Elektro-magnetische afscherming
Waar, wanneer en hoe

Afschermen is een snelle methode om aan wettelijke eisen te voldoen of storingen op te lossen met betrekking tot elektro-magnetische golven. Voor aantallen tussen 1 en 5.000 stuks is deze methode in het algemeen het meest kostenbesparend. Bij grotere aantallen en bij beschikbaarheid van een eigen EMC-lab zijn andere oplossingen denkbaar.

Storingen kunnen worden overgebracht door straling en geleiding. Bij frequenties beneden 10 MHz speelt geleiding een belangrijke rol. Hierbij kunnen storingen worden overgebracht door voeding- en signaalkabels. Om dit te voorkomen zijn filters en ferrieten beschikbaar.
Vanaf 10 kHz echter begint straling al een rol te spelen, die toeneemt naarmate de frequenties hoger zijn. Om dit tegen te gaan dient de afscherming, het rondom "inpakken" van een product met een geleidende laag.

Hoe?
Door de afscherming wordt het probleem als het ware "ingepakt". Bij hogere frequenties (> 40 MHz) geven zeer dunnen geleidende lagen reeds voldoende afscherming. Wel moeten alle kleine kiertjes afgedicht worden met gaskets, omdat de golven van hoge frequenties, net als licht, overal doorheen tussendoor dringen.
Bij lagere frequenties, in het kHz-gebied en lager, zijn dikkere lagen nodig of speciale legeringen (mu-metaal, mu-ferro).
Bij zeer hele lage frequenties (50 Hz-brommen) en militaire toepassingen (EMP) zijn zeer zware, veelal gelaste constructies nodig.

Kosten
Als heel globale richtlijn kan gesteld worden dat afscherming ca. 5 tot 10% van de totale prijs van een apparaat of systeem in beslag neemt. Een goed afgeschermde behuizing kan hierdoor echter een veelvoud kosten van een niet afgeschermde. Door reeds in de ontwerpfase rekening te houden met het afschermen kan kostenbesparend worden gewerkt.

Kwaliteit van de afscherming
De kwaliteit van afscherming wordt uitgedrukt in dB. Hiermee wordt de mate van veldverzwakking tussen het in- en uitwendige van een apparaat aangegeven:
40 dB – factor 100
60 dB – factor 1.000
80 dB – factor 10.000
100 dB – factor 100.000
120 dB – factor 1.000.000
Hoe meer demping, hoe meer de constructie zal kosten. Voor commerciële apparatuur is 40 tot 60 dB een normale waarde. De demping hangt af van het frequentiegebied en wordt bepaald door de kwaliteit van de constructie en de gebruikte afschermmaterialen.

Hoeveel demping nodig?
De benodigde demping hangt af van de wettelijke eisen: hoeveel uitgestraalde storing is acceptabel en hoeveel storing veroorzaakt het apparaat. Het verschil dient de minimale demping te zijn. Hetzelfde geldt voor hoe gevoelig een apparaat voor storing is en aan welke velden het wordt blootgesteld of (wettelijk) moet kunnen worden blootgesteld. Waarden worden weergegeven in CISPR-, FCC-, VDI-normen, e.a. Voor statische elektriciteit gelden weer andere normen.

EMC-metingen: striptease methode
De snelste en beste resultaten worden meestal bereikt door experimenteel onderzoek: "trial and error".
Zinvol is om voordat men een keuringsinstantie een product laat testen eerst een productspecialist raadpleegt. Een apparaat kan zonodig "iets overdreven" worden ingepakt. Als blijkt dat de normen gehaald worden, kan vervolgens naar economie geoptimaliseerd worden door afschermingen te verwijderen.

