Elektricky vodivá těsnění zlepšují stínění EMI u kovových a pokovených krytů a současně zkvalitňují elektricky vodivé spoje a v některých případech i strukturální uzemnění. U těchto spojení se primárně jedná o vysokofrekvenční spoje, nikoli o elektrická bezpečnostní spojení určená k přenosu vysokých proudů v případě zkratu či poruchy. Mohou také částečně zajišťovat ochranu letadla před úderem blesku (LS/EMP), avšak v takovém případě se jedná o málo významnou sekundární funkci, protože většinu proudu budou přenášet jiné konstrukce. Tento odpor může být pouhých 2,5 mΩ a jeho dosažení není obtížné, pokud k propojení příslušných dvou dílů konstrukce používáte kovové spojovací pásky. V některých případech, například u typického konektoru Mil-C-38999, je však použití pásků nemožné nebo nepraktické. Vodivý spoj mezi konektorem a tělesem místo toho zajišťují šrouby společně s vodivým plochým těsněním nebo O-kroužkem.
U spojení tohoto typu bohužel občas dochází k následujícímu jevu: elektrický odpor obvykle začíná na hodnotě R mΩ a poté se v průběhu dnů či týdnů bez zjevného důvodu postupně zvyšuje na trojnásobek až čtyřnásobek počáteční hodnoty, přestože se nachází ve zcela nezávadném prostředí.
Mnozí mají za to, že příčinou tohoto problému je nestabilita těsnění, a v případě plochých těsnění tomu tak skutečně někdy může být následkem nadměrného stlačení. Vodivá plochá těsnění mají obecně maximální deformaci přibližně 15 % své původní tloušťky. Obecně platí, že poškození následkem přílišného utažení spojovacích prvků je obtížné předejít, protože tloušťka obvykle kolísá v rozmezí ±10 % až ±20 %. Tento jev je také patrný při použití kontra matic nebo těsnicích O-kroužků – odpor se v průběhu času zvyšuje i tehdy, když dochází ke kontaktu kov na kov.
Mechanismy
Abychom tomuto jevu porozuměli, musíme se podívat na fyzický a elektrický model spoje, identifikovat dráhy vedení a kvantifikovat jejich příspěvek k celkovému odporu spoje. Musíme také identifikovat mechanismy, které pravděpodobně způsobí zvýšený odpor.
Úvodní obrázek znázorňuje příklad testovacího zařízení pro konektory – těsnění je modré, spodní a horní destička představují těleso a kryt konektoru, které drží pohromadě pomocí čtyř spojovacích šroubů M3. Ve vedlejším elektrickém schématu:
• Rb představuje odpor šroubu
• Rc je odpor povrchové vrstvy konektoru
• Rg označuje odpor těsnění
• Rh znamená odpor povrchové vrstvy tělesa
Odpor samotného kovu v tělese a konektorech můžeme zanedbat, protože je řádově menší než tyto ostatní odpory.
V tomto scénáři existují dvě možné dráhy vedení:
• Prostřednictvím těsnění
• Prostřednictvím kontaktu mezi hlavou šroubu a krytem konektoru a dále prostřednictvím závitů na těle spojovacího šroubu a tělese
Rb je paralelní k ostatním odporům, a pokud prostřednictvím závitů dochází ke kontaktu kov na kov, může to zpočátku vést k nízkému přechodovému odporu. Tato dráha však může zcela vymizet nebo u ní může dojít k významnému nárůstu odporu, protože kontakt oxiduje nebo se tlak na závity sníží v důsledku toho, že těsnění postupně získá určitou trvalou deformaci tlakem.
Vycházejme nyní z těchto předpokladů:
• Těleso a konektor jsou vyrobeny z hliníkové slitiny
• Těleso a konektor jsou ošetřeny konverzní povrchovou úpravou MIL-DTL-5541, typ II, třída 3
• Jednotlivé povrchy vykazují specifický odpor nejvýše 2,5 mΩ/palec²; celkem 5 mΩ/palec² skrz vzorek podle technických parametrů
Níže uvedená tabulka shrnuje vlastnosti těsnění a povrchů a to, do jaké míry každý z nich přispívá k odporu spoje (příspěvek spojovacích prvků se zanedbává).
