Störningar följer alltid samma kedja: en källa, en kopplingsväg och en mottagare. De tre åtgärder som artikeln handlar om bryter kedjan på kopplingsvägen. Skärmning hindrar fält från att komma in eller ut, filter hindrar strömmar på ledningar och jordning ger strömmarna en kontrollerad väg tillbaka. Artikeln förklarar mekanismerna och räknar på dem, så att du kan avgöra vilken åtgärd som hjälper och varför en åtgärd ibland inte gör det.
Enligt förordningen om elektromagnetisk kompatibilitet (2016:363) ska utrustning uppfylla skyddskrav för både emission och immunitet, och användare får inte orsaka oacceptabla störningar. För fasta installationer gäller god branschpraxis. Elsäkerhetsverket anger att kabeldragning och fel EMC -klass är vanliga orsaker i solcellsanläggningar. Det är skälet till att kabelskärmning och jordning också är praktiska frågor för den som bygger en radiostation.
Likström fördelar sig jämnt i en ledare. Växelström gör det inte: fältet i ledaren avtar exponentiellt från ytan med djupet x som e − x / δ , där skinndjupet (eng. skin depth ) är
Två följder är viktiga. Eftersom strömmen bara går i ytan spelar det ingen roll hur tjock en ledare är över några skinndjup. En kopparfolie på 0,1 mm räcker mot 1 MHz (66 µm) men inte mot 50 Hz. Och eftersom strömmen går i ytan är ytans kontakt avgörande: en lackad eller oxiderad skarv ger hög impedans där strömmen ska gå.
Skärmverkan (eng. shielding effectiveness , SE ) mäts i dB som kvoten mellan fältstyrkan utan och med skärm: S E = 20 log 10 ( E 0 / E 1 ) , och motsvarande för H . Den delas in i tre bidrag:
Nära en källa skiljer sig vågimpedansen från 377 Ω. Intill en källa med hög spänning (elektriskt fält) är den hög, Z w = 1 / ( ω ε 0 r ) , och intill en källa med stor ström (magnetiskt fält) är den låg, Z w = ω μ 0 r . Det gäller inom r < λ / 2 π , som för r = 1 m är ca 48 MHz. Elektriska fält reflekteras därför kraftigt, medan magnetfält reflekteras dåligt vid låga frekvenser.
Så kommer de kompakta formlerna fram
Med ω = 2 π f och σ = σ r · 5,8 · 10 7 S/m ger insättning av | Z m | de välkända formlerna (frekvens f i Hz, avstånd r i m, relativa värden σ r och μ r mot koppar och vakuum):
R plan = 168 + 10 log 10 σ r μ r f , R E = 322 + 10 log 10 σ r μ r f 3 r 2 , R H = 14,6 + 10 log 10 f r 2 σ r μ r ,
och A = 131,4 t f μ r σ r med t i m. Kontrollräkning för 0,5 mm aluminium (σ r = 0,61 ) vid 1 MHz ger A = 51 dB och R plan = 106 dB, och direkt från | Z m | = 4,75 · 10 − 4 Ω får man 20 log 10 ( 377 / ( 4 · 4,75 · 10 − 4 ) ) = 106 dB, alltså samma värde.
Korrektionen B beskriver upprepade reflektioner inne i skärmen. Den är B ≈ 20 log 10 ( 1 − e − 2 t / δ ) , är negativ och spelar bara roll när A är liten (under ca 10 dB), det vill säga för tunna skärmar vid låga frekvenser.
Tabell 2. Magnetfält 1 m från en källa, 0,5 mm aluminium. Beräknat med formlerna ovan. Vid 50 Hz är modellen grov, och verkliga värden är lägre på grund av skarvar och öppningar.
