Abschirmung elektromagnetischer Felder Grundlagen und Beispiele

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1 elektromagnetischer Felder Grundlagen und Beispiele Dr.-Ing. Hans A. Wolfsperger W+R Schirmungstechnik GmbH Gewerbering 23, Rheinstetten Telefon: Fax:-51 elektromagnetischer Felder

2 Inhalt Einführung Schirmungsmechanismen Einige Begriffe Begriffe der Kabelschirmung Einfluss von Materialeigenschaften, Wandstärke, Schirmabmessungen und Öffnungen Schirmgehäuse in der Praxis elektromagnetischer Felder Folie 2

3 Auftreten elektromagnetischer Felder Telekommunikation Erdmagnetfeld Blitze elektrische, magnetische, elektromagnetische Felder (Mikro-) elektronische Geräte Zündung Anlagen zur Energieversorgung Mikrowellenherd Antriebe Navigation elektromagnetischer Felder Folie 3

4 Schirmung und Beeinflussungsmodell der EMV Schirm Störquelle Kopplungspfad Störsenke Schirm Störquelle Kopplungspfad Störsenke elektromagnetischer Felder Folie 4

5 Schirmung Schirm: Entstörmittel, welches dazu dient, elektrische oder magnetische Felder innerhalb oder außerhalb eines bestimmten räumlichen Gebietes zu schwächen Ziel: Dämpfung der elektromagnetischen Feldkopplung zwischen Störquelle und Störsenke elektromagnetischer Felder Folie 5

6 Anwendungen für Elektromagnetische Schirme EMV: Senkung der Emissionen und/oder Erhöhung der Störfestigkeit EMVU: Senkung der Emissionen, Einhaltung der Personenschutzgrenzwerte Kombination aus EMV- und EMVU-Gründen (z.b. in der Medizintechnik: MRT) Abhörschutz Abstrahlschutz (Verringerung der bloßstellenden Abstrahlung) EMP-Schutz, Schutz gegen vorsätzliche Elektromagnetische Beeinflussung elektromagnetischer Felder Folie 6

7 Beispiel: Geschirmtes Labor Geschirmtes Labor für Akustische Messungen, Schirmdämpfung >80dB (ab 1 MHz) elektromagnetischer Felder Folie 7

8 Beispiel: Geschirmtes Datenkabel elektromagnetischer Felder Folie 8

9 Beispiel: Mobiltelefon elektromagnetischer Felder Folie 9

10 Beispiel: Abhörsicherer Bereich - fiktives Beispiel - abhörsicherer Besprechungsraum mit Schirmung und Schalldämmung, revisionierbar Technikraum (Trockenbau) mit autarker Klimaanlage, Brandmeldeanlage, abhörsicherer Stromversorgung, Filter, USV abstrahlsicherer EDV-Raum elektromagnetischer Felder Folie 10

11 Inhalt Einführung Schirmungsmechanismen Einige Begriffe Begriffe der Kabelschirmung Einfluss von Materialeigenschaften, Wandstärke, Schirmabmessungen und Öffnungen Schirmgehäuse in der Praxis elektromagnetischer Felder Folie 11

12 Elektromagnetisches Spektrum Wellenlänge λ km km km 300 km 30 km 3 km 300 m 30 m 3 m 300 mm 30 mm 3 mm µ 300 m µ 30 m µ 3 m 300 nm 30 nm emscreen Schirmung Elektromagnetische Schirmung Bahnstrom LW-Radio UKW-Radio Radar sichtbares Licht Stromnetz MW-Radio Mobilfunk GSM 900 MHz Satellit TV UV-C Mikrowellenherd CB- Funk 1 Hz 10 Hz 100 Hz 1 k Hz 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz 1 THz 10 THz 100 THz 1000 THz THz Frequenz elektromagnetischer Felder Folie 12

13 Elektromagnetische Feldtypen und ihre Schirmungsmechanismen Statische Felder Zeitinvariant. f=0 Dynamische Felder Zeitveränderlich. f>0 Magnetisches Feld (H-Feld, B-Feld) Elektrisches Feld (E-Feld, D-Feld) Quasistatische Felder Felder ohne Wellenausbreitung Mag. Wechselfeld Elektr. Wechselfeld Wellenausbreitung Elektromag. Welle Beidseitige Verkopplung von E und H Induktion Hochpermeable Hülle, aktive Schirmung Faraday-Käfig Geschlossene, leitfähige Hülle Schirmung aufgrund von Wirbelströmen Absorption Reflexion Transmiss. elektromagnetischer Felder Folie 13