Waar afschermen?
Hieronder worden in het kort de diverse opties genoemd.
Afschermen bij de bron:
Het is mogelijk om metalen kapjes op de printplaat te plaatsen. Op deze wijze worden de componenten die veel storing veroorzaken afgeschermd. Diverse maten zijn meestal uit voorraad leverbaar, maar productie volgens tekening behoort uiteraard ook tot de mogelijkheden. Ook kan gekozen worden voor kapjes met een losneembaar dekseltje. Montage op de printplaat kan door middel van soldeerpins, klem- of schroefverbindingen.
Gehele printplaat afschermen:
De printplaat wordt verpakt in een voorgevouwen "envelope". De binnenzijde hiervan is geïsoleerd om kostsluiting te voorkomen.
Behuizing afschermen:
Een grote hoeveelheid pakkingsmaterialen is beschikbaar om kieren en naden in behuizingen of kasten elektro-magnetisch af te dichten. Ook vingerstrips kunnen hiervoor worden toegepast. Indien de behuizing tevens spatwaterdicht dient te zijn, dan kunnen gecombineerde gaskets worden toegepast. Bij een waterdichte verbinding waar enige druk op kan treden, wordt Multishield plaatmateriaal toegepast. Voor hogere drukken en/of kleine inbouwmaten is elektrisch geleidend rubber in de vorm van profielen en platen de meest aangewezen methode.
Kunststof behuizing:
Bij het afschermen van een kunststof behuizing gaat het in eerste instantie om het EMC-dicht maken van het kunststof. (Het afdichten van eventuele kieren en gaten werd hierboven reeds vermeld).
Voor het afschermen van kunststof behuizingen zijn een aantal mogelijkheden beschikbaar:
- geleidende coatings
– metallisatie
- geleidende kunststoffen
- afgeschermde bekleding
Kabels:
Niet geaarde of gefilterde kabels werken als een antenne en voeren signalen toe en af door de afscherming. Derhalve dienen deze afgeschermd te zijn of direct na "binnenkomst" in de afscherming te worden gefilterd. Bij afgeschermde kabels moet de mantel 360° rondom contact maken. Hiervoor bestaan speciale kwartels. Voor het invoeren van meerdere kabels zijn invoersystemen beschikbaar met elektrisch geleidende rubber afdichtingen. Voor het afschermen van de kabel zelf zijn kousen beschikbaar in diverse maten of deze kunnen worden omwikkeld met Wrapshield. Ook is het mogelijk met ferriet-kralen en clamps hoog-frequente componenten "af te filteren". Filters dienen door middel van een goede gasket contact te maken met de afscherming. Dit contact is bepalend voor de werking van het filter.
Ventilatie:
Het toe- en afvoeren van verse lucht, waarbij straling wordt tegengehouden, is mogelijk door gebruik te maken van speciale roosters. Een veel gebruikt product hiervoor is de honeycom-vent.
Elektrisch geleiden glas:
Voor het afschermen van paneelmeters en displays zijn verschillende mogelijkheden: geleidende folie, glas met een geleidende laag, glas of kunststof met een speciaal gelamineerd afschermgaas.
Elektrisch geleiden textiel:
Voor flexibele afdichtingen zijn elektrisch geleidende textielsoorten ontwikkeld. Hieruit kunnen afschermstrips, banden, bekledingen en zelfs tenten worden vervaardigd.
Elektrisch geleidende lijmen en tapes:
Elektrisch geleidende verbindingen kunnen tot stand gebracht worden door lijmen of door tapes met een geleidende laag toe te passen.
Kooi van Faraday:
Voor meetkamers, medische onderzoekruimten, radarkamers en ruimten voor veiligheidsdiensten zijn
er diverse mogelijkheden:
- Tenten van geleidend materiaal
- Mareriaal dat zich als behang laat verwerken. Dit zgn. Mu-copper maakt van een bestaande ruimte een kooi van Faraday, met een typische demping van 40 – 60 dB
- Prefab kooien van Faraday: losneembare elementen, welke snel gemonteerd kunnen worden. Demping 100 tot 120 dB.
- Gelaste ruimten: meestal toegepast voor EMP-protectie en andere militaire activiteiten.
Met dank aan de heer F. Broekhuizen van Holland Shielding Systems bv

Protection électromagnétique
Où, quand et comment ?