Frekvens
δ
A
R H
B
S E
50 Hz
12 mm
0,4 dB
29,4 dB
−22,0 dB
ca 8 dB
1 kHz
2,7 mm
1,6 dB
42,4 dB
−10,2 dB
ca 34 dB
10 kHz
0,85 mm
5,1 dB
52,4 dB
−3,2 dB
ca 54 dB
100 kHz
0,27 mm
16,1 dB
62,4 dB
försumbar
ca 79 dB
1 MHz
85 µm
51,1 dB
72,4 dB
försumbar
ca 124 dB
Delarna av skärmverkan för 0,5 mm aluminium
Diagram med logaritmisk frekvensaxel från 10 Hz till 10 MHz och dämpning från 0 till 280 dB. Absorptionsförlusten A ökar från 0,4 dB vid 50 Hz till 162 dB vid 10 MHz. Reflektionsförlusten för elektriskt fält på 1 m avstånd faller från 269 till 110 dB. För magnetfält ökar den från 29 till 82 dB, och planvågsvärdet faller från 149 till 96 dB. Den totala skärmverkan för magnetfält är 8 dB vid 50 Hz, 34 dB vid 1 kHz, 124 dB vid 1 MHz.
10 Hz
100 Hz
1 kHz
10 kHz
100 kHz
1 MHz
10 MHz
0
40
80
120
160
200
240
280
Frekvens
Dämpning (dB)
8 dB
Absorption A
Reflektion, elektriskt fält RE
Reflektion, magnetfält RH
Reflektion, plan våg R
Skärmverkan, magnetfält A + RH + B
Figur 2. Delarna av skärmverkan för 0,5 mm aluminium, A och R, på 1 m avstånd från källan. Elektriska fält reflekteras kraftigt vid låga frekvenser medan magnetfält gör det svagt. Därför är lågfrekventa magnetfält svårast att skärma.Förstora
Tre slutsatser följer av tabellen och figuren:
Elektriska fält är lätta, magnetfält svåra. En tunn plåt skärmar elektriska fält mycket effektivt även vid låga frekvenser, men 0,5 mm aluminium ger vid 50 Hz bara storleksordningen 10 dB mot ett magnetfält. Magnetfält från nätfrekventa transformatorer skärmas därför med material som har hög permeabilitet (till exempel mu-metall) eller med avstånd, inte med tunn aluminium.
Vid höga frekvenser är A enormt stor. Vid 100 MHz blir den beräknade absorptionen över 500 dB. Sådana siffror är teoretiska, eftersom en verklig skärm begränsas av öppningar, skarvar och genomföringar. IEEE Std 299 mäter skärmverkan hos skärmrum från 9 kHz till 18 GHz.
Skärmens tjocklek spelar mindre roll än dess täthet. Över några tiotals kHz räcker folie. Det som avgör är hur skarvar och öppningar är utförda.
Öppningar, slitsar och skarvar#
En slits eller ett hål fungerar som en antenn. Strömmarna i skärmen måste gå runt öppningen, och fältet läcker igenom. Ju längre öppningens största mått l är i förhållande till våglängden, desto sämre dämpning. Som ingenjörsformel gäller för en enkel öppning (med l < λ / 2 )
S E öppning ≈ 20 log 10 λ 2 l dB ,
och dämpningen är noll när l ≥ λ / 2 . Måttet som räknas är den längsta dimensionen: en slits på 10 cm × 0,1 mm är lika dålig som ett hål på 10 cm.
Tabell 3. Beräknad skärmverkan hos en enkel öppning, 20 log 10 ( λ / 2 l ) .
Längsta mått l
100 MHz
1 GHz
10 GHz
1 mm
63,5 dB
43,5 dB
23,5 dB
1 cm
43,5 dB
23,5 dB
3,5 dB
10 cm
23,5 dB
3,5 dB
0 dB
Det finns tre praktiska följder:
Skarvar är slitsar. En lock- eller luckskarv med skruvar var 10:e cm är en rad av slitsar på 10 cm. Vid 1 GHz ger det 3,5 dB, vid 2 cm skruvavstånd 23,5 dB. Skarvar tätas med EMC -packningar eller överlappande kant, och ytorna måste vara blanka metallytor.