14 Wirkungsweise des magnetostatischen Schirms Mechanismus zur Schirmung statischer und langsamveränderlicher Magnetfelder: DC x khz elektromagnetischer Felder Folie 14

15 Brechung von Feldlinien an Grenzflächen µ 1 magnetische Feldlinie hier: µ 1 = µ µ 2 > µ 1 elektromagnetischer Felder Folie 15

16 Magnetostatischer Schirm Material mit hoher Pemeabilität, z.b. Eisen N S DUT elektromagnetischer Felder Folie 16

17 Wirkungsweise des Faraday-Käfigs Mechanismus zur Schirmung statischer und veränderlicher elektrischer Felder: DC GHz elektromagnetischer Felder Folie 17

18 Elektrostatischer Schirm (Faraday scher Käfig) metallische Platten 1. Äußeres Feld Eaußen elektromagnetischer Felder Folie 18

19 Elektrostatischer Schirm (Faraday scher Käfig) 2. Ladungen auf den Platten werden influenziert Eaußen elektromagnetischer Felder Folie 19

20 Elektrostatischer Schirm (Faraday scher Käfig) Kurzschluss 3. Platten werden verbunden, Ladungen verschieben sich Eaußen elektromagnetischer Felder Folie 20

21 Elektrostatischer Schirm (Faraday scher Käfig) E =0 innen 4. Ladungsverteilung kompensiert äußeres Feld Eaußen elektromagnetischer Felder Folie 21

22 Wirkungsweise des elektrodynamischen Schirms Mechanismus zur Schirmung elektrischer und magnetischer Felder, sowie EM-Wellen: khz GHz elektromagnetischer Felder Folie 22

23 Elektrodynamischer Schirm: Induktion und Durchflutung N I S Leiter E tan S dφ dt = φ& H Induktion Durchflutung elektromagnetischer Felder Folie 23

24 Elektrodynamischer Schirm: Wirbelströme sind unsere Freunde! IWirbel leitfähiges Gehäuse Hgesamt H Ha H r, erzeugt von IWirbel elektromagnetischer Felder Folie 24

25 Skineffekt - Eindringtiefe 1 δ = πµσf Permeabilität Frequenz Stromdichte Leitfähigkeit H ( δ) ( ) H 0 = 1 e = 0,368 niedrige Frequenz hohe Frequenz elektromagnetischer Felder Folie 25

26 Elektromagnetisches Wellenfeld E i H i S i E S i r E r K H i E r H r H r Reflektion elektromagnetischer Wellen an leitenden Oberflächen elektromagnetischer Felder Folie 26

27 Übersicht der Schirmungsmechanismen Feldtyp Schirmmaterialien Schirmungsmechanismus Bauform Elektrostatische Felder elektrisch leitfähig Faraday scher Käfig: Ladungsverschiebung offen Magnetostatische Felder magnetisch leitfähig (permeabel) Magnetostatischer Schirm: Brechung der Feldlinien durch das Schirmmaterial offen Elektrische Wechselfelder (langsam veränderlich) elektrisch gut leitfähig Faraday scher Käfig: Ladungsverschiebung offen Magnetische Wechselfelder <100kHz magnetisch gut leitfähig (hochpermeabel) + elektrisch gut leitfähig Kombination aus magnetostatischem und elektrodynamischen Schirm geschlossen mit Öffnungen >100kHz elektrisch gut leitfähig Elektrodynamischer Schirm: Wirbelströme, die ein Gegenfeld erzeugen geschlossen Elektromagnetische Wellenfelder elektrisch leitfähig Elektrodynmischer Schirm mit Skineffekt: Oberflächenströme führen zur Reflektion der ankommenden Welle vollständig geschlossen elektromagnetischer Felder Folie 27

28 Inhalt Einführung Schirmungsmechanismen Einige Begriffe Begriffe der Kabelschirmung Einfluss von Materialeigenschaften, Wandstärke, Schirmabmessungen und Öffnungen Schirmgehäuse in der Praxis elektromagnetischer Felder Folie 28

29 Schirmdämpfung (Definition) H ohne Schirm a m = 20 log magnetische Schirmdämpfung Hmit Schirm a = e 20 log E E ohne Schirm mit Schirm elektrische Schirmdämpfung elektromagnetischer Felder Folie 29

