EMV: So schirmen Sie Ihr System richtig!

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Elektromagnetische Störungen sind in Fabriken allgegenwärtig. Vor allem Leitungen und Steckverbinder müssen ihren Beitrag für eine gute EMV leisten. Der Beitrag erläutert, welche Maßnahmen nötig sind.

Knackgeräusche beim Radiohören oder Geisterbilder beim Fernsehen sind Schnee von gestern – der Digitalisierung sei Dank. Sie hat dafür gesorgt, dass das Thema Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) seinen Schrecken verloren hat. Zu den Akten legen kann man das Problem aber nicht.

Gerade in den Fabriken führt die Digitalisierung zu neuen Problemen mit der Elek­tromagnetischen Verträglichkeit. Viele Maschinen und Anlagen arbeiten mit hohen Strömen – beispielsweise Schweißroboter –, gleichzeitig kommen im Gefolge von Industrie 4.0 immer mehr Datenleitungen dazu. Diese werden zudem durch den erreichten technologischen Fortschritt, der Rohstoffknappheit- und Verteuerung sowie die daraus resultierende ressourcenschonende Bauweise oftmals auf kleinstem Raum verbaut. Diese kompakte Bauweise verlangt nach effizienten Komponenten in Hinblick auf EMV. EMV-Probleme lassen sich vermeiden, wenn man schon bei der Planung einer Anlage die richtigen Maßnahmen trifft.

Elektromagnetisch verträglich ist ein System, wenn es sich von elektromagnetischen Feldern anderer Systeme nicht in seiner Funktion stören lässt und diese selbst auch nicht stört. Dieser Idealzustand wird in der Praxis fast nie erreicht, denn es gibt immer wieder Lücken, durch die Störstrahlung in ein System hinein oder hinaus gelangen kann. Die häufigsten Ursachen sind schlecht geschirmte Verbindungen, insbesondere in der Kabelverschraubung oder im Steckverbinder, aber auch ungeeignete Komponenten oder eine nicht fachgerechte Verarbeitung.

Schirmung ist für eine gute EMV notwendig

Die beste Barriere gegen elektromagnetische Felder bei Kabeln ist die Abschirmung. Sie besteht aus einem Geflecht aus hochleitfähigen Drähtchen, die um die Adern im Inneren wie ein Zopf geflochten sind, oder aus metallisierter Folie, die um die Adern gewickelt wird, manchmal auch beides gleichzeitig. Beide wirken wie ein faradayscher Käfig, der keine Störstrahlung hinein oder hinaus lässt.

Es gibt Anwender, die einige Euro sparen wollen und Leitungen ohne Schirmung ordern. Vielleicht denken diese, dass das bei einer stromführenden Leitung nicht notwendig ist, weil die Datenleitung daneben sowieso geschirmt ist. Solche Überlegungen können jedoch teuer werden, wenn es etwa durch Störungen zu Produktionsausfällen kommt.

Keine Lücken im Zopf

Eine Schirmung ist aber nur gut, wenn der Bedeckungsgrad mindestens 80% beträgt, wenn also das Geflecht engmaschig genug ist, um eine effektive Barriere gegen elektromagnetische Felder zu bilden. Bei bewegten Leitungen in Schleppketten mit millionenfachen Wechselbiegezyklen oder in der Robotik, wo die Schirmung zusätzlich zur Biegung auch noch Torsion aushalten muss, muss dieser Bedeckungsgrad auch im gebogenen oder tordierten Zustand gewahrt bleiben – im Zopf dürfen dann keine Lücken klaffen.

Das lässt sich über den Flechtwinkel verhindern. Für bewegte Anwendungen wird der Draht in einem stumpferen Winkel um die Adern geflochten, so dass er auf einer kürzeren Strecke eine volle 360°-Windung um die Adern macht. Der Bedeckungsgrad ist damit von vornherein höher, die Elastizität besser, allerdings wird auch mehr Kupfer benötigt, wodurch die Kosten steigen.

Für besonders EMV-kritische Anwendungen reicht ein gemeinsamer Schirm nicht aus. Dann sollten einzelne Adern im Kabel mit alukaschierter Folie um die Isolierung zusätzlich abgeschirmt werden. Empfehlenswert ist zudem, den Schutzleiter auf drei Leiter aufzuteilen und diese erdsymmetrisch um das Aderbündel zu verteilen.

