Länk till: Del 1, Del 2, Del 3, Del 4, Del 5
Hur fungerar jordplan egentligen?
Del 6. (Publicerat i emc MAGAZINE nr 5, 1999Torbjörn Karlsson, Emicon
Vi har sett i tidigare avsnitt hur ett jordplan skapar en kraftfull referens för kretsar som befinner sig i dess närhet. Kretsarnas avstånd till planet får inte vara för stort och de bör inte befinna sig för nära jordplanets kant. Vi ska denna gång se hur en slits i jordplanet kan förstöra den önskade jordplansfunktionen. En slits uppstår ibland av misstag, som när genomföringshål kommer alltför tätt, eller i somliga fall medvetet, i missriktat syfte att undvika störningar genom att dela sönder jordplanet i flera mindre delar. Det senare förtjänar för övrigt ett eget kapitel och vi ska inte fördjupa oss i det denna gång. Men redan nu vill jag varna för att dela sönder jordplan. Det skapar fler störningar än det kurerar vilket går att bevisa både i teori och praktik.
En slits någonstans i ett jordplan gör att strömmar inte kan gå fritt i alla riktningar i hela jordplanet. Strömmar som skulle behövt passera där slitsen sätter stopp skapar nu i stället en hel del obehag.
Vi föreställer oss en enkel transmissionsledning med en rak ledande tråd över jordplanet. Återledningen sker i jordplanet med en strömfördelning enligt figur 1.
Figur 1. Strömfördelning i ett jordplan under en ledande tråd som för ström i y-axelns riktning med x-koordinat 0, på höjden 0,5 . Strömtätheten är störst under tråden och avtar utåt kanterna.
Jordplanet gör samma tjänst för transmissionen som en annan trådledare skulle göra om den befunne sig i spegelpunkten under planet. Strömmen i jordplanet går i motsatt riktning mot strömen i ledaren över planet. Om det finns en tvärgående slits i jordplanet måste strömmen ta omvägen runt slitsen, vilket påverkar transmissionen. Slitsen fungerar på samma sätt som en serieinduktans och en negativ shunt-kapacitans skulle göra på spegelledaren. Den negativa kapacitansen kan vara svår att föreställa sig men om man betänker att det alltid finns en kapacitans mellan ledare och jordplan innebär det bara att denna kapacitans minskar på grund av hålet vilket motsvarar en diskret negativ kapacitans. Formler för hur induktansen och den negativa kapacitansen kan beräknas finns på www.emicon.com, där för övrigt också alla tidigare jordplansartiklar finns tillgängliga.
I EMC-sammanhang kanske inte transmissionsförlusterna upplevs lika viktiga som den utstrålade störning som blir ett resultat av strömmens omväg runt slitsen. I figur 2 och figur 3 kan man se att strömkoncentrationen blir starkast vid slitsens ändpunkter. Ju längre slitsen är, desto mer ström måste tränga sig runt. Avstånd mellan ledare och jordplan och storlek på slits har valts så att effekterna blir tydliga i figurerna, men samma principer gäller givetvis om man anpassar storleken till praktiskt förekommande mått.
Figur 2. Strömfördelning i jordplanet omkring en slits som ligger symmetriskt under ledaren. Pilarnas längd motsvarar strömtätheten vid fotpunkten, vilket gör att figuren ser litet osymmetrisk ut.
Den extra väg som strömmen nu får ta gör att det skapas en obalans i transmissionsledningen vid slitsen. Strömmar tvingas gå i andra riktningar i jordplanet än under trådledaren. Störningsfältet är beroende på hur stor slinga som strömmen i jordplanet omkretsar. I runda tal är störningen proportionell mot slingans yta. Men ett symmetriskt fall som i figurerna 2 och 3 kan ge mindre störning än ett osymmetriskt fall som i figur 4. Transmissionen påverkas i allmänhet mer i det symmetriska fallet.
Om man nu råkat få en slits på tvären under en ledare skulle man förstås helst vilja fylla igen slitsen helt, men det kan ibland vara tillräckligt att lägga ett ledande band tvärs över slitsen alldeles under trådledaren. Genom att studera figurerna 2 och 4 kan man förstå att det är just där strömmen helst vill gå.
Figur 3. Strömtätheten i jordplan med slits. Strömmen försöker gå så nära ledaren som möjligt, men hindras av slitsen i y = 0. Vid slitsens ändar bildas stark strömkoncentration.
Figur 4. Strömfördelning omkring en osymmetriskt belägen slits. Genom att strömmen blir osymmetrisk kan detta fall vara värre än om slitsen hamnar mitt under tråden.
Det var allt för den här gången.
Studera vad som händer med strömfördelningen när slitsen varieras på olika sätt med gratis program på www.emicon.com
Torbjörn Karlsson
Torbjorn@Emicon.se