Abschirmung Elektromagnetischer Felder 20120605

Abschirmung elektromagnetischer FelderGrundlagen und Beispiele

Abschirmungelektromagnetischer Felder

Dr.-Ing. Hans A. Wolfsperger

W+R Schirmungstechnik GmbH

Gewerbering 23, 76287 Rheinstetten

Telefon: 07242-25774-50 Fax:-51

www.schirmungstechnik.de

Inhalt

Einfhrung

Schirmungsmechanismen

Einige Begriