pomiędzy dwoma metalami lub materiałami ekranującymi zwykle używanymi w obudowach jest wyrażona w woltach.
Typowe wartości PD metali mierzy się z zastosowaniem standardowej elektrody kalomelowej zanurzonej w wodzie morskiej (patrz tabela wartości). Firma TC Shielding przeprowadziła testy na najczęściej stosowanych elastomerach przewodzących i uzyskano wartości ich PD. Normy mówią że akceptowalna wartość PD między różnymi metalami w środowisku zasolonym wynosi 0,5V, zaś w środowisku militarnym 0,3V.
Korozja może wystąpić kiedy mamy do czynienia z silnie przewodzącym materiałem, takim jak srebro, zaś w mniejszym stopniu gdy nikiel lub karbon występuje w kontakcie z aluminium.

Rozwiązanie problemu

Istnieją dwa potencjalne rozwiązania w celu zminimalizowania możliwości wystąpienia korozji.

• Wyboru elastomeru dokonuje się z uwzględnieniem wymogów dotyczących właściwości ekranujących oraz wielu innych czynników. Bardzo ważne jest, aby zastosować pokrycie metaliczne na powierzchni która ma bezpośredni kontakt z uszczelką. W przypadku materiału elastomerowego na bazie srebra, powłoka powinna być pokryta warstwą srebra. W przypadku niklu grafitowego lub karbonowego, powierzchnia powinna zostać pokryta warstwa niklu. Nikiel może być stosowany zarówno w przypadku elastomerów na bazie srebra.
• Opcja projektowa ‘Duo seal’

Jeżeli występują ograniczenia projektowe, możliwe jest zastosowanie systemu ‘duo seal’ czyli zabezpieczenia z dodatkowym pierścieniem uszczelniającym. W obudowie znajduje się wyżłobiony kanał w który wchodzi pierścień uszczelniający. Uszczelka zewnętrzna wykonana z silikonu lub sylikonu fluorowego chroni przed czynnikami środowiskowymi oraz zabezpiecza przed korozją. Element wewnętrzny zawiera przewodzący elastomer zapewniający niska impedancję oraz dobre właściwości ekranujące. Wybór materiału powinien być oparty na aspektach komercyjnych wymaganej wytrzymałości oraz odpowiednich do zastosowania właściwościach ekranujących.

Kompatybilność galwaniczna metali

Do pracy w warunkach trudnych środowiskowych (dla materiałów, które są dobrymi przewodnikami jonowymi), wszystkie metale stykające się ze sobą nie powinny być umieszczone dalej niż jeden poziom w tabeli względem siebie w celu zminimalizowania korozji. Aplikacje na zewnątrz, wysoka wilgotność powietrza i obecność soli.

Do pracy w warunkach normalnych środowiskowych (składowanie w magazynach lub środowisku niekontrolowanym temperaturowo/wilgotnościowo, itp.). Różnica pomiędzy współpracującymi materiałami nie powinna być większa niż 0,25 V (tzn. 5 poziomów w tabeli).

Do pracy w warunkach środowiska biurowego (temperatura oraz wilgotność kontrolowane). Różnica potencjału równa 0,50 V może być akceptowana (tzn. 10 poziomów w tabeli).

Zgodność środowiskowa

• - Dobra
⌈ - Satysfakcująca
X - Niezalecana

Palność silikonów

Gdy guma silikonowa płonie w kontakcie z intensywnym ogniem, polimer rozkłada się do postaci krzemionki i nieprzewodzącego popiołu.
Podczas palenia wydzielają się bardzo małe ilości dymu, którego składnikiem jest tlenek węgla. Jednakże w przeciwieństwie do innych materiałów zawierających fluor, siarkę lub azot nie wydzielają chlorowodoru, fluoru, dwutlenku siarki, tlenku azotu oraz innych niezdrowych związków chemicznych, które mogą drażnić oczy, nos oraz gardło.

