Gehäuseschirmung in der Praxis EMV: Störsignale wirkungsvoll abschirmen (Teil 2)

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Bei der EMV spielt die Schirmung von Gehäusen und Leitungen eine wichtige Rolle. Diese Artikelserie behandelt die wichtigsten Punkte, um eine konforme elektromagnetische Integrität bei Gehäusen, Leitungen und Steckverbindern zu gewährleisten. In Teil 2 geht es um die experimentelle Untersuchung der Gehäuseschirmung und Abhilfemaßnahmen.

In Teil 2 der Serie werden die in Teil 1 [2] erläuterten Parameter und Zusammenhänge durch einfache Laborexperimente anschaulich demonstriert. Dabei wird der Einsatz von mechanischen Abhilfemaßnahmen zur Reduzierung von Störemissionen aufgezeigt, die keine Eingriffe in die Elektronik erfordern. Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen wird experimentell mittels Feldsonden und Antennen überprüft.

Gehäuseschwächen und Kabelschirmdämpfung

Zunächst geht es um Systemvorbereitungen und einen geeigneten Prüfaufbau. Die Versuchsschritte zeigen, welche Maßnahmen notwendig sind, um ein Gehäuse mit einem über Sub-D-Steckverbinder angeschlossenen Peripheriekabel elektromagnetisch verträglich (EMV-gerecht) zu gestalten. Zusätzlich wird die Schirmungsqualität verschiedener Kabel, insbesondere RS232-Kabel, betrachtet und bewertet.

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Die SUB-D-Steckverbinder und Kabel werden hier als repräsentativ für Schirmdämpfungsmessungen und EMV-Beurteilungen verwendet, weil sie typische Herausforderungen und Szenarien bei der EMV-Analyse widerspiegeln. Diese Eigenschaften machen sie zu einem guten „Testfall“, um allgemeine Aussagen über die EMV-Leistung von Steckverbindungen und Kabelsystemen zu treffen, einschließlich moderner Systeme wie USB 3.0.

SUB-D-Steckverbinder haben eine definierte und weit verbreitete Bauform. Ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften sind gut dokumentiert, was sie für Vergleichstests geeignet macht. SUB-D-Steckverbinder haben im Allgemeinen eine metallische Außenhülle, die als Schirm dient. Diese Konstruktion ähnelt derjenigen vieler moderner Steckverbinder wie USB 3.0, bei denen ebenfalls eine Schirmung vorhanden ist, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. Die Ergebnisse aus SUB-D-Tests können also oft als Näherung für andere abgeschirmte Steckertypen verwendet werden.

SUB-D-Steckverbinder sind anfällig für typische Schwachstellen in der Schirmung, wie sie auch bei anderen Steckverbindern auftreten:

• Kontaktstellen zwischen Steckergehäuse und Kabelschirm.

• Übergangswiderstände an der Verbindung zwischen Stecker und Gehäuse.

• Aperturen oder Öffnungen, die elektromagnetische Leckagen verursachen können.

Diese Herausforderungen treten bei USB 3.0-Steckverbindern und ähnlichen Systemen in ähnlicher Form auf.

Die hier angewandten Messverfahren zur Schirmdämpfung der SUB-D-Steckverbinder dienen als „Basisfall“, um Ergebnisse zu interpretieren. Erkenntnisse über die Schirmwirkung eines SUB-D-Systems können bei Anpassungen auf ähnliche Geometrien und Betriebsfrequenzen übertragen werden. SUB-D-Steckverbinder und -Kabel können in einem breiten Frequenzspektrum getestet werden, das sowohl niederfrequente Störungen als auch hochfrequente Signale (wie bei USB 3.0) abdeckt. Dadurch lassen sich typische Probleme der EMV auch bei modernen Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen vorhersagen.

Versuchsaufbau zur Bewertung der Gehäuseschirmung

Den Versuchsaufbau zur Bewertung von Gehäuseschirmdämpfung und Kabelschirmdämpfung zeigt Bild 5.

Das Gehäuse enthält einen Signalgenerator, der ein Kammspektrum im Frequenzbereich zwischen 10 und ca. 500 MHz erzeugt. Das Signal wird über eine 50-Ω-Impedanz auf beide D-Sub-Steckverbinder (WR-DSUB, Nr. 61800925023) auf alle 9 Pins gelegt. Der Sub-D-Steckverbinder auf der linken Seite des Gehäuses ist mit seiner Masse isoliert befestigt und lässt sich per Kippschalter „niederimpedant“ mit der Gehäusemasse verbinden. Der rechte Steckverbinder ist „ideal“ an das Gehäuse angeschlossen.

