Vielä joitakin aikoja sitten sähkölaitteiden maadoittamiselle ajateltiin vain yksi keskeinen syy: turvallisuus. Vaikka ihmisten suojaaminen sähköiskuilta on edelleen ensiarvoisen tärkeää, myös modernin kulutuselektroniikan häiriöille herkät multimedia- ja viestintätoiminnot vaativat vankan ja kattavan maadoitusstrategian kehittämistä laitteille ja järjestelmille.

Maadoitus on monisyinen aihealue, mutta sen keskeistä osaa herkkien ja suorituskykyisten elektroniikkalaitteiden suojaamisessa ei saa unohtaa. Oikein suunnitellun maadoituksen avulla voidaan välttää virtapiirien vikoja ja niiden aiheuttamia komponenttivaurioita. Sen avulla voidaan myös estää staattisen sähkön kertyminen ja jopa parantaa laitteiden ja järjestelmien suorituskykyä minimoimalla sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vaikutukset.

Yhteinen maataso

Elektroniikassa sovelletaan monenlaisia maadoitusratkaisuja, mutta kaksi yleisintä ovat järjestelmän elektroniikkapiirien yhteismaa sekä laitekotelon tai -telineen runkomaadoitus.

Toisin kuin maaperään kytketty maadoitus, elektroniikan yhteismaa ei ole fyysinen maataso, vaan se on elektroniikkapiirien yhteinen vertailupiste jännitemittauksia varten. Antamalla tasavirtalähteen negatiivisen navan toimia yhteisenä maatasona ja kytkemällä toisen DC-lähteen positiivinen napa samaan pisteeseen, piirissä voidaan käyttää yhtaikaa sekä positiivista että negatiivista teholähdettä.

Tämän seurauksena piirin sisäinen kytkentäkonfiguraatio ja nollajännitteen referenssiksi valittu piste määräävät, onko syöttöjännite positiivinen vai negatiivinen. Tämä lähestymistapa on erityisen tärkeä laitteissa, jotka käyttävät akkuvirtaa. Tällaisia ovat monet nykyaikaiset kulutuselektroniikkalaitteet, joissa ei ole maadoitusliitäntää johdotuksen kautta.

Rungon maadoitus taas tarkoittaa maadoitusliitäntää, joka yhdistää laitteen tai järjestelmän kaikki metalliosat fyysisesti maahan eli maaperän nollatasoon. Kiinteästi sijoitetut audiolaitteet ja kodinkoneet ovat tyypillisiä laitteita, jotka vaativat runkomaadoituksen.

Materiaalilla on väliä

Loppujen lopuksi kaikki sähkölaitteet tarvitsevat jonkin tyyppisen maadoituksen, ja useita erilaisia materiaaliratkaisuja voidaan ottaa käyttöön tämän tarkoituksellisen ja elintärkeän sähköisen polun luomiseksi. Näihin innovatiivisiin materiaaleihin liittyvä lisäarvo on eri laitteissa yleensä samankaltainen ja keskeisellä sijalla ovat sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet: sähkönjohtavuus, EMI- ja RFI-suojauskyky, mekaaninen kestävyys ja helppo asennettavuus.

EMI- tai RFI-muodossa esiintyvä sähköinen kohina voi olla erityisen haitallista, koska se vaikuttaa heikentävästi elektronisten piirien suorituskykyyn, mikä taas aiheuttaa virheitä esimerkiksi anturimittauksiin ja saattaa johtaa herkkien laitteiden vakaviin toimintahäiriöihin.

On monenlaisia tapoja, joilla maadoitus voi auttaa vähentämään sähköistä kohinaa. Ensinnäkin maadoitus tarjoaa vakaan vertailujännitetason (yleensä 0 V) kaikille laitejärjestelmän elektronisille piireille. Tämä yhteinen vertailupiste mahdollistaa entistä tarkemmat ja toistettavammat signaalimittaukset vähentämällä kohinan vaikutusta.