Měrný objemový odpor CHO-SEAL® 1285 0,008 ohm cm
Tloušťka těsnění 0,081 cm
Plocha těsnění 4,36 cm²
Jednotkový odpor povrchu 1 0,016 ohm/cm²
Jednotkový odpor povrchu 2 0,016 ohm/cm²
Tabulka 1: Vlastnosti spoje
Odpor těsnění Rg 0,00015 ohm
Odpor povrchu 1 Rc 0,00367 ohm
Odpor povrchu 2 Rh 0,00367 ohm
Celkový odpor 0,00749 ohm
% stáří celkového odporu v důsledku těsnění 1,98 %
Plocha těsnění odpovídá ploše těsnění konektoru Mil-C-38999 o velikosti 19 (přibližně 4,8 cm2, tj. 0,75 palce²). Průchodový odpor tohoto těsnění lze vypočítat pomocí vzorce R=ρL/A, kde:
• ρ je měrný objemový odpor v Ω cm
• L je tloušťka v cm
• A je plocha v cm²
Rozměry těsnění
Vyvarujte se nadměrného stlačení
Zde je důležité poznamenat, že pokud ploché vodivé těsnění EMI zůstane nepoškozené, jeho celkový příspěvek k odporu spoje je velmi malý, přičemž převážná část je způsobena „vodivým" chromátovým povlakem.
Jak již bylo zmíněno dříve, některé sestavy skutečně dokážou dosáhnout přechodových odporů <10 mΩ (i když se jedná o velmi malé konektory), které se časem postupně zvyšují. U plochých těsnění je to obvykle způsobeno elektrickým spojením prostřednictvím šroubů, u nichž při utažení dochází k seškrábnutí chromátového povlaku na závitech, čímž vzniká malá plocha těsného kontaktu kovů.
Měrný objemový odpor Al 2.65E-06 Ω cm
Tloušťka Al 0,081 cm
Kontaktní plocha závitů 0,0001 cm²
Vlastnosti kontaktu závitů
Odpor Al/šroub Rb 0,00215 Ω
Odpor těsnění/povrch R 0,00749 Ω
Celkový odpor Paralelní odpor 0,001668 Ω
Kontakt závitů v kombinaci s těsněním
Měrný objemový odpor čistého hliníku je přibližně 2,65 E-6-ohm cm, což je více než 3000krát menší hodnota v porovnání s těsněním, jehož odpor je 0,008 mΩ cm. K dosažení stejného průchodového odporu 10 mΩ pouze kontaktem kovů prostřednictvím kontaktu o tloušťce 0,81 mm je v důsledku toho zapotřebí plocha o obsahu 0,01 mm². Plochy o této velikosti lze při utahování šroubů na konektoru snadno dosáhnout, pokud mají šrouby vodivou povrchovou úpravu a utažením se seškrábne chromátový povlak. Několik závitů na jednom šroubu s touto plochou kontaktu vytvoří odpor 2,15 mΩ, a to paralelně s odporem 7,49 mΩ těsnění (436 mm²).
Protože tento odpor je paralelní s odpory uvedenými v tabulce 2, použitím vzorce pro paralelní odpory dostaneme výsledek 1,67 mΩ.
Klíčové je zde to, že tyto kontakty spojovacích prvků nejsou stabilní, zejména pokud je zřejmé, že došlo k nadměrnému stlačení. V takovém případě se těsnění bude postupem času pomalu pohybovat, obvykle v rozích, čímž se sníží zatížení šroubů. Výsledkem je ztráta kontaktu na závitech, ztráta tlaku na těsnění a následně zvýšení odporu. I když zůstane těsnění nepoškozeno nadměrným utažením šroubů, pravděpodobně u něj přesto dojde k trvalé deformaci tlakem, což způsobí menší tlakové zatížení těsnění a následně nárůst průchodového odporu.
Výběr těsnění
Nedostatky plochého vodivého těsnění EMI vyseknutého z plošného materiálu lze překonat dvěma způsoby:
• Použití O-kroužku nebo D-kroužku v drážce
• Použití lisovaného „plochého" těsnění s prvky v kombinaci se zarážkami proti stlačení, a to na tělese, na konektoru nebo v rámci samotného těsnění
Pokud jde o O-kroužky, je třeba zvážit dva faktory (stejně jako u plochých těsnění):
• Plocha kontaktu zajišťovaná O-kroužkem
• Plocha kontaktu povrchů kov na kov (kromě závitů šroubů)
Budeme-li znovu uvažovat konektor o velikosti 19, vhodný O-kroužek může mít vnitřní průměr přibližně 40 mm a průřez 1,78 mm. Pokud je navržen správně, lze odhadnout, že kontaktní plocha bude odpovídat celé šířce drážky. Tím vzniká kontaktní plocha těsnění o obsahu přibližně 257 mm² a tloušťka přibližně 1,45 mm, takže odpor těsnění v kombinaci s chromátovanými povrchy bude 17 mΩ. V důsledku toho musíme vypočítat plochu paralelního kontaktu kov na kov, která je nutná k dosažení nižšího odporu než 10 mΩ. Pomocí vzorce pro paralelní odpory zjistíme, že přechodový odpor kov na kov musí být přibližně 20 mΩ. Je-li ho dosaženo dokonalým kontaktem s chromátovaným povrchem při 5 mΩ/palec², bude zapotřebí kontakt o ploše 0,25 palce² (1,6 cm2), což je možné, ale nepravděpodobné. Pokud z toho vycházíme, spoj vyžaduje buď holý kontakt kov na kov, přičemž je nutné akceptovat, že je nezbytné poškodit povrch s chromátovým povlakem, nebo je zapotřebí použít něco jako vodivý spojovací pásek, který pevně připevníte k holému kovovému povrchu.