Um eine Rundumkontaktierung zu gewährleisten, wurde zwischen Steckverbinder und Gehäuse eine leitende Dichtung (WE-LTS, Nr. 34150209) verwendet. Der Abschluss des geschirmten 9-poligen Kabels erfolgt an einer Abschlussbox, in Bild 5 rechts dargestellt, die wiederum einen an das Gehäuse „ideal“ kontaktierten Steckverbinder und einen isolierten Steckverbinder umfasst. Der isolierte Steckverbinder lässt sich mit seiner Masse über einen ca. 30 mm langen Draht (Pigtail) am Gehäuse erden.

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Um Schirmdämpfungseffekte und -einflüsse darstellen zu können, muss das Basisgehäuse, das den Signalgenerator enthält, eine hohe Schirmdämpfung aufweisen. Für eine hohe Schirmdämpfung des Gehäuses werden die einzelnen lackierten Gehäusekomponenten miteinander verbunden (Bild 6).

Die Kunststoffrahmen wurden mit Kupferleitlack beschichtet, die Oberflächen an den Rändern der Blechteile abgeschliffen und zur Reduzierung der Spaltlängen wurden zusätzliche Schraublöcher vorgesehen, die die Gehäusewanne mit dem Deckel alle 50 mm verbinden.

Messungen zur Schirmdämpfung

Der Aufbau zur Messung ist in Bild 7 gezeigt. Zur Beurteilung von Maßnahmen und Effekten, wie Schirmdämpfung des Gehäuses und der Kabel wurden zwei Messverfahren angewendet: Messung mit einer H-Feldsonde und einem Spektrumanalysator und Messung mit Stromzange über dem Peripheriekabel und einem Spektrumanalysator.

Um die Einflüsse auf die Schirmdämpfung des Systems darzustellen, kommt ein geschirmtes, einadriges Kabel zum Einsatz. Als Vergleich wurden Messungen unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt, dessen Ergebnisse in den Messdiagrammen (Bilder 8 bis 10, nur online) dargestellt sind.

Die Messergebnisse zeigen, dass bei beidseitig HF-gerecht angeschlossenem Kabelschirm die höchste Schirmdämpfung erreicht wird. Wird das Gehäuse rundumkontaktierend geschlossen, wird eine um ca. 4 bis 7 dB höhere Kabel-Schirmdämpfung erreicht (Bild 8). Wenn die Masse des Steckverbinders an der Test-Box vom Gehäuse isoliert wird, erhöht sich der Störpegel um bis zu 40 dB (Bild 9)!

Bei isoliertem Steckverbinder, was auch einem nicht angeschlossenen Kabelschirm entspricht, ist es für die Emission der Störungen über das Kabel unwesentlich, ob das Gehäuse geöffnet, oder geschlossen ist (Bild 10). Es zeigt sich, dass die Summe der Maßnahmen notwendig ist, um die elektromagnetische Verträglichkeit zu gewährleisten. Es ist „sinnlos“ ein perfekt geschirmtes Kabel an ein Gehäuse anzuschließen, dessen Schirmdämpfung gering ist, genauso wie es sinnlos ist, ein ungenügend geschirmtes Kabel mit einem Gehäuse mit hoher Schirmdämpfung zu kombinieren.

Kombinierte Maßnahmen zur Schirmung

Um eine hohe Schirmdämpfung eines Gehäuses zu erreichen und es wirksam gegen elektromagnetische Störungen abzuschirmen, ist eine Kombination aus verschiedenen Maßnahmen erforderlich. Materialien wie Stahl oder Aluminium bieten eine hohe Schirmdämpfung. Dickere Wände erhöhen die Dämpfung. Alle Gehäusekanten, Öffnungen und Verbindungen sollten nahtlos gut überlappen, um Leckstellen zu vermeiden, durch die elektromagnetische Wellen austreten oder eintreten könnten, und um durch elektromagnetische Felder induzierte Wirbelströme zu kompensieren.