30 Schirmdämpfung, gemessen als Einfügungsdämpfung 1. p H, E Sendeantenne a 0 2. p Sendeantenne Schirm a 1 Eingangsleistung Empfangsantenne Einfügungsdämpfung a s =a 0 -a 1 elektromagnetischer Felder Folie 30

31 Hohlraumresonanzen Eres Schirm z Bei bestimmten Frequenzen Ausbildung von Stehwellen im Schirm Quaderförmiger Schirm Resonanzfrequenzen y x Bei Resonanz: Auftreten von sehr hohen Feldstärkewerten an bestimmten Punkten im Raum f R c0 = 2 a x 2 + b y 2 c + z x, y, z: Gehäuseabmessungen [m] a, b, c:modenzahlen 2 elektromagnetischer Felder Folie 31

32 Einkopplung durch Löcher etc. Schirm λ/2 äußeres äußeres (Wellen-) Feld Feld λ/4 Regel: d<l/10 λ/4 λ/4 elektromagnetischer Felder Folie 32

33 Typischer Schirmdämpfungsverlauf eines Gehäuses a m Öffnungen, Kontaktflächen, Durchführungen machen sich bemerkbar Stromverdrängung Resonanzen f elektromagnetischer Felder Folie 33

34 Inhalt Einführung Schirmungsmechanismen Einige Begriffe Begriffe der Kabelschirmung Einfluss von Materialeigenschaften, Wandstärke, Schirmabmessungen und Öffnungen Schirmgehäuse in der Praxis elektromagnetischer Felder Folie 34

35 Kabelschirmung: Die Kopplungsimpedanz I stör U stör Kurzschluss Außenleiter = Kabelschirm Innenleiter Zur Messung: Einspeisung eines Störstroms Z k l U (jω) = l = R = Z Stör I Stör 0 kd sinhkd k,hom 1 l + jωm + Z 12 k,inhom 1 l elektromagnetischer Felder Folie 35

36 Kopplungsimpedanz eines homogenen Rohres: Berechnet und gemessen 10 Z k /R f [Hz] elektromagnetischer Felder Folie 36

37 Kopplungsimpedanz eines inhomogenen Rohres: Berechneter Verlauf Z k /R I II III 0, f [Hz] elektromagnetischer Felder Folie 37

38 Kopplungsdämpfung / Nebensprechen nahes Ende H 1 U2n E 1 akn = 20 log U1n I 1 fernes Ende Nahnebensprechen / NEXT U 1n Leitung 1, Z 1 Z i Z 1 U 1f Z 2 U 2n I 2 Leitung 2, Z 2 U 2f Z 2 Fernnebensprechen / FEXT a kf U = 20 log U 2f 1n elektromagnetischer Felder Folie 38

39 Inhalt Einführung Schirmungsmechanismen Einige Begriffe Begriffe der Kabelschirmung Einfluss von Materialeigenschaften, Wandstärke, Schirmabmessungen und Öffnungen Schirmgehäuse in der Praxis elektromagnetischer Felder Folie 39

40 Schirmungsmaterialien Edelmetalle Kupfer Aluminium Eisen Stahl ferromagnetische Legierungen metallisierte Kunststoffe metallisierte Gewebe / Vliese Kunststoffe mit Metallpartikel elektromagnetischer Felder Folie 40

41 Magnetische Schirmdämpfung eines Zylinderschirms =20mm d=0,5mm a m [db] Eisen, µ r =200 Kupfer Hohe Permeabilität wichtig bei niedriger Frequenz! f [Hz] Alu elektromagnetischer Felder Folie 41

42 Einfluss der Wandstärke am Beispiel des Zylinderschirms Magnetische Schirmdämpfung =20mm Eisen, µ r =200 a m [db] 80 d = 1mm 60 d = 0,5mm f [Hz] elektromagnetischer Felder Folie 42

43 Einfluss der Wandstärke beim magnetostatischen Schirm f=0 Verhältnis Materialstärke zu Wandabstand (d/d) für einen magnetostatischen Schirm Schirmdämpfung [db] Eisen, µ r = 2000 σ = 1, Stahl, µ r = 200 σ = Mumetall µ r = , ,0338 1, ,0375 0,375 0, ,375 3,75 0,125 Alu, Kupfer, V2A usw. µ r = 1 keine Schirmwirkung bei f = 0 Hz. 80 3,75 37,5 1,25 elektromagnetischer Felder Folie 43