La protection constitue une méthode rapide pour satisfaire aux exigences légales ou pour éliminer des perturbations relatives aux ondes électromagnétiques. Pour des quantités situées entre 1 et 5.000 pièces, cette méthode s’avère généralement la plus économique. D’autres solutions sont imaginables pour des quantités plus importantes et lorsqu’on dispose d’un propre laboratoire EMC.

Les perturbations peuvent être transmises par le rayonnement et par la conduction. Dans le cas de fréquences inférieures à 10 MHz, la conduction joue un rôle important. Des perturbations peuvent ainsi être transmises via les câbles d’alimentation et de signalisation. Pour éviter ce phénomène, on dispose de filtres et de ferrites.
A partir de 10 kHz, le rayonnement commence toutefois à jouer un rôle qui va en grandissant au fur et à mesure que croissent les fréquences. Pour lutter contre ces perturbations, il convient de protéger ou en quelque sorte «d’emballer» ce produit à l’aide d’une couche conductrice.

Comment?
Grâce à la protection, le problème est comme «emballé». A des fréquences plus élevées (> 40 MHz), de très fines couches conductrices offrent déjà une protection suffisante. Il faut toutefois veiller à ce que le moindre interstice soit obturé à l’aide de joints d’étanchéité, car les ondes, tout comme la lumière, passent partout. Dans le cas de fréquences plus faibles, dans la plage des kHz ou inférieures, les couches doivent être plus épaisses ou être composées d’alliages spéciaux (mu-métal, mu-ferro). Les fréquences particulièrement basses (ronflements magnétiques de 50 Hz) et les applications militaires (EMP) nécessitent des constructions plus lourdes, généralement soudées.

Coûts
Comme directive très globale, on peut dire que la protection représente environ 5 à 10% du prix total d’un appareil ou d’un système. Le prix d’un boîtier bien protégé peut ainsi constituer un multiple de celui d’un boîtier non protégé. En tenant compte de la protection dès la phase de la conception, on peut réaliser des économies considérables.

Qualité de la protection
La qualité de la protection est exprimée en dB. Cette valeur indique l’affaiblissement du champ entre la partie intérieure et la partie extérieure d’un appareil:
40 dB – facteur 100
60 dB – facteur 1.000
80 dB – facteur 10.000
100 dB – facteur 100.000
120 dB – facteur 1.000.000
Plus l’amortissement est important, plus élevé sera le coût de la construction. Une valeur de 40 à 60 dB est considérée comme normale pour un appareillage commercial. L’amortissement dépend de la plage de fréquences et est déterminé par la qualité de la construction et des matériaux de protection utilisés.

Quel est l’amortissement nécessaire?
L’amortissement nécessaire est fonction des exigences légales : quelle est la quantité acceptable de perturbations et quelle est la quantité de perturbations produites par l’appareil. La différence entre les deux doit être l’amortissement minimal. La même règle s’applique à la sensibilité d’un appareil et aux types de champs auxquels il est exposé ou doit pouvoir être (légalement) exposé. Les valeurs sont exprimées en normes CISPR, FCC, VDI, e.a. D’autres normes sont prévues pour l’électricité statique.

Mesures EMC: méthode strip-tease
Les résultats les plus rapides et les plus appropriés sont généralement obtenus via la recherche expérimentale de type "trial and error".
Avant de faire tester un produit par une instance d’inspection, il est judicieux de consulter un spécialiste au niveau des produits. Si nécessaire, l’emballage d’un appareil peut être «légèrement exagéré». S’il s’avère que les normes sont obtenues, on peut ensuite optimaliser l’aspect économique de l’appareil en éliminant des protections.

