Abschirmung (Elektrotechnik)
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Die Abschirmung elektrotechnischer Geräte, Einrichtungen und Räume dient dazu, elektrische und/oder magnetische Felder von diesen fern zu halten 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.
Für die Elektromagnetische Umweltverträglichkeit setzt die 26. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes Grenzwerte der Restfeldstärke, die jenseits einer Abschirmung noch vorhanden sein dürfen.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Technische Maßnahmen zur Abschirmung
[Bearbeiten] Statische und niederfrequente elektrische Felder
Die Abschirmung elektrischer Felder wird mit Schirmmaterialien hoher elektrischer Leitfähigkeit (z. B. Metalle) erreicht. Die elektrostatische Abschirmung funktioniert nach dem Prinzip der Influenz und findet unter anderem bei dem Faradayschen Käfig Anwendung.
[Bearbeiten] Statische und niederfrequente Magnetfelder
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 eingesetzt, da es aufgrund magnetischer Störquellen zu Bildstörungen kommen kann. Dauermagnete von Lautsprechern in Fernsehgeräten mit Bildröhre werden zum Beispiel 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. Weitere hochpermeable Abschirmwerkstoffe für den Bereich niederer Frequenzen sind:
- Vacoperm 100®
- Permenorm 5000 H3®
- Permenorm 3601®
Für Tieftemperaturanwendungen steht z. B. das Material Cryoperm 10® (siehe Tiefsttemperaturanwendungen) zur Verfügung, das bei 4 K eine ähnlich hohe Permeabilität erreicht wie Mumetall bei Raumtemperatur.
Mumetall und Vacoperm 100® werden vorzugsweise bei kleinen und mittleren Störfeldern eingesetzt. Bei gleichzeitigen Anforderungen an die mechanische Verschleißfestigkeit wie bei Magnetköpfen wird Recovac® empfohlen. Für die Abschirmung stärkerer Streufelder wird Permenorm® verwendet, für Sonderfälle auch Vacofer S2® und Vacoflux 50®.
Für flexible Kabelabschirmungen steht neben Mumetall z. B. die amorphe Legierung Vitrovac 6025X® zur Verfügung; sie ist weitgehend unempfindlich gegen Verformung und kann ohne kundenseitige Wärmebehandlung eingesetzt werden[1].
[Bearbeiten] Elektromagnetische Felder
Elektromagnetische Wechselfelder (elektromagnetische Wellen) können nur mit elektrisch leitfähigen, allseitig geschlossenen Hüllen abgeschirmt werden. Spalte oder Öffnungen verringern ab einer Ausdehnung von etwa einem Zehntel der der Frequenz entsprechenden Wellenlänge die Abschirmung. Diese Degradation entsteht überwiegend dadurch, dass der vom abzuschirmenden Feld im Schirm erzeugte Oberflächenstrom um die Öffnungen (Aperturen) herumfließt und dadurch einen elektromagnetischen Dipol oder Multipol an der Stelle der Öffnung bildet. Dieser Dipol oder Multipol erzeugt seinerseits ein elektromagnetisches Feld, dass sich auf der ungeschützten Seite des Schirms der ankommenden elektromagnetischen Welle überlagert. Auf der zu schützenden Seite wirkt der Dipol oder Multipol als Quelle eines Störfeldes.
Deshalb werden Türen und Gehäuseteile einer Abschirmung, eines Schaltschrankes oder Gehäuses oft mit leitfähigen Lamellen oder Metallgeflechten gedichtet, die eine möglichst kontinuierlich geschlossene elektrische Kontaktierung ergeben.
Die Dichtigkeit der Schirmgeflechte von Daten-, Signal- und Hochfrequenzleitungen (Koaxialkabel) wird oft durch eine Kombination aus Drahtgeflecht und Aluminiumfolie erreicht.
Die Schirmwirkung metallischer Gehäuse wird oft durch Kabel und Leitungen zunichte gemacht, die durch die Gehäuseberandung hindurchführen. Solche Kabeleinführungen, Steckverbinder und Klemmstellen bedürfen daher einer besonderen Sorgfalt bei der Konstruktion und dem Bau:
- Leitungsschirme werden bei Durchtritt durch die Abschirmwandung mit möglichst kurzer, breiter Kontaktierung (möglichst mit rundherum 360° geschlossener Schirmauflegung) mit dieser verbunden.
- Leitungsschirme müssen zur Schirmung gegen die magnetische Komponente elektromagnetischer Felder beidseitig angeschlossen werden, d. h. an Anfang und Ende mit dem jeweiligen Schirmgehäuse kontaktiert sein.
- Leitungsschirme sollten das Gehäuse nicht durchdringen, ehe sie aufgelegt sind.
- Ungeschirmte Leitungen müssen über Filter (Durchführungskondensatoren, Netzfilter) geführt werden.
[Bearbeiten] Abschirmfaktor
Der Abschirmfaktor S ist das Verhältnis des Außenfeldes Ha zum verbleibenden Restfeld Hi im Innern einer Abschirmung.
Für eine geschlossene zylinderförmige Abschirmung im Querfeld gilt näherungsweise folgende Formel:
S = µ * d / D
mit
µ = relative Permeabilität, d = Blech- oder Wanddicke und D = Zylinderdurchmesser.
Eine geschlossene Abschirmung ist daher um so besser, je höher die Permeabilität des Werkstoffes ist und je dicker dessen Wandstärke ausgelegt wird.
Bei sehr starken Feldern treten Sättigungseffekte auf, die man durch mehrere ineinandergeschachtelte Abschirmungen auffangen kann. Die tatsächliche Schirmwirkung wird über die dimensionslose Größe Schirmdämpfung meist meßtechnisch erfasst.
[Bearbeiten] Eindringtiefe
Ein magnetisches Wechselfeld kann aufgrund entstehender Wirbelströme nicht beliebig weit in ein Material eindringen (siehe Skineffekt). Die Wirbelstrom-Grenzfrequenz ist diejenige Frequenz, bei der das Feld in ein Blech noch so weit von beiden Seiten bis zur Mitte eindringt, dass dort die Feldstärke auf den e-ten Teil abgesunken ist.
Die Eindringtiefe ðE hängt mit der Frequenz f und der Wirbelstrom-Grenzfrequenz fw wie folgt zusammen:
Zur magnetischen Abschirmung insbesondere durch nicht ferromagnetische Materialien ist daher eine Materialdicke erforderlich, die bei abnehmender Frequenz zunimmt. Umgekehrt bedeutet das, dass es bei höheren Frequenzen nutzlos ist, die Blechdicke eines Abschirmgehäuses zu erhöhen, um eine bessere Schirmwirkung zu erzielen.
[Bearbeiten] Literatur
- H. Kaden: Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik. 2., vollst. neu bearb. A. Auflage. Springer Verlag, 1959 (März 2006), ISBN 3540325697.