44 Merke Unmagnetische Schirme (µ r = 1) besitzen keine Schirmwirkung gegen magnetische Gleichfelder! Bei Frequenzen bis in den unteren khz- Bereich sind Permeabilität und Wandstärke entscheidende Parameter. Mit zunehmender Frequenz sind Wandstärke und Permeabilität zu vernachlässigen. elektromagnetischer Felder Folie 44

45 Einfluss der Schirmabmessungen am Beispiel des Zylinderschirms Magnetische Schirmdämpfung Wandstärke 0,5 mm a m [db] Zylinder- Durchmesser 10mm 20mm 40mm 100mm Eisen, µ r = f [Hz] elektromagnetischer Felder Folie 45

46 Merke Ein größerer Schirm besitzt im HF-Bereich immer eine höhere Schirmdämpfung als ein kleiner Schirm (mit sonst gleichen Eigenschaften). Bei permeablen Schirmen und niedriger Frequenz (magnetostatischer Schirm) ist es umgekehrt! elektromagnetischer Felder Folie 46

47 Einfluss von Öffnungen am Beispiel einer ausgedehnten Wand Elektromagnetische Schirmdämpfung Unendlich ausgedehnte Wand d = 1mm mit kreisrunder Öffnung a[db] Eisen, r 0 =10mm Cu, r 0 =10mm Cu, r 0 =20mm Cu, r 0 =30mm f [Hz] elektromagnetischer Felder Folie 47

48 Schirmdämpfung eines idealen Gehäuses mit Loch Vergleich Messung Rechnung a[db] Lochdurchmesser 10mm 20mm 30mm f [MHz] elektromagnetischer Felder Folie 48

49 Merke Im MHz-Bereich ist die Schirmdämpfung von leitfähigem Material extrem hoch. Die Schirmdämpfung eines Schirms wird dort von Öffnungen und Verbindungsstellen begrenzt. Im HF-Bereich (Lochkopplung dominant) gilt: Die Verdopplung der Abmessungen einer Öffnung reduziert die Schirmdämpfung um 18dB elektromagnetischer Felder Folie 49

50 Inhalt Einführung Schirmungsmechanismen Einige Begriffe Begriffe der Kabelschirmung Einfluss von Materialeigenschaften, Wandstärke, Schirmabmessungen und Öffnungen Schirmgehäuse in der Praxis elektromagnetischer Felder Folie 50

51 Aufgabe von Elektronikgehäusen Personenschutz (Berührungsschutz) (z.b. EN 60950) Mechanische Aufnahme der Einbauten (z.b. IEC 297, IEC 917) Schutz gegen Staub und Wasser (IP-Schutz) (z.b. EN 60529) Schutz gegen elektromagnetische Störungen (z.b. EN ) elektromagnetischer Felder Folie 51

52 Aufgabe von Elektronikgehäusen Elektronikgehäuse: Schutz vor elektromagnetischen Phänomenen ESD Einstrahlung E, H, EM H ESD Elektronik Abstrahlung E, H, EM I ESD elektromagnetischer Felder Folie 52

53 Gehäusematerialien Aluminium Farblos oder gelb chromatiert Roh Stahlblech Farblos oder gelb verzinkt Aluzink Edelstahl Kunststoff Leitfähig bedampft oder lackiert Leitfähiger Kunststoff elektromagnetischer Felder Folie 53

54 EMV-Dichtungen Kontaktfedern Drahtgewebedichtungen Textildichtungen Leitende Silikone Teil 2 Folie 54 elektromagnetischer Felder Folie 54

55 Auswahlkriterien EMV Dichtungen Toleranzen Anpressdruck Rückstellkraft Umweltanforderungen Mechanische Befestigungen Platzbedarf Materialverträglichkeit HF-Eigenschaften elektromagnetischer Felder Folie 55

56 HF-Ersatzschaltbild von EMV-Dichtungssystemen Übergang 1 L Dichtung R C Übergang 2 elektromagnetischer Felder Folie 56

57 EMV-Dichtungsmessdose Deckel zu testende Dichtung Signaleingang Abschlusswiderstand Innenleiter Kontaktfeder Isolationsring Messplatte Messausgang Hubvorrichtung elektromagnetischer Felder Folie 57