Les diverses options sont brièvement énumérées ci-dessous.
Protéger à la source
Il est possible de placer des petits capuchons métalliques sur le circuit imprimé. De cette façon, on protège les composants qui sont la cause d’importantes perturbations. Diverses tailles sont généralement disponibles de stock, mais la production d’après un dessin fait bien entendu partie des possibilités. On peut également opter pour des capuchons avec un couvercle détachable.
Le montage sur le circuit imprimé peut être réalisé à l’aide de points de soudure ou de connexions à serrer ou à visser.
Protéger l’ensemble du circuit imprimé
Le circuit imprimé est emballé dans une «enveloppe» pré-pliée. L’intérieur de l’enveloppe est isolé afin d’éviter des courts-circuits.
Protéger le boîtier
Un choix important de matériaux d’emballage est disponible pour permettre une obturation électromagnétique des interstices et des jointures dans les boîtiers ou dans les caissons. Des strips peuvent également être utilisés. Si le boîtier doit également être étanche au niveau des éclaboussures d’eau, on peut opter pour des joints combinés. Les connexions étanches à l’eau qui peuvent être soumises à une certaine pression réclament des tôles de type «Multishield».
Pour les pressions plus importantes et/ou les dimensions d’intégration plus réduites, le caoutchouc à conductibilité électrique sous forme de profilés et de plaques s’avère la méthode la plus indiquée.
Boîtier en matière synthétique
Dans le cas de la protection d’un boîtier en matière synthétique, il s’agit en première instance de rendre la matière synthétique étanche au niveau EMC (L’obturation d’interstices et des trous éventuels a déjà été mentionnée ci-dessus).
Un certain nombre de possibilités sont disponibles pour la protection de boîtiers en matière synthétique :
- des revêtements conducteurs
- la métallisation
- les matières synthétiques conductibles
- un revêtement protégé

Câbles
Les câbles sans mise à la terre ou non filtrés font office d’antenne et transportent des signaux à travers la protection. Ils doivent dès lors être protégés ou alors être filtrés immédiatement après la «pénétration» dans la zone protégée. Pour les câbles protégés, l’enveloppe doit faire contact tout autour à 360°. Des manchons de serrage sont prévus à cet effet.
Pour l’introduction de plusieurs câbles, il existe des systèmes spéciaux équipés de joints en caoutchouc à conduction électrique. Des braies sont disponibles en différentes tailles pour la protection du câble même ou on peut enrober celui-ci de matériaux de type «Wrapshield».
Il est également possible de «filtrer» des composants à haute fréquence à l’aide de boudins ou de crampons en ferrite. Les filtres doivent faire contact avec la protection au moyen d’un joint adéquat. Ce contact est déterminant pour le fonctionnement du filtre.

Ventilation
L’approvisionnement et l’évacuation d’air frais, permettant ainsi de bloquer des rayonnements, sont possibles en utilisant des grilles spéciales. Un produit fréquemment utilisé dans ce sens est le «honeycom-vent».

Verre à conductibilité électrique
Différentes possibilités existent pour la protection de compteurs et d’écrans sur les panneaux : une pellicule conductrice, du verre pourvu d’une couche conductrice, du verre ou une matière synthétique pourvu d’une gaze de protection à laminage spécial.

Textiles à conductibilité électrique
Des textiles à conductibilité électrique ont été développés pour des obturations flexibles. Ce matériau permet la fabrication de strips, de bandes, de revêtements et même de tentes de protection. Des colles et des tapes à conductibilité électrique. Les liaisons à conductibilité électrique peuvent être réalisées en appliquant des colles ou des tapes pourvus d’une couche conductrice.

Cage de Faraday
Diverses possibilités existent pour les salles de mesure, les locaux prévus pour les examens médicaux, les salles de radar et les espaces réservés aux services de sécurité :
- Tentes fabriquées en matériaux conducteurs
- Des matériaux qui sont utilisés comme du papier peint. Ces types de matériaux appelés «Mu-copper» transforment un espace existant en une cage de Faraday, avec un amortissement typique de 40 – 60 dB
- Des cages de Faraday préfabriquées : des éléments détachables, qui peuvent être montés rapidement. Amortissement de 100 à 120 dB.
- Des espaces soudés : généralement appliqués pour la protection EMP et autres activités militaires.
Avec tous nos remerciements à monsieur F. Broekhuizen de Holland Shielding Systems bv.