An Übergängen zweier Blechteile sollten leitfähige Dichtungen (z.B. mit leitfähigem Gewebe beschichtete Dichtungen, WE-LT (Conductive Shielding Gasket) verwendet werden, um Spalte abzudichten und die Schirmdämpfung zu erhöhen. Beschichtungen wie leitfähige Lacke, Galvanik oder Plattierungen auf Kunststoffteilen des Gehäuses können die Abschirmung erheblich verbessern.

Eine hohe Schirmdämpfung eines Peripheriekabels, die für eine wirksame Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen erforderlich ist, lässt sich durch die Kombination verschiedener Maßnahmen erzielen. Ein engmaschiges Kupfer- oder Aluminiumschirmgeflecht bietet eine hohe Schirmdämpfung, da es eine gute Abdeckung und Leitfähigkeit offeriert. Eine zusätzliche Schirmung aus Aluminium- oder Kupferfolie kann elektromagnetische Störungen im höheren Frequenzbereich effizienter abschirmen und verbessert die Gesamtabschirmung; Voraussetzung ist jedoch, dass die Folie aus elektrisch leitfähigem Material besteht.

Ein niederimpedanter Übergang von der Kabelschirmung über den Steckverbinder zum Gehäuse ist wichtig, um die Schirmdämpfung überhaupt zu gewährleisten. Steckverbinder sollten sorgfältig mit dem Schirm verbunden werden und eine lückenlose Verbindung sicherstellen, um Leckstellen für elektromagnetische Strahlung zu vermeiden. Ein einseitig an Masse angeschlossener Kabelschirm dämpft nur elektrische Felder, nicht jedoch die magnetische Feldkomponente.

Vergleich verschiedener Kabel und Wirkung von Filtern

Im Folgenden werden verschiedene am Markt erhältliche Kabel miteinander verglichen. Die Bilder 11 bis 13 bieten eine nahezu selbsterklärende Übersicht.

Es sollte nicht unerwähnt bleiben: natürlich können die entsprechenden Kabel-Schnittstellen mit Filtern versehen werden, die jedoch wiederum eine störfreie Referenzmasse benötigen, um die notwendige Dämpfung zu erreichen. Die nächsten Messungen zeigen diese Tatsache deutlich. In Bild 14 wurde ein ungeschirmtes Kabel an einen Steckverbinder angeschlossen, dessen Masse mit dem Gehäuse HF-gerecht verbunden ist.

Um die Notwendigkeit einer niederimpedanten Bezugsmasse zu zeigen, wurde ein Aufsteckfilter WE 230016003 zwischen Schnittstelle und Kabel geschaltet. Im Aufsteckfilter ist je Pin ein Kondensator (C_x = 1 nF) gegen Masse geschaltet, die Schaltung des Filters ist in Bild 14 gezeigt. Der Filter dämpft die Störamplituden um bis zu 25 dB.

Wird der Filter hingegen an einem Steckverbinder eingesetzt, dessen Masse nicht an das Gehäuse angeschlossen ist, ergibt sich das Resultat nach Bild 15.

Es ist deutlich zu erkennen, dass der Aufsteckfilter nahezu keine Wirkung zeigt. Die Dämpfung im höheren Frequenzbereich ist auf zufällige Resonanzerscheinungen und kapazitiven Effekte zurückzuführen, die sich je nach Kabel ändern können.

Ein weiterer Punkt, der erwähnt werden sollte: Es ergibt Sinn, Kabelschnittstellen mit Filter zu versehen, die zusätzlich einen Schutz gegen transiente Überspannung bieten. Hierzu können Vielschichtvaristoren oder TVS-Dioden mit oder anstelle der Kondensatoren mit einem in Serie geschalteten SMD-Varistor oder einer Induktivität verwendet werden.

Bild 16 zeigt eine Zusammenfassung der Punkte, die für ein EMV-gerechtes Gehäuse-, bzw. Systemdesign notwendig sind. In Teil 3 der Artikelserie geht es weiter mit der Dämpfung einer Emissionsquelle auf der elektronischen Leiterplatte durch eine Absorberfolie (EMI-Patch). (kr)

Literatur

[2] Zenkner, H.: EMV-Störsignale wirkungsvoll abschirmen – Teil 1: Grundlagen der Gehäuseschirmung. ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Elektromechanik 1/2025, S. 6 ff.

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

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