Abschirmung (Elektrotechnik)

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Abschirmbleche innerhalb eines Mobiltelefons

Die Abschirmung elektrotechnischer Geräte, Einrichtungen und Räume dient dazu, elektrische und/oder magnetische Felder von diesen fernzuhalten oder umgekehrt die Umgebung vor den von der Einrichtung ausgehenden Feldern zu schützen.

Elektromagnetische Wellen, die sowohl eine magnetische als auch eine elektrische Komponente besitzen, müssen ebenfalls häufig abgeschirmt werden, um deren Abstrahlung oder Einstrahlung zu verhindern oder zu verringern. Diese Aufgaben gehören zur Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

Die Wirkung einer Abschirmung wird über die Schirmdämpfung quantifiziert. Bei Leitungsschirmen ist die Messgröße der Schirmwirkung die Transferimpedanz.

Maßnahmen zur Abschirmung[Bearbeiten]

Statische und niederfrequente elektrische Felder[Bearbeiten]

Die Abschirmung elektrischer Felder wird mit elektrisch leitfähigen Schirmmaterialien erreicht. Im Regelfall verwendet man an Erd-oder Bezugspotential angeschlossene oder damit verbundene Metallbleche oder -folien. Die elektrostatische Abschirmung funktioniert nach dem Prinzip der Influenz und findet unter anderem bei Mikrofonen und NF-Verstärkern Anwendung. Siehe auch Faraday-Käfig.

Statische und niederfrequente Magnetfelder[Bearbeiten]

Beeinflussung des Verlaufs der magnetischen Feldlinien durch ferromagnetisches Material. Innerhalb des Rings kommt es durch Abschirmung zu einem nahezu feldfreien Raum.

Weichmagnetische Werkstoffe, d. h. ferromagnetische Materialien hoher Permeabilität und geringer Remanenz, wirken auch dem Durchtritt von Magnetfeldern geringer Frequenz oder konstanten Feldern entgegen. Eine magnetische Abschirmung wirkt gleichzeitig auch elektrisch abschirmend, wenn sie hinreichend leitfähig ist.

Magnetische Abschirmungen werden z. B. in Röhrenmonitoren und Oszilloskopen mit Kathodenstrahlröhre eingesetzt, da es aufgrund magnetischer Störquellen zu Bildstörungen kommen kann. Dauermagnete von Lautsprechern in Fernsehgeräten mit Bildröhre werden oft magnetisch abgeschirmt. Weitere Anwendungen sind Abschirmungen von Netztransformatoren und Motoren in Tonbandgeräten und Plattenspielern mit magnetischem Abtastsystem.

Ein für diese Zwecke geeigneter Werkstoff ist das hochpermeable, sogenannte Mumetall, das jedoch gegenüber Verformungen empfindlich ist und nach Bearbeitung daher oft unter Schutzgas geglüht werden muss. Für flexible Kabelabschirmungen gibt es auch andere Materialien, die weitgehend unempfindlich gegen Verformung sind und ohne kundenseitige Wärmebehandlung eingesetzt werden können.

Die Wirkung der Abschirmung lässt sich durch die Brechung der Feldlinien beim Eintritt von B-Feldern in Materie erklären. Bei Stoffen mit einer Permeabilität in der Größenordnung von 10.000 und darüber wird jede einfallende Feldlinie praktisch in die tangentiale Richtung gebrochen und jede ausfallende in Richtung des Lots. Die Feldlinien werden also an der Abschirmung entlang geleitet und dringen nicht hindurch. Daraus ergibt sich, dass magnetische Abschirmungen möglichst in sich geschlossen sein sollten, um wirksam zu sein.

Elektromagnetische Felder[Bearbeiten]

