Elektromagnetische Verträglichkeit EMV-Störsignale wirkungsvoll abschirmen: Grundlagen der Gehäuseschirmung (Teil 1)

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Bei der elektromagnetischen Verträglichkeit spielt die Schirmung von Gehäusen und Leitungen eine wichtige Rolle. Diese Serie behandelt die wichtigsten Punkte, um eine konforme elektromagnetische Integrität bei Gehäusen, Leitungen und Steckverbindern zu gewährleisten. In Teil 1 geht es um die Grundlagen der Gehäuseschirmung.

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist ein entscheidendes Merkmal moderner elektronischer Geräte, da sie die störungsfreie Funktion sicherstellt und Emissionen minimiert. Die Gehäuseschirmung ist dabei ein zentrales Element, das nicht nur die eigenen Emissionen eines Geräts nach außen abschirmt, sondern auch externe elektromagnetische Einflüsse dämpft. In der Elektronikpraxis-Serie „EMV-Konformität meistern!“ [1] wurde auf Störemissionen, Kopplungsmechanismen, Layout- und Filterdesign eingegangen. Des Weiteren wurden Filtertopologien an Schnittstellen und die Auswahl geeigneter Filterbauelemente beschrieben.

Die folgende Artikelserie „EMV-Störsignale wirkungsvoll abschirmen“ gibt einen detaillierten Überblick über die wichtigsten Aspekte der Gehäuseschirmung im Zusammenhang mit der EMV, darunter HF-Emission, ESD-Schutz, Filter- und Schirmdämpfung, Gehäuseöffnungen, Kabelschirmanschlüsse und die Einflüsse von Massepotenzial und Wirbelströmen. Maßnahmen zur Verbesserung der Schirmdämpfung werden diskutiert und messtechnisch erfasst.

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Grundlagen der EMV und die Rolle der Gehäuseschirmung

Elektronische Geräte emittieren elektromagnetische Wellen, die benachbarte Systeme stören können. Dies gilt insbesondere für Bereiche wie Medizin-, Automobil- und Militärtechnik, in denen Fehlfunktionen schwerwiegende Folgen haben können. Ein optimal geschirmtes Gehäuse reduziert solche elektromagnetischen Emissionen und schützt die internen Komponenten vor äußeren Störquellen. Zudem verhindert die Gehäuseschirmung eine elektrostatische Entladung (ESD), die durch plötzliche Spannungsüberschläge die Elektronik beschädigen kann. Eine hohe Schirmdämpfung des Gehäuses verbessert zudem die Abschirmwirkung der angeschlossenen, geschirmten Peripheriekabel.

Weiterhin wird durch die erhöhte Schirmdämpfung des Gehäuses das Massesystem stabiler, was die Begrenzung transienter Überspannungen an den Peripheriefiltern des Geräts optimiert und die Filterdämpfung im Allgemeinen, insbesondere bei hohen Frequenzen (typ. > 300 MHz) erhöht. Die Schirmdämpfung beschreibt die Fähigkeit des Gehäuses, elektromagnetische Felder zu reduzieren. Diese Dämpfung wird durch das Gehäusematerial, seine Dicke und Bauweise bestimmt. Eine hohe Schirmdämpfung sorgt dafür, dass weniger elektromagnetische Strahlung nach außen dringt und die internen Komponenten besser vor äußeren Feldern geschützt sind.

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Zusätzlich erhöht eine starke Schirmdämpfung die Immunität des Geräts gegen externe elektromagnetische Störungen und verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die internen Schaltungen durch äußere Felder beeinflusst werden oder Fehlfunktionen auftreten. Die Filterung und die Begrenzung von transienten Überspannungen ist eine ergänzende Maßnahme, die zur gezielten Dämpfung bzw. Reduzierung bestimmter Störpegel in Frequenzbereichen an Anschlusskabeln dient, die den geschirmten Raum verlassen. In Kombination mit der Gehäuseschirmung reduziert sie die Gesamtemission und erhöht die Störfestigkeit des Systems.

Gehäuseöffnungen und ihre Auswirkungen auf die Schirmdämpfung

Gehäuseöffnungen, wie etwa Lüftungsschlitze, Steckverbindungszugänge oder Bedienöffnungen, stellen potenzielle Schwachstellen für die elektromagnetische Schirmung dar. Da elektromagnetische Wellen durch diese Öffnungen austreten oder eindringen können, kann die Gesamtdämpfung eines Gehäuses erheblich beeinträchtigt werden. Der Grad dieser Beeinträchtigung hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Wellenlänge der Störstrahlung, der Größe und Form der Öffnungen sowie der Leitfähigkeit des Gehäusematerials. Im Folgenden werden diese Aspekte detaillierter erläutert. Bild 1 zeigt beispielhaft eine Übersicht der beeinflussenden Parameter.