58 Übergangswiderstand von HF-Dichtungen elektromagnetischer Felder Folie 58

59 Alterungsverhalten von Dichtungen elektromagnetischer Felder Folie 59

60 Frequenzabhängigkeit der Dichtungssysteme EMC Gehäuse 1800x600x600 [db] Schirmdämpfung SST Metall Textil Kleiner DC- Widerstand größere kapazitive Wirkung Frequenz [MHz] elektromagnetischer Felder Folie 60

61 Störeinkopplung durch Kabeleinführung elektromagnetischer Felder Folie 61

62 Störeinkopplung durch Kabeleinführung EMC-Gehäuse 1800x600x Schirmdämpfung [db] Gehäuse Gehäuse mit Kabel Gehäuse mit nicht abgemanteltem Kabel Frequenz [MHz] elektromagnetischer Felder Folie 62

63 EMV-Kabeleinführungen Geschirmte Kabel 360 Kontakt des Schirmes mit dem Gehäuse direkt an der Eintrittstelle Ungeschirmte Kabel über Filter direkt an der Eintrittstelle elektromagnetischer Felder Folie 63

64 Geschirmte Kabel und Brummschleifen Beispiel: Surround-Anlage mit Subwoofer elektromagnetischer Felder Folie 64

65 Anschluss der Surround-Anlage Geschirmtes Audio- Kabel Geschirmtes HDMI-Kabel Subwoofer Sourround- Verstärker TV Koax- Kabel Brummschleife!!! elektromagnetischer Felder Folie 65

66 Lösung: Korrekte Erdung bzw. Masseführung Geschirmtes Audio- Kabel Geschirmtes HDMI-Kabel Subwoofer Sourround- Verstärker TV Koax- Kabel Zusätzliche Erdverbindung elektromagnetischer Felder Folie 66

67 Kleine Maßnahme, große Wirkung elektromagnetischer Felder Folie 67

68 Beispiel: Dichtungsübergang Seitenteil-Tür verborgene Dichtung Tür Rahmen Seitenwand Metallfederdichtung elektromagnetischer Felder Folie 68

69 Beispiel: Dichtungsübergang Seitenteil-Deckblech Klebeband Klebeband Deckblech Deckblech Dichtung Dichtung Messerkante Messerkante Übergang ist isoliert elektromagnetischer Felder Folie 69

70 Transportschaden Schirmgehäuse 2020x600x Schirmdämpfung [db] Transportschaden Standard Frequenz [MHz] elektromagnetischer Felder Folie 70

71 Änderung der HF-Eigenschaften des Gehäuses im Betrieb Beschädigung der Dichtungen bei Montagearbeiten Alterung der Dichtungssysteme Korrosion bei nicht geeigneten Umgebungsbedingungen Regelmäßige Überprüfung der Dichtungssysteme während Betrieb sinnvoll elektromagnetischer Felder Folie 71

72 PSA Messverfahren geringer Aufwand in situ-messungen Qualitätssicherung Wartung elektromagnetischer Felder Folie 72

73 Pre-Compliance Messungen Rahmenantenne Drahtwindungen elektrische elektromagnetischer Felder Folie 73

74 Literatur zum Thema Schirmung Deutschsprachig Heinrich Kaden: Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik Ursprünglich erschienen als Band 10 in der Reihe: Technische Physik, Springer Verlag, Berlin, zweite, vollst. neu bearb. Aufl Nachdruck, 2006 Hans A. Wolfsperger: Elektromagnetische Schirmung Gebundene Ausgabe: 506 Seiten, Springer, Berlin, 1. Auflage Mai 2008 elektromagnetischer Felder Folie 74

75 Berät bei EMV- und Schirmungsproblemen und Plant abhörsichere Räume (alle Planungsphasen in Anlehnung an HOAI, TGA) Errichtet schlüsselfertige abhörsichere Räume gemäß BSI-, EU- oder NATO-Vorgaben sowie nach freier Kundenspezifikation Führt gemeinsam mit der Partnerfirma KIESS hochwertige Innenausbauleistungen durch verfügt über Messequipment und führt Messungen nach allen anerkannten Standards durch besitzt langjährige Erfahrung im Bereich Hochfrequenztechnik, Abhörschutz und im Baugewerbe entwickelt alternative Herstellungs- und Messverfahren verfügt über einen technischwissenschaftlichen Hintergrund elektromagnetischer Felder Folie 75