Flera hål är sämre än ett. Om n lika hål ligger tätare än λ / 2 minskar skärmverkan med ungefär 10 log 10 n dB. Ett ventilationsgaller med 100 hål på 5 mm ger vid 1 GHz 29,5 − 20 = 9,5 dB.
Ett rör är bättre än ett hål. Ett hål med djup fungerar som en vågledare. Under vågledarens gränsfrekvens, för ett runt rör f c = 1,841 c / ( π d ) ≈ 17,6 / d GHz (med diametern d i cm), dämpas fältet exponentiellt, ungefär 32 t / d dB för ett rör med längd t . Ett honeycomb-galler med d = 5 mm och djup 20 mm (t / d = 4 ) har f c = 35 GHz och ger för frekvenser långt under den ca 128 dB. Därför används honeycomb-galler för ventilation av skärmrum.
Öppningar och våglederbegränsning
Två diagram bredvid varandra. Vänster: skärmverkan hos en öppning mot öppningens längsta mått från 1 till 100 millimeter, med tre fallande linjer för 100 MHz, 1 GHz och 10 GHz som når noll när måttet är en halv våglängd. Höger: dämpningen under gränsfrekvensen i ett rör växer linjärt med förhållandet mellan djup och diameter, 32 dB per enhet, och är 128 dB vid förhållandet 4.
Enkel öppning
Rör under gränsfrekvensen
1
2
5
10
20
50
100
0
20
40
60
80
Längsta mått l (mm)
Skärmverkan (dB)
100 MHz
1 GHz
10 GHz
3,5 dB
0
1
2
3
4
5
6
0
50
100
150
200
Djup/diameter, t/d
Dämpning (dB)
128 dB
Dämpning ca 32 dB per t/d
Figur 3. Vänster: skärmverkan hos en enkel öppning. Höger: dämpning under gränsfrekvensen i ett rör, ca 32 dB per längd gånger diameter. Därför är ett djupt, smalt hål mycket bättre än ett platt hål.Förstora
Den största enskilda öppningen i en skärm är ofta en kabel som går igenom den. En oskärmad kabel för stör- och signalströmmar rakt genom väggen och gör skärmen verkningslös. Därför ska kablar filtreras vid väggen eller ha skärm som är ansluten 360° till den.
Kabelskärmar och 360-gradersanslutning#
En kabelskärm gör två saker. Mot elektriska fält är det en skärm, och mot magnetiska fält leder den en returström som skapar ett motriktat fält. Kvaliteten mäts med överföringsimpedansen Z t = V inducerad / I skärm , i ohm per meter: ju lägre, desto mindre störspänning uppstår inne i kabeln av en ström på skärmen. En heltäckande rörskärm har lägst Z t , en flätad skärm är oftast bättre än en spirallindad, och vid höga frekvenser avgör anslutningen mer än skärmtypen.
Skärmen är bara så bra som dess anslutning. En kort tråd (pigtail , svans) från skärmen till kontaktens stift eller till en skruv har induktansen ca 1 nH per mm. Det är en tumregel, men den räcker som utgångspunkt.
Räkneexempel: svansens impedans
En svans på 20 mm ger ca 20 nH. Reaktansen X = 2 π f L är
1,3 Ω vid 10 MHz,
12,6 Ω vid 100 MHz,
38 Ω vid 300 MHz.
Skärmens eget motstånd är vanligen en bråkdel av en ohm per meter. Svansen är alltså det som begränsar, och skärmströmmen får en spänning över svansen som läcker in i utrustningen. Vid 360° anslutning delar sig strömmen runt hela omkretsen, och induktansen blir mycket liten.
Svans och 360-gradersanslutning
Två vyer av en kabel som går in i en metallvägg. Vänster, svans: skärmen är uppskuren och en tråd går från skärmen till en skruv i väggen. Tråden på 20 mm är ca 20 nH och 12,6 ohm vid 100 MHz. Höger, 360-gradersanslutning: skärmen är ansluten runt hela kabeln i väggens genomföring och ger mycket liten induktans.