Abhängigkeit der Leckage von der Wellenlänge und der Größe der Öffnung

Eine Öffnung im Gehäuse lässt elektromagnetische Strahlung vor allem dann durch, wenn deren Größe mit der Wellenlänge λ der einfallenden Strahlung vergleichbar ist oder größer. Der Zusammenhang zwischen der Größe der Öffnung d und der Wellenlänge λ wird durch Formel 1 beschrieben.

d ≥λ/2 (1)

Öffnungen, deren Dimensionen d [m] kleiner als die halbe Wellenlänge λ/2 [m] der einfallenden Welle sind, lassen deutlich weniger Strahlung durch, da sie im Vergleich zur Wellenlänge klein sind und die Felder dadurch effektiv abgeschwächt werden. Bei Öffnungen, die größer als die halbe Wellenlänge sind, nimmt die Dämpfung jedoch rapide ab, und die Öffnung wird zu einer bedeutenden Leckstelle. Für hohe Frequenzen (kurze Wellenlängen) sind daher selbst kleine Öffnungen problematisch, während bei niedrigeren Frequenzen (größere Wellenlängen) größere Öffnungen tolerierbar sind. Im ungünstigsten Fall beträgt bei einer Öffnung mit der Dimension d = λ/2 die Dämpfung 0 dB.

Bild 2 verdeutlicht den Zusammenhang und zeigt, dass nicht die rechtwinklige Spaltlänge, sondern die größte Öffnungslänge in Abhängigkeit der Ausrichtung der Polarisation entscheidend ist.

Einfluss der Leitfähigkeit und Wirbelströme im Material

Die Leitfähigkeit σ des Gehäusematerials spielt eine wichtige Rolle bei der Schirmdämpfung. Ein gut leitendes Material wie Kupfer oder Aluminium kann elektromagnetische Wellen wirksam reflektieren und absorbieren, was die Schirmwirkung des Gehäuses verbessert. Die Schirmdämpfung S eines Materials gegenüber elektromagnetischen Feldern ist unter anderem durch die Leitfähigkeit des Materials und die Eindringtiefe δ gegeben, die für das Material und die Frequenz spezifisch (Formel 2).

δ = (2/ ω μ σ)^1/2 (2)

δ ist die Eindringtiefe des Wechselstroms im leitenden Material [m], ω = 2πf ist die Kreisfrequenz [1/s], μ ist die magnetische Permeabilität des Materials [V·s/A·m] und σ ist die elektrische Leitfähigkeit des Materials [1/(Ωm)].

Je niedriger die Eindringtiefe δ, desto weniger elektromagnetische Strahlung dringt in das Material ein und desto besser ist die Schirmwirkung. Ein hoher Leitwert des Materials σ reduziert also die Eindringtiefe der Ladungsträger und erhöht damit die Reflexion elektromagnetischer Wellen an der Materialoberfläche, wodurch die Dämpfung verbessert wird.

Wirbelströme und deren Effekt auf die Schirmwirkung

Wenn elektromagnetische Wellen auf das leitende Material des Gehäuses treffen, werden Wirbelströme in der Oberfläche induziert. Diese Wirbelströme erzeugen magnetische Felder, die den einfallenden Feldern entgegenwirken und so eine zusätzliche Dämpfungswirkung bieten. Der Effekt der Wirbelströme ist frequenzabhängig: Bei höheren Frequenzen (kürzere Wellenlängen) werden stärkere Wirbelströme induziert, die stärker dämpfen. Die Gesamtdämpfung S_Wirbel durch Wirbelströme lässt sich durch die Materialparameter wie Leitfähigkeit und Permeabilität berechnen. Für die induzierten Wirbelströme gilt nach Formel 3:

S_Wirbel = α (d/ δ) (3)

α ist ein Proportionalitätsfaktor, [einheitenlos], d ist die Dicke des Materials [m] und δ ist die elektromagnetische Eindringtiefe [m].

Je höher die Frequenz und die Materialleitfähigkeit sind, desto wirksamer ist die Dämpfung durch die induzierten Wirbelströme.

Reduktion der Emission durch Gehäuseöffnungen

Um die Leckage durch Öffnungen zu reduzieren, können leitfähige Dichtungen und Gittereinsätze verwendet werden. Diese Maßnahmen ermöglichen die notwendige Luft- und Signalübertragung, ohne die Schirmdämpfung stark zu beeinträchtigen:

• Leitfähige Dichtungen (z. B. aus metallisiertem Gewebe) schließen kleine Spalten und sorgen für einen kontinuierlichen elektrischen Kontakt zwischen den Gehäuseteilen. Dies minimiert die Feldkopplung an den Übergängen und reduziert die Abstrahlung.

• Gittereinsätze werden häufig für Lüftungsschlitze verwendet. Solche Gitter haben typischerweise eine Maschenweite, die deutlich kleiner als die halbe Wellenlänge der störenden Strahlung ist, und bieten daher eine elektromagnetische Barriere für elektromagnetische Wellen.

Durch eine sorgfältige Gestaltung und Auswahl der Materialien sowie eine Berücksichtigung der Frequenzen bzw. Wellenlängen der störenden Strahlung können die Leckage und damit die Gesamtschirmdämpfung des Gehäuses signifikant verbessert werden, in Bild 3 sind einige mögliche Maßnahmen dargestellt.