Hochfrequente, elektromagnetische Wechselfelder (elektromagnetische Wellen) können nur mit elektrisch leitfähigen, allseitig geschlossenen Hüllen ausreichender Dicke vollständig abgeschirmt werden: wegen des Skineffekts dringt ein elektromagnetisches Wechselfeld nur bis zur Skintiefe in elektrisch leitfähiges Material ein. Der Skineffekt erleichtert die Abschirmung elektromagnetischer Felder bei hohen Frequenzen, da bereits sehr dünnes Blech wirksam ist. Spalte oder Öffnungen verringern die Schirmdämpfung und machen diese zunichte, wenn die größte Abmessung der Öffnungen oder Spalte die Größenordnung der halben abzuschirmenden Wellenlänge erreicht oder überschreitet. Als Faustregel gilt, dass Öffnungen die Schirmung bereits signifikant verringern, wenn ihre Ausdehnung etwa ein Zehntel der Wellenlänge erreicht. Die Verschlechterung entsteht dadurch, dass der vom abzuschirmenden Feld auf der Schirmoberfläche erzeugte Strom um die Öffnungen (Aperturen) herumfließt und als Sendeantenne wirkt. Diese Oberflächenströme haben einen Durchgriff des Feldes durch den Schirm zur Folge und bewirken ein Feld, das dem eines elektromagnetischen Dipols oder Multipols an der Stelle der Öffnung entspricht. Das Dipol- oder Multipolfeld überlagert sich auf der ungeschützten Seite des Schirms der ankommenden elektromagnetischen Welle. Deshalb werden Türen und Gehäuseteile einer Abschirmung, eines Schaltschrankes oder Gehäuses mit leitfähigen Lamellen oder Metallgeflechten gedichtet, die eine möglichst kontinuierlich geschlossene elektrische Kontaktierung ergeben. Die Schirmwirkung metallischer Gehäuse kann durch Kabel und Leitungen, die die Gehäuseberandung durchdringen, erheblich beeinträchtigt werden. Solche Kabeleinführungen, Steckverbinder und Klemmstellen bedürfen zur Abschirmung hochfrequenter Störsignale daher einer sorgfältigen mechanischen Gestaltung:

  • Leitungsschirme werden möglichst über ihren gesamten Umfang geschlossen (360°) mit der Schirmwand verbunden.
  • Leitungsschirme werden zur Schirmung gegen die magnetische Komponente elektromagnetischer Felder beidseitig angeschlossen, damit ein Ausgleichsstrom fließen kann, der dem einfallenden Feld entgegenwirkt. Leitungsschirme sollten also an beiden Enden mit dem jeweiligen Schirmgehäuse kontaktiert sein.
  • Leitungsschirme sollten ein leitfähiges Gehäuse nicht isoliert durchdringen, sondern direkt an der Eintrittsstelle kontaktiert werden.
  • Ungeschirmte Leitungen sollten über Filter (Durchführungskondensatoren, Netzfilter) geführt werden.

Ableitung von Störungen am Kabelschirm[Bearbeiten]

Schirmanschlussklammer SKL zur Ableitung von Störungen am Kabelschirm
Kontaktfläche einer SKL Schirmklammer

Die Normen VDE 0113-1 bzw. DIN EN 60204-1 schreiben einen Potentialausgleich für die elektrische Ausrüstung einer Maschine vor. Unerwünschte Folgen durch elektrostatische, elektromagnetische und netzgebundene Störungen sollen, soweit möglich, vermieden werden.

Unter anderem dienen hierzu folgende Maßnahmen:

  • Bezugspotentiale in „schmutzig" und „sauber" aufteilen.
  • Alle Masseverbindungen so kurz wie möglich halten.
  • Geschirmte Leitungen verwenden und Schirm beidseitig erden.

Zur wirksamen Ableitung von potentiell auftretenden Störungen auf dem Kabelschirm ist eine ständige und großflächige Kontaktierung des Kabelschirms (die mindestens 60% des Schirmumfangs betragen sollte) mit dem Ableitelement notwendig (z.B. durch eine Schirmanschlussklammer).

Die Werte des Wirkwiderstandes (Betrag der Impedanz) sollten möglichst gering sein. Insbesondere bei hochfrequenten Leitungsstörungen ist eine sehr gute Ableitung der Störungen, die vom Kabelmantel in der industriellen Umgebung aus den vorhandenen Störfeldern umgewandelt werden, sehr wichtig. Sehr gute Werte wären z.B. ein Wirkwiderstand von unter 120 Ohm in einem Frequenzbereich bis 1000 MHz und von unter 20 Ohm in einem Frequenzbereich von 10 KHz bis 100 MHz.

Schirmdämpfung[Bearbeiten]

Die Schirmwirkung wird über die dimensionslose Größe Schirmdämpfung meist messtechnisch erfasst. Die Schirmdämpfung ist für den Magnetfeldanteil das Verhältnis des ungedämpften Außenfeldes Ha an einem gegebenen Ort zum verbleibenden Restfeld Hi am selben Ort nach Einfügen eines Schirms. Die Abschirmung koaxialer Leitungen quantifiziert die Transferimpedanz; umgangssprachlich heißt die Transferimpedanz auch Koppelwiderstand.

Literatur[Bearbeiten]

  •  H. Kaden: Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik. 2., vollst. neu bearb. A. Auflage. Springer Verlag, 1959 (März 2006), ISBN 3-540-32569-7.
  •  H. Wolfsperger: Elektromagnetische Schirmung – Theorie und Praxisbeispiele. Springer Verlag, 2008, ISBN 978-3-540-76912-5.

Weblinks[Bearbeiten]