Svans
360-gradersanslutning
utanför
inuti
utanför
inuti
Svans 20 mm
ca 20 nH
12,6 Ω vid 100 MHz
skärmström
Skärmen ansluten
runt hela omkretsen
Mycket liten induktans
skärmström
Figur 4. Svans och 360-gradersanslutning. Vid svansen går hela skärmströmmen genom en ledning med en induktans som blir stor vid höga frekvenser.Förstora
Ena eller båda ändar? Vid låga frekvenser (nätbrum) kan en skärm som är jordad i båda ändar ge en jordslinga. Vid höga frekvenser fungerar en skärm som är jordad i bara en ände som en antenn, så snart kabeln är längre än ca λ / 20 . Vid 30 MHz är λ / 20 = 0,5 m och vid 1 MHz 15 m. Tumregeln är att ansluta skärmen i båda ändar för radiofrekvenser och, i vissa audiosystem, ansluta ena änden direkt och andra via en kondensator (hybridjordning). Se även Matarledningar .
Filter#
Så mäts ett filter#
Ett filter infogas mellan en källa och en last. Dämpningen, insättningsdämpningen (eng. insertion loss ), för en seriekopplad impedans Z mellan källimpedansen Z s och lastimpedansen Z L är
I L = 20 log 10 | 1 + Z Z s + Z L | dB .
Datablad anger oftast dämpningen i ett system med 50 Ω i vardera änden, alltså Z s + Z L = 100 Ω. Verkliga kretsar har helt andra impedanser, till exempel mycket låg impedans i en kraftledning.
Tabell 4. Insättningsdämpning för en serieimpedans Z (resistiv) vid olika slingimpedanser Z s + Z L .
Z s + Z L
Z = 100 Ω
Z = 300 Ω
Z = 1000 Ω
1 Ω
40,1 dB
49,6 dB
60,0 dB
10 Ω
20,8 dB
29,8 dB
40,1 dB
100 Ω
6,0 dB
12,0 dB
20,8 dB
1000 Ω
0,8 dB
2,3 dB
6,0 dB
Regeln är att en seriekomponent (induktans, ferrit) verkar bäst där slingimpedansen är låg, och en kondensator till jord där den är hög. Ett datablad med dämpning i 50 Ω säger därför lite om hur komponenten verkar i en annan krets.
Kondensatorn är ingen ideal kondensator#
En verklig kondensator har en serieinduktans (ESL , främst från ledare och kontakter) och en serieresistans (ESR ). Impedansen är
| Z | = ESR 2 + ( ω ESL − 1 ω C ) 2 ,
med minimum vid serieresonansen f S R = 1 / ( 2 π ESL · C ) . Över den beter sig komponenten som en spole.
Räkneexempel: 100 nF med ledare
En kondensator på 100 nF med ledare på ca 10 mm har ESL ca 10 nH (1 nH per mm). Serieresonansen är 1 / ( 2 π 10 · 10 − 9 · 100 · 10 − 9 ) = 5,0 MHz. Vid 100 MHz är ω L = 6,3 Ω, men den ideala kapacitansen hade gett bara 1 / ω C = 0,016 Ω. Med ESL 1 nH (kort kontakt) flyttas resonansen till 15,9 MHz. Över resonansen bestäms alltså impedansen av induktansen, inte kapacitansen, och en större kondensator hjälper inte. Då hjälper en kortare ledare.
Impedans hos en kondensator på 100 nF
Diagram med logaritmiska axlar, frekvens från 10 kHz till 1 GHz och impedans från 0,01 till 100 ohm. Tre kurvor för en kondensator på 100 nF med serieinduktans 1, 5 och 10 nH. De faller med frekvensen, har minimum vid 15,9, 7,1 och 5,0 MHz och stiger sedan. Vid 100 MHz är impedansen 0,6, 3,1 och 6,3 ohm. En streckad linje visar en ideal kondensator.