Guma silikonowa jest w stanie wytrzymać temperaturę 500°C przez kilkanaście minut, wykazuje dobre właściwości izolacyjne. Silikon zwykle ma wytrzymałość płomieniowa na poziomie UL94 HB. Typowe wartości generacji dymu wielu polimerów podane są w tabeli poniżej:

W tabeli powyżej Dm oznacza maksymalną gęstość optyczną lub maksymalną ilość nagromadzonego dymu w ciągu 20 minut. Tc jest to czas potrzebny do osiągnięcia odpowiedniej gęstości optycznej wynoszącej 16%. Ten raport służy jedynie jako informator. W celu uzyskania szczegółowych informacji prosimy o kontakt z DACPOL Sp. z o.o.

Sposób i czas przechowywania

W tabeli powyżej Dm oznacza maksymalną gęstość optyczną lub maksymalną ilość nagromadzonego dymu w ciągu 20 minut. Tc jest to czas potrzebny do osiągnięcia odpowiedniej gęstości optycznej wynoszącej 16%. Ten raport służy jedynie jako informator. W celu uzyskania szczegółowych informacji prosimy o kontakt z działem technicznym DACPOL Sp. z o.o.

Wprowadzenie

Uszczelki przewodzące wykonane z gumy mogą być eksploatowane przez wiele lat, jednakże właściwości fizyczne z biegiem czasu mogą ulec zmianie, w szczególnych przypadkach gdy uszczelki są źle przechowywane może dojść do ich degradacji i utraty właściwości fizycznych lub elektrycznych. Celem tego dokumentu jest przekazanie wskazówek odnośnie przechowywania uszczelek różnych typów, aby zminimalizować ich uszkodzenia wynikające ze złego przechowywania do minimum.

Temperatura

Rekomendowany zakres temperatur: od 5° do 25°C. Poniżej 5° żadne uszkodzenia nie wystąpią, jednak uszczelki mogą być bardziej sztywne. W temperaturach powyżej 25°C wystąpienie trwałych uszkodzeń jest bardziej prawdopodobne.

Światło

W żadnym wypadku produkt nie powinien być wystawiony na działanie światła naturalnego jak i sztucznego. Produkt powinien być przechowywany w zacienionym miejscu oraz w środowisku bezsiarkowym.

Wilgotność

<75% wilgotności względnej bez kondensacji.

Kontakt z innymi materiałami, substancjami

Podczas przechowywania uszczelki nie powinny mieć kontaktu z żadnym z wymienionych materiałów lub substancji:
1. Rozpuszczalniki,
2. Oleje i smary,
3. Materiał zawierające siarkę, 4. Metale, zwłaszcza miedź i jej stopy,
5. PVC,
6. Różne materiały gumowe.

Technologia wytłaczania

Technika wytłaczania uszczelek z przewodzących elastomerów posiada wiele zalet. Technologia ta zapewnia zalety zarówno w różnorodności kształtów uszczelek jak i rozwiązuje problem z uszczelnieniem. Poniżej kilka zalet tego procesu wytwarzania:

• profile uszczelek mogą być używane do aplikacjach gdzie nacisk jest mały
• profile uszczelek mogą być łączone ukośnie , co zapewni szczelność i brak przecieków
• profile uszczelek mogą być łączone na płasko w kształtach sznurowych ”O” , co zapewnia łatwy montaż, szczelność oraz zapobiega przecieką emisji RF
  uszczelka może być montowana na kleju/taśmie ( w zależności od typu profilu)
• produkt może posiadać otwory montażowe (w zależności od typu profilu)
• system uszczelek DUO gwarantuję pełna ochronę środowiskową jak również eliminuję ryzyko korozji galwanicznej
• silikon i fluorosilkon występuję z wieloma wtrącenia materiałów przewodzących

Technologia wytłaczania – szczegóły aplikacji

Standardowe jak i specjalne profile uszczelek EMC wytłaczanych mogą występować w różnych formach, takich jak: pocięte, na rolkach, czy też sprefabrykowanych. Wersje sprefabrykowane zawierają łączenie gwarantujące uszczelnienie ciągłe. Połączenia są w pełni zwulkanizowane z dodatkiem materiału przewodzącego. Różnorodność wersji począwszy od standardowych kształtów sznurowych ”O”, kończąc na uszczelkach kołnierzowych do wielkości 1,5, daję dużą elastyczność w doborze odpowiedniego rozwiązania dla klienta.