Lisäksi maadoitus muodostaa matalaimpedanssisen polun kohinavirroille, jotta ne voivat helposti kulkea takaisin lähteeseensä tai maatasoon. Maadoitus auttaa estämään näiden virtojen kytkeytymisen piireihin ja vähentää niiden vaikutusta järjestelmän suorituskykyyn ohjaamalla kohinavirrat pois herkistä elektronisista komponenteista. Tämä on usein saavutettavissa käyttämällä sähköä johtavaa tiivistettä tai maadoitusratkaisua (Kuva 1.)

Suunnitteluvaatimuksista riippuen sopivat tiivisteet voivat olla materiaaliltaan johtavaa vaahtomuovia/kangas-vaahtomuovia, johtavaa elastomeeriä tai sormimaisiksi joustimiksi muokattua metallilevyä (fingerstock).

Kuva 1. Sähköä johtavat tiivisteet ja elastomeerit vähentävät EMI-häiriöiden vaikutuksia järjestelmän suorituskykyyn.

Vaahtomuoviratkaisut

Kangas-vaahtomuovitiiviste koostuu sähköä johtavasta kankaasta, joka on kiedottu uretaani- tai silikonivaahdon ympärille. Tämä kustannustehokas ratkaisu, jota käytetään yleisesti piirilevytason maadoituksissa, tarjoaa hyvän johtavuuden ja vaatii vain vähäisen puristusvoiman. Tämä tekee siitä ihanteellisen ratkaisun lähes kaikkiin sisätilojen maadoitus- ja EMI-suojaussovelluksiin.

Johtaviin vaahtomuovitiivisteisiin puolestaan on upotettu sähköä johtavia kuituja. Niitä toimitetaan nauhoina, levyinä tai rullatavarana stanssausta varten. Kangas-vaahtomuovitiivisteiden tapaan nekin ovat kustannustehokkaita ja tarjoavat korkean johtavuuden alhaisella puristusvoimalla.

Monet nykyaikaiset sovellukset voivat hyödyntää sähköä johtavia vaahtoja tai kankaita etenkin, kun otetaan huomioon muutamia alan nykyisiä suuntauksia ja tekijöitä. Esimerkiksi kompakti koko on ollut pitkäaikainen tavoite kulutuselektroniikan laitteissa, varsinkin kytke ja unohda -periaatteella käytettävissä passiivilaitteissa kuten taustalla toimivissa reitittimissä. Niissä puolijohdekomponentit ovat yhä pienempiä ja piirilevyt tiiviimpiä. Fyysisen koon kutistumisesta huolimatta elektroniset komponentit ja järjestelmät ovat yhä suorituskykyisempiä.

Tämän seurauksena on syntynyt kasvava kysyntä suurella tarkkuudella stanssatuista piirilevytason metallisuojuksista sekä kotelorakenteen eri onteloiden välisistä EMI-eristystiivisteistä häiriöiden ja ylikuulumisen estämiseksi. Sähköä johtavat vaahtomuovit tai kankaat tarjoavat monissa tapauksissa ihanteellisen ratkaisun, koska ne toimivat maadoitusosina piirilevyjen, RF-suojusten ja jäähdytyselementtien välillä. Sähköä johtavat vaahtomuovit ja johtavalla kankaalla päällystetyt vaahdot eivät kuitenkaan ole optimaalinen ratkaisu elektronisille laitteille, jotka ovat suoraan ympäristön vaikutuksen alaisina.

Muita vaihtoehtoja

Ympäristölle alttiissa sovelluksissa hyvä materiaalivaihtoehto vaahtomuovipohjaisille ratkaisuille on sähköä johtava elastomeeri. Sähköä johtavia hiukkasia sisältävät joustavat elastomeerit sopivat erinomaisesti laiterungon maadoitukseen sekä koteloiden EMI-suojaukseen ja liittimien maadoitukseen.