Elektrischer Widerstand zwischen Kabelschirm und Erde

Eine gute Schirmung des Kabels ist aber nur die halbe Miete. Zu einem guten EMV-Verhalten müssen auch der Steckverbinder und die Kabelverschraubung beitragen. Aus EMV-Sicht sollte zwischen Kabelschirm und Erdpotential der elektrische Widerstand nahe Null sein. Dafür ist eine möglichst große Kontaktfläche nötig.

Ein zur Wurst verdrilltes Schirmgeflecht, angelötet an einer Steckerfahne, leistet das nicht. Vielmehr sollte der Kabelschirm am Übergang von der Kabelverschraubung zum Stecker rundherum und ohne Lücken aufliegen, damit sich der faradaysche Käfig vom Kabel auf den Steckverbinder fortsetzt und Störsignale ausgesperrt bleiben. Diese Schirmkontaktierung muss an beiden Enden des Kabels stattfinden und mit dem Erdpotenzial verbunden sein.

Ein Beispiel für eine exakt ausgeführte Schirmung ist der Rechtecksteckverbinder EPIC ULTRA von Lapp. Er hat ein vernickeltes Metallgehäuse, die Dichtung liegt innen, sodass sich die beiden metallischen Gehäuseteile großflächig berühren. Eine kritische Stelle ist der Übergang vom Steckverbinder zum Kabel. Hier sorgt die Kabelverschraubung SKINTOP MS-M BRUSH für gute Abschirmung.

Bürstenring sorgt für 360°-Schirmung

Hierbei wird der Schirm nicht mit einer Feder fixiert. Die Schirmung übernehmen hier tausende ringförmig angeordnete Bürstenhärchen. Der große variable Klemmbereich macht die Montage, Demontage und Zuordnung einfacher und schneller. Ein einziger Arbeitsgang zentriert, fixiert, zugentlastet und dichtet das Kabel hermetisch ab.

Ströme, die durch Störsignale von außen induziert werden, fließen über die hoch leitfähige und 360° umlaufende Bürstenschirmung ab, was besonders für die Übertragung empfindlicher Signale wichtig ist. Selbst beim Biegen des Kabels bleibt die Kontaktfläche zwischen Abschirmgeflecht der Leitung und dem Bürsteneinsatz der Kabelverschraubung unverändert erhalten. Das kommt Anwendungen mit Bewegung zugute, etwa vorne an einem Roboterarm, wo auf engstem Raum mehrere Power- und Datenleitungen verlaufen.

Zudem ermöglicht der Bürsteneinsatz sowohl eine vereinfachte Installation (Positionierung, Drehbarkeit) als auch Wartung- und Service durch einfache Demontage der eingeführten Kabel. In ihrer Funktion ähnlich ist die EMV-Kontaktleiste SKINTOP BRUSH ADD-ON 24, die in Verbindung mit Mehrfacheinführungen der Serie SKINTOP MULTI zum Einsatz kommt und eine kompakte Bauweise für eine hohe Anzahl von Kabeln erlaubt.

EMV: Die größte Schwachstelle ist der Mensch

Die besten Verbindungsprodukte nützen allerdings nichts, wenn der Elektriker nicht sorgfältig arbeitet. Dann fehlen im Schaltschrank die Erdungsbänder an den Türen. Oder die empfohlenen Biegeradien der Kabel werden unterschritten, weil der Platz knapp ist. Dann sind die Kabel direkt hinter dem Kabelabgang geknickt und das Abschirmgeflecht liegt nicht großflächig auf oder rutscht heraus.

In der Nähe angeordnete Leitungen mit hohen Strömen können dann starke elektromagnetische Impulse einstreuen und zu Störungen in der gesamten Anlage führen. Manchmal schneidet der Monteur beim Abmanteln auch aus Versehen zu tief und verletzt die Schirmung. Spezielle Werkzeuge können dies verhindern.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Elektromechanik II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

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* Bernd Müller arbeitet als freier Autor in Wiesbaden.

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