Druhá varianta, kdy ploché těsnění fakticky nahradíme lisovaným těsněním (případně se zarážkami proti stlačení), nabízí použitelnější a spolehlivější variantu, ale bude dražší.
Velikost a přizpůsobení
Stručně řečeno, elektricky vodivá plochá těsnění pro elektrické spoje v konektorech s vojenskými technickými parametry v leteckém a kosmickém průmyslu fungují tehdy, pokud jsou dostatečně velká a zůstanou nepoškozená zatížením, které vzniká působením šroubů. Těsnicí O-kroužky rovněž fungují a zajišťují ochranu před nadměrným stlačením, ale ve srovnání s plochým těsněním mají menší plochu kontaktu.
Lisované těsnění díky svému potenciálu pro přizpůsobení nabízí optimální řešení pro aplikace konektorů v leteckém a kosmickém průmyslu. Přestože z hlediska kupní ceny bude o něco dražší než ploché těsnění nebo O-kroužek, lisované těsnění poskytuje řadu výhod v oblasti konstrukce a nákladů na vlastnictví. Zpravidla budete například potřebovat méně těsnicího materiálu ve srovnání s vysekávanými těsněními, čímž se v mnoha aplikacích snižují náklady a zároveň lze splnit požadavky na stlačení/deformaci pomocí menšího počtu spojovacích prvků, což má za následek lepší udržovatelnost. Konstruktéři mohou navíc snáze umístit spojovací prvky dovnitř nebo vně těsnění, čímž se sníží vnikání vlhkosti a EMI do krytu skrz otvory pro spojovací prvky. Dále jsou k dispozici úspory ve výrobě, protože těsnění, kryt a zarážky proti stlačení se stávají jedinou součástí, čímž se snižuje počet nakupovaných položek, zásob a dokumentace. A konečně, použitím lisovaných těsnění můžete eliminovat nekonzistentní a nákladné operace vytváření vodivých spojů.
Odpor povrchové vrstvy
Povrchová úprava MIL-DTL-5541, typ II, třída 3 bude vždy tvořit hlavní součást odporu jakéhokoli vodivého spoje, protože tato konverzní povrchová úprava má měrný objemový odpor přibližně 45 Ωcm a tloušťku mezi 0,25 a 0,5 µm (10–20 mikro-palců). Pro srovnání, těsnění má měrný objemový odpor mezi několika miliohmy cm až několika ohmy cm.
Jestliže se vám u velmi malých těsnění konektorů podaří dosáhnout nízkých miliohmových odporů, je pravděpodobné, že na povrchu tělesa či konektoru nebo v závitech šroubů došlo k poškození konverzního chromátového povlaku, a tento nízký odpor spoje pravděpodobně nebude stabilní.
Na druhou stranu, pokud je váš konektor dostatečně velký nebo máte například čtyři konektory s plochou těsnění přibližně 3,2 cm2 (0,5 palce²) nebo více, nejspíše budete schopni dosáhnout požadavku na vodivé spojení v řádu nízkých miliohmů. Jestliže nemáte dostatečnou plochu, pravděpodobně budete muset zvážit například povrchovou úpravu typu pokovení, nikoli konverzní povlak.
O DIVIZI CHOMERICS
Chomerics je divizí společnosti Parker Hannifin Corporation a je součástí skupiny Engineered Materials Group. Je mezinárodním lídrem v rozvoji a využití elektricky a tepelně vodivých materiálů v elektronice, dopravě a alternativních energetických systémech. Detaily naleznete na stránce www.parker.com/chomerics
Autor: Gerard Young, Applications Engineer – divize Parker Hannifin Chomerics Division Europe