Instalacja

W efekcie uszczelnienie mechaniczne i elektryczne musi być ściśnięte. Niedostateczna kompresja skutkuję przeciekami oraz słabymi właściwościami elektrycznymi. Natomiast nadmierny ścisk powoduję słabe połączenie elektryczne i fizyczne. Najlepszą metodą jest kontrola kompresji poprzez ulokowanie uszczelki w rowku – typowe konfiguracje pokazane są poniżej:

Jeśli montaż uszczelek w rowie nie jest możliwy, kontrola kompresji może być osiągnięta równie poprzez alternatywne sposoby jak: klamry, szczotki, umieszczenie uszczelki pomiędzy dwoma płytami.

Kompresja

Uszczelki posiadają ograniczone możliwości kompresji. Każdy profil posiada własne charakterystyki obciążenia nawiązujące do sztywności i kształtu. Przewodzące uszczelki o kształcie sznurowym”O” zapewniają zakres kompresji od 10 do 25%. Profile wydrążone posiadają potrzebę niskiego nacisku aby osiągnąć poprawne właściwości mechaniczne i elektryczne, zakres wynosi od 7,5 - 50%, zależnie od kształtu profilu.

Wymiar rowka

Kiedy montujemy uszczelkę w rowek całkowicie zamknięty, należy pamiętać że guma zachowuję się jako ”nieściśliwy” płyn.

Ogólnie powinno się zakładać dodatkowo minimum 5% wolnej przestrzeni w skrajnych tolerancjach.

Właściwości materiałów wytłaczanych

Uwaga:
Aby zapewnić dobre właściwości elektryczne, materiały nie powinny być wydłużone powyżej 30% swojej długości.

Wytłaczane uszczelki EMC ”O” ringi

Uszczelki ”O” ringi są rozwiązanie zapewniającym dobre uszczelnienie przy odpowiednio niskim koszcie. Występuję bardzo wiele wspólnych cech pomiędzy uszczelkami ”O” ring przewodzącymi EMC a zwykłymi., np.: montaż i demontaż uszczelek.

Jednakże na niektóre aspekty trzeba zwrócić głownie uwagę, o to kilka z nich:

Rozciąganie
Podczas montażu lub też po zamontowaniu nie powinno wystąpić rozciągnie większe niż 5% oryginalnego wewnętrznego wymiaru.

Kompresja
Podobnie jak powyżej nie powinna być większa niż 25% dla ”O” ringu pełnego , natomiast dla ”O” ringu wydrążonego 100% kompresja jest akceptowalna.

Połączenia
Do produkcji ”O” ringów wydrążonych niezbędne jest ich łączenie. TC SHIELDING używa do tego specjalnych materiałów i metod, dzięki czemu połączeniu jest pełni zwulkanizowane i wykazuje parametry jak w pełni wytłoczony materiał.

Korozja Galwaniczna
Wybór odpowiedniego materiału „O” ringu jest bardzo istotne. Szczególnie w trudnych warunkach np. aplikacje wojskowe, czy morskie.

Czystość
Materiały przewodzące są podatne zarówno na chemie jak i pyłowe zanieczyszczenia, które mogą wystąpić podczas montażu/demontażu. Może to mieć wpływ na elektryczne połączenie. Zaleca się zatem aby używać rękawiczki bawełniane.

Składowanie
Wszystkie materiały elastomerowe powinny być składowane w odpowiedni sposób. Np. na materiały przewodzące (światło) ma zły wpływ jeśli chodzi o właściwości elektryczne.