Zusammenhang von Gehäuseschirm- und Kabelschirmdämpfung

Die Gehäuseschirmdämpfung und die Kabelschirmdämpfung wirken gemeinsam, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. Dabei muss der Kabelschirm eines geschirmten Kabels an seinen beiden Enden niederimpedant an die Gehäusemasse angeschlossen werden, um eine wirksame Schirmdämpfung sowohl gegen elektrische als auch gegen magnetische Felder zu haben. Eine schlechte Gehäuseschirmung beeinflusst die Wirksamkeit der Kabelschirmung, da

• Wirbelströme im Gehäuseschirmmaterial nicht vollständig kompensiert werden können,

• elektromagnetische Felder in das Gehäuse eindringen,

• das Gehäuse als Massebezug ein Störpotenzial aufweist,

und so der Kabelschirmanschluss keinen potenzialfreien Massebezug hat.

So kann sich bei unzureichender Schirmdämpfung des Gehäuses die effektive Kabelschirmdämpfung deutlich verschlechtern, da Störfelder entlang des Kabels ausgekoppelt werden.

Die Gesamtdämpfung S_gesamt lässt sich mit dem Prinzip der Superposition gemäß Formel 4 abschätzen:

S_gesamt = 10 log₁₀ (10^S_Geäuse/10 + 10^S_Kabel/10) (4)

Durch Formel 4 wird deutlich, dass die Gesamtdämpfung bei schlechter Gehäusedämpfung erheblich sinkt, da die Wirksamkeit der Kabelschirmdämpfung nicht voll zur Geltung kommen kann. Ein Gehäuse mit hoher Schirmdämpfung hat im Allgemeinen auch ein stabiles Massepotential. Ein stabiles Massepotential zwischen Gehäuse und Kabelschirm ist entscheidend für eine kontinuierliche Abschirmwirkung. Wenn das Gehäuse und der Kabelschirm auf unterschiedlichen Potenzialen liegen, können Gleichtaktstörungen entstehen, die als unerwünschte Störströme entlang des Kabels wirken. Diese Störungen mindern die Kabelschirmdämpfung und verstärken die Kopplung von Störsignalen. Ein sauberer, niederimpedanter Massekontakt an der Übergangsstelle von Gehäuse zu Kabelschirm ist entscheidend, um eine konstante Abschirmwirkung zu gewährleisten.

Kabelschirmanschlüsse und ihre Rolle für die Gesamtschirmung

Ein weiterer kritischer Punkt für die Gehäuseschirmung sind die Kabelschirmanschlüsse. Da Kabel das Gehäuse durchbrechen, können sie als Antennen für elektromagnetische Störungen fungieren. Eine robuste, niederimpedante Verbindung des Kabelschirms mit dem Gehäuse ist notwendig, um Störsignale wirksam abzuleiten. Diese Maßnahme reduziert die Kopplung von Störungen über das Kabel in das Gehäuse oder umgekehrt und stellt eine wichtige Ergänzung zur Gehäuseschirmung dar, d.h. der Qualität des Steckverbinders und dessen Kontakt zum Gehäuse kommt hier eine entscheidende Rolle zu. Zudem werden häufig an Schnittstellen Filter vorgesehen, die hochfrequente Störanteile dämpfen und/oder die Signalintegrität verbessern sollen.

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Diese Filter benötigen eine Bezugsmasse, die kein Störpotenzial aufweisen darf. Häufig entstehen Störpotenziale wegen unzureichender Verbindungen einzelner Gehäusekomponenten, oder durch Wirbelströme in zu dünnen Schirmmaterialien. Wirbelströme sind induzierte Ströme, die entstehen, wenn elektromagnetische Felder auf leitende Materialien treffen. Sie bilden kreisende Ströme, die ihrerseits magnetische Felder erzeugen und die Schirmdämpfung sowohl des Gehäuses als auch des Kabelschirms beeinträchtigen können.

Wenn sich diese Wirbelströme unkontrolliert über das Gehäuse verteilen, können sie bei unsachgemäßem Kabelanschluss Störungen entlang des Kabels verursachen. Eine hochwertige Materialauswahl und eine gute Masseverbindung sind erforderlich, um die Auswirkungen von Wirbelströmen zu minimieren und eine durchgängige Abschirmung sicherzustellen. Das Verhindern von Wirbelströmen kann eine zusätzliche Dämpfungswirkung bieten, wodurch die Schirmdämpfung im Gesamtsystem gesteigert wird. In Bild 4 ist das komplette Schirmsystem, bestehend aus Gehäuse, Filter mit Bezugsmasse und Kabel dargestellt.

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In Teil 2 der Artikelserie geht es um die experimentelle Untersuchung der Gehäuseschirmung und Abhilfemaßnahmen. (kr)

Literatur

[1] Zenkner, H.: EMV-Konformität meistern! Artikelserie in Elektronikpraxis 8/2024 bis 17/2024.

* Dr. Heinz Zenkner ist öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für EMV.

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