10 kHz
100 kHz
1 MHz
10 MHz
100 MHz
1 GHz
0,01
0,1
1
10
100
Frekvens
Impedans (Ω)
100 MHz
10 nH
5 nH
1 nH
Ideal kondensator
Punkter: serieresonans 5,0 / 7,1 / 15,9 MHz
Figur 5. Impedansen hos en kondensator på 100 nF med ESR 0,02 Ω och serieinduktans 1, 5 och 10 nH. Minimum är serieresonansen. Över den är kondensatorn en spole.Förstora
En genomföringskondensator monteras genom skärmväggen och har en 360°-anslutning till den, med ESL som är bråkdelen av en vanlig komponents. Den används för att filtrera matningsledningar som går in i en skärmad låda. Flera kondensatorer parallellt kan ge en parallellresonans (antiresonans) mellan deras serieresonanser, där impedansen ökar . I nätfilter begränsas storleken på kondensatorerna mot jord (Y-kondensatorer) av säkerhetsskäl, eftersom de ger en läckström till skyddsjord.
LC-filter#
Ett lågpassfilter av en spole L och en kondensator C har gränsfrekvensen f 0 = 1 / ( 2 π L C ) och dämpar ideellt 40 dB per tiopotens över den. Med L = 100 µH och C = 1 µF blir f 0 = 15,9 kHz och dämpningen vid 150 kHz (där de vanliga gränsvärdena för ledningsbunden emission på nätledningar börjar) ideellt 40 log 10 ( 150 / 15,9 ) = 39 dB. Spolens lindningskapacitans och kondensatorns ESL gör att verklig dämpning vid höga frekvenser blir mycket lägre, så filtret byggs som flera steg och med god layout. Se Resonanskretsar och filter .
Ferriter och common mode-drosslar#
En ferrit är ett magnetiskt keramiskt material. På en ledare ger den en impedans Z = R + j X . Vid låga frekvenser dominerar reaktansen (induktiv). I mitten är förlusterna höga och komponenten verkar som ett motstånd som omvandlar högfrekvent energi till värme. Vid ännu högre frekvenser blir den kapacitiv av lindningens kapacitans. Olika ferritmaterial är optimerade för olika frekvensområden, och komponentens verkliga impedanskurva finns i databladet.
Ferrit och common mode-drossel
Två delar. Vänster: impedansen hos en ferritpärla enligt en enkel modell med 2 mikrohenry, 300 ohm och 1 pikofarad. Kurvor för beloppet, resistiv del och reaktiv del mellan 1 MHz och 1 GHz. Beloppet är 117 ohm vid 10 MHz, högst 300 ohm vid 112 MHz och 141 ohm vid 1 GHz. Höger: schema av en common mode-drossel med två ledare genom en gemensam kärna. Differentialströmmar går i motsatta riktningar och flödena tar ut varandra. Common mode-strömmar går åt samma håll och flödena adderas.
Ferrit, enkel modell
Common mode-drossel
1 MHz
10 MHz
100 MHz
1 GHz
0,1
1
10
100
1000
Frekvens
Impedans (Ω)
Belopp |Z|
Resistiv del R
Reaktiv del |X|
300 Ω
Differentialström (signal)
kärna
flödena tar ut varandra: låg impedans
Common mode (störning)
kärna
flödena adderas: hög impedans
Figur 6. Vänster: exempelmodell av en ferrit (antagna värden). Höger: en common mode-drossel har två lindningar på samma kärna. Differentialströmmen (signalen) tar ut sitt eget flöde, common mode-strömmen får hög impedans.Förstora
Impedansen ökar med kvadraten på antalet varv, Z ∝ N 2 , eftersom induktansen gör det. Om en ferrit har Z = 200 Ω i en slinga på 150 Ω blir dämpningen 20 log 10 ( ( 150 + 200 ) / 150 ) = 7,4 dB. Med tre varv är Z ≈ 9 · 200 = 1800 Ω och dämpningen 20 log 10 ( ( 150 + 1800 ) / 150 ) = 22,3 dB. I verkligheten minskar kapacitansen mellan varven vinsten vid höga frekvenser. Likström genom ferriten kan dessutom mätta kärnan och sänka impedansen.