Erityisesti tulee huomata, että johtavat elastomeerit sietävät hyvin erilaisia nesteitä ja suojaavat siten laitteita galvaaniselta korroosiolta, mikä varmistaa tuotteen pitkän käyttöiän. On kuitenkin syytä huomata, että tämä ratkaisu todennäköisesti vaatii hieman suurempaa puristusvoimaa riittävän maadoituksen saavuttamiseksi.

Metallilevystä sormimaisiksi joustimiksi muokattu fingerstock-maadoitusliuska (Kuva 2) tarjoaa erilaisen lähestymistavan sähköistä maadoitusta ja suoraa metalli-metallikontaktia varten. Hyvän virransiirtokykynsä ansiosta tämä ratkaisu on ihanteellinen toistuvasti, jopa tuhansia kertoja kytkettäviin suuren puristusvoiman maadoituksiin. Monien muiden maadoitusvaihtoehtojen tapaan tämä ei kuitenkaan tarjoa suojaa ympäristöoloilta.

Kuva 2. Metallilevystä sormimaisiksi joustimiksi muokattu fingerstock sopii erinomaisesti toistuvasti kytkettäviin suuren puristusvoiman maadoituksiin.

Toinen vaihtoehto voi olla metalliverkkotiiviste: periaatteessa metallilangasta kudottu verkko koteloiden, laiterungon ja johtoliitosten maadoitukseen sekä EMI-suojaukseen. Metalliverkkotiivisteet on tarkoitettu erityisesti sovelluksiin, joissa tarvitaan pieniä pyöreitä tai suorakaiteen muotoisia EMI-tiivisteitä: aaltoputkien kiinnityslaipat, akselit, pienet kotelot. Tämä kustannustehokas ratkaisu tarjoaa suoran metallikontaktin, mutta sekään ei anna suojaa ulkoilman vaikutuksilta.

Maadoitus ja suojaus yhdessä

Täydentävä tapa vähentää sähköistä kohinaa on ottaa käyttöön maadoitettuja metallisuojuksia (kuva 3). Niitä voidaan hyödyntää esimerkiksi laitekoteloille ja kaapeleille. Tämä lähestymistapa voi auttaa estämään kohinaa aiheuttavien sähkömagneettisten kenttien siirtymistä laitteen sisään tai ulos siitä. Kun suojus kytketään maatasoon, se toimii esteenä, joka absorboi tai heijastaa sähkömagneettista säteilyä ja näin estää sitä häiritsemästä elektronisia komponentteja.

Kuva 3. Stanssatut metallisuojukset vähentävät EMI-häiriöiden vaikutuksia piirilevyihin.

Monet maadoitustuotteet voivat rakenteeltaan toimia myös EMI-suojausvälineinä, jolloin ne toimivat sähköä johtavana rajapintana suojausrakenteiden ja maadoitettujen pintojen välillä. Nämä maadoitetut pinnat voivat olla osana itse koteloa tai piirilevyille tehtyjä maatasoja. On tärkeää, että suojapinnassa on mukana maadoitusliitäntä, sillä muuten se ei tarjoa haluttua suojaustasoa.

Viime kädessä vain strateginen maadoitus ja oikein spesifioidut tuotteet kykenevät pitämään elektroniikan toiminnassa turvallisesti ja optimaalisesti. Maadoitus auttaa säilyttämään kaikkien erimuotoisten, erikokoisten ja toiminnoiltaan erilaisten elektronisten piirien ja laitteiden eheyden ja korkean suorituskyvyn. Tähän päästään kolmella tavalla: tarjoamalla vakaa vertailujännitetaso, muodostamalla alhaisen impedanssin polku kohinavirroille ja suojaamalla elektronisia komponentteja häiriöiltä.

Riippumatta eri sovellusten maadoitukseen liittyvistä erityisistä tarpeista tai syistä Parker Chomerics voi tarjota laajan valikoiman materiaaliratkaisuja. Ne vastaavat kaikkiin elektroniikkasuunnittelun asettamiin vaatimuksiin, jotka edellyttävät korkeaa suorituskykyä, luotettavuutta ja kustannustehokkuutta.

Lisätietoja aiheesta voi hakea täältä.