En common mode-drossel har två lindningar (signal och retur) på samma kärna. Strömmen i signalledaren och dess retur, differentialströmmen, går i motsatta riktningar, och flödena tar ut varandra: signalen passerar med liten påverkan. Common mode-strömmen går åt samma håll i båda ledarna, flödena adderas och drosseln ger hög impedans. Common mode-strömmar är ofta den som strålar, eftersom kabeln då fungerar som antenn.
Räkneexempel: hur liten ström räcker?
En kabel på L = 1 m med common mode-ström I strålar på avståndet r ungefär som en kort dipol, med dubbelt fält av marken i värsta fall: E = 1,26 · 10 − 6 f L I / r (i V/m, f i Hz). Om gränsen är 30 dBµV/m på 10 m (klass B för 30–230 MHz enligt CISPR 32, se Vad är EMC ? ) och f = 30 MHz, tillåts
I = E r 1,26 · 10 − 6 f L = 31,6 · 10 − 6 · 10 1,26 · 10 − 6 · 3 · 10 7 · 1 ≈ 8,4 μ A .
Anta att en switchad nätdel ger en common mode-spänning på 20 mV vid 30 MHz över en slingimpedans på 150 Ω: strömmen blir 133 µA, vilket är 20 log 10 ( 133 / 8,4 ) = 24 dB för mycket. En ferrit med ett varv (7,4 dB) räcker inte, och tre varv (22,3 dB) räcker nästan. Därför måste en bra konstruktion minska common mode-spänningen redan vid källan, med filter och layout, och inte lita på en ferrit på kabeln.
Jordning#
Det som ofta kallas jord är i praktiken inte en jämnpotentiella yta. Varje ledare har induktans, ungefär 1 nH per mm, så en jordledning på 0,5 m är ca 500 nH. Vid 30 MHz är reaktansen 2 π · 3 · 10 7 · 5 · 10 − 7 = 94 Ω. Det är en dålig jord för radiofrekvenser, även om den är bra som skyddsjord vid 50 Hz.
Man skiljer på tre slags jord. Skyddsjord (PE ) är till för personsäkerhet och beskrivs i elinstallationsreglerna. Ändringar i en elinstallation ska göras av behörig person, och skyddsjord får aldrig tas bort eller kopplas om för att lösa ett störningsproblem. Signaljord är referensen för kretsarna, och skärmjord leder bort skärmströmmar. Det här avsnittet gäller de två senare.
Tre grundlösningar finns (se figuren nedan):
Seriejord (kedja): en gemensam jordledare går förbi flera block. Spänningsfallet från ett blocks ström syns på de andra blocken (gemensam impedans). Enkel men sämst.
Enpunktsjord (stjärna): varje block har sin egen ledning till en gemensam punkt. Bra vid låga frekvenser, eftersom ingen gemensam impedans finns och inga jordslingor bildas.
Flerpunktsjord : varje block ansluts med en så kort väg som möjligt till ett jordplan. Bra vid höga frekvenser, där ledningar annars blir för induktiva.
Tre sätt att jorda
Tre paneler. Seriejord: tre block A, B och C längs en gemensam jordledare med en impedans mellan varje block och en jordpunkt längst till höger, vilket ger inbördes störning. Enpunktsjord: tre block med var sin ledning till en enda jordpunkt, bra under ca 1 MHz. Flerpunktsjord: tre block som var och en har en kort anslutning ned till ett jordplan, bra över ca 10 MHz.
Seriejord
Gemensam impedans Z
ger inbördes störning
A
B
C
Z
Z
Enpunktsjord
Bra under ca 1 MHz
ingen gemensam impedans
A
B
C
Flerpunktsjord
Bra över ca 10 MHz
korta anslutningar
A
B
C
Jordplan
Figur 7. Tre sätt att jorda. Gränserna är tumregler: enpunktsjord när den längsta jordledaren är mycket kortare än λ/20, flerpunktsjord vid höga frekvenser och en blandning däremellan.Förstora
En tumregel (Ott) är att enpunktsjord fungerar upp till ca 1 MHz, att flerpunktsjord används över ca 10 MHz, och att mellanläget kräver en kombination (hybridjord). Villkoret är att jordledarna är kortare än ca λ / 20 : vid 1 MHz är det 15 m och vid 10 MHz 1,5 m. Installationsriktlinjer för jordning och kabeldragning ges i IEC TR 61000-5-2.
Jordslingor. När två jordanslutningar bildar en slinga induceras en spänning av magnetfält. För en slinga med arean A i ett fält B med frekvensen f är spänningen V = 2 π f B A . Med B = 1 µT vid 50 Hz och A = 0,5 m² blir V = 0,157 mV. Det räcker för att höras som brum i en känslig ljudkrets, men är försumbart för en digital krets. Åtgärder är att göra slingan mindre, bryta den vid låga frekvenser eller använda balanserade signaler.
Kretskortet: returströmmen tar vägen under signalen#
På ett kretskort med jordplan söker sig returströmmen vid höga frekvenser rakt under signalledaren, eftersom det är vägen med lägst induktans. För en bana på höjden h över planet fördelas returströmmen i sidled som
i ( x ) I = 1 π h · 1 1 + ( x / h ) 2 ,
och andelen inom ± w från banans mitt är ( 2 / π ) arctan ( w / h ) : 50 procent inom ± h , 79,5 procent inom ± 3 h och 93,7 procent inom ± 10 h . Om jordplanet har en slits under banan måste returströmmen ta en omväg, och slingans area ökar.
Returströmmens fördelning i jordplanet
Diagram med avståndet från banans mitt, x/h, från minus 10 till 10 på den vågräta axeln och relativ strömtäthet på den lodräta. En klockformad kurva med topp vid noll avtar långsamt. Området mellan minus 3 och 3 är skuggat. 50 procent av returströmmen finns inom plus minus 1, 79,5 procent inom plus minus 3 och 93,7 procent inom plus minus 10.
−10
−5
−3
−1
0
1
3
5
10
0
0,1
0,2
0,3
Avstånd från banans mitt, x/h
Relativ strömtäthet, i·h/I
Andel av returströmmen
inom ±h: 50 %
inom ±3h: 79,5 %
inom ±10h: 93,7 %
Figur 8. Returströmmens fördelning i ett jordplan under en bana, normerad mot avståndet h till planet. Strömmen följer banan tätt, och ett jordplan utan avbrott under signalen är därför viktigt.Förstora
En liten slinga med arean A och strömmen I strålar i fjärrfältet ungefär E = 131,6 · 10 − 16 f 2 A I / r (i V/m, i fritt rum, f i Hz, A i m²).
Räkneexempel: klocksignalens slinga
En klocksignal har en slinga på A = 5 cm² och strömmen I = 20 mA vid 100 MHz. På r = 10 m ger formeln E = 131,6 · 10 − 16 · 10 16 · 5 · 10 − 4 · 0,02 / 10 = 132 µV/m, alltså 42,4 dBµV/m. Det är 12,4 dB över klass B-gränsen på 30 dBµV/m. Om slingans area minskas fyra gånger (genom att layouten läggs om så att returströmmen går tätt intill) minskar fältet med 20 log 10 4 = 12,0 dB till 30,3 dBµV/m, i princip vid gränsen. Provning med reflekterande jordplan kan ge upp till ca 6 dB högre värde, och formeln gäller små slingor, så exemplet visar principen, inte ett utfall.
Regler för kretskortslayout som följer av detta är att lägga signaler över ett obrutet jordplan, aldrig låta snabba signaler korsa en slits i planet, ha avkopplingskondensatorer så nära kretsens ben som möjligt med korta anslutningar till planet och filtrera varje ledning vid den kontakt där den lämnar kortet.
Praktiska råd#
Säkerhet
Filter, nätdelar och kondensatorer kan innehålla farlig spänning, och kondensatorer kan vara laddade en lång stund efter att utrustningen stängts av. Öppna inte nätansluten utrustning om du inte har kunskap och behörighet, och rör inte elinstallationens skyddsjord. För ingrepp i fasta installationer, anlita en behörig elektriker.
Börja med att hitta källan. Stäng av enheter en i taget och lyssna på radion. Se Radiostörningar och Vanliga störkällor .
Kontrollera kablarna. Kabeldragning och skärmanslutning är vanliga orsaker i solcellsanläggningar.
Använd ferriter för common mode. Dra kabelparet (båda ledarna) genom en ferrit med flera varv. Placera helst en ferrit vid varje ände av en kabel.
Filtrera ledningar vid väggen. Filter och genomföringar hör hemma där kabeln går in i en skärmad låda.
Mät i stället för att gissa. Förändringen ska kunna visas med en mottagare. Se Mätinstrument .
Vem tar emot en anmälan?
Privatpersoner ansvarar själva för att deras produkter och anläggningar inte stör. Elsäkerhetsverket tar emot anmälningar av störande utrustning (e-tjänst) och har sidor om solceller som stör. De flesta anmälningar gäller kortvåg, och flest solcellsärenden kommer från radioamatörer. PTS utreder framför allt störningar mot tillståndsbelagd radio, och normalt inte störningar mot tv- och ljudradiomottagning eller tillståndsfria frekvenser.
Kontrollfrågor#
Vad är skinndjupet i koppar vid 1 MHz, och vad betyder det?
δ ≈ 66 μ m . Växelströmmen går i ytskiktet, och amplituden har på djupet δ sjunkit till ca 37 procent. En ledare behöver inte vara tjockare än några skinndjup.
Räkna: hur stor är absorptionsförlusten för en plåt som är 2 skinndjup tjock?
A = 8,686 · t / δ = 8,686 · 2 ≈ 17,4 dB.
Varför är magnetfält vid låga frekvenser svårare att skärma än elektriska?
Reflektionsförlusten beror på vågimpedansen. Nära en strömkälla är den låg, och därför reflekteras magnetfältet svagt av metallen. Elektriska fält har hög vågimpedans och reflekteras kraftigt.
Vad ger en slits på 10 cm för skärmverkan vid 1 GHz?
λ = 30 cm, så S E ≈ 20 log 10 ( 30 / ( 2 · 10 ) ) = 3,5 dB. Slitsens längsta mått avgör.
Varför fungerar ett honeycomb-galler som ventilation för skärmrum?
Varje hål är en vågledare under sin gränsfrekvens, och dämpningen är ca 32 t / d dB. Med djup fyra gånger diametern blir det ca 128 dB.
Räkna: vid vilken frekvens har en kondensator på 100 nF med 10 nH serieinduktans sin serieresonans?
f = 1 / ( 2 π L C ) = 1 / ( 2 π 10 − 8 · 10 − 7 ) ≈ 5,0 MHz. Över den är komponenten induktiv.
Varför är en svans på skärmen sämre än en 360-gradersanslutning?
Svansen har en induktans på ca 1 nH per mm. En svans på 20 mm har vid 100 MHz en reaktans på 12,6 Ω, som begränsar skärmens verkan. Vid 360° delas strömmen runt omkretsen och induktansen blir mycket liten.
När är enpunktsjord lämplig och när flerpunktsjord?
Enpunktsjord är lämplig vid låga frekvenser (under ca 1 MHz, när jordledarna är kortare än ca λ / 20 ), eftersom den undviker jordslingor och gemensam impedans. Flerpunktsjord är lämplig vid höga frekvenser (över ca 10 MHz), där korta anslutningar till ett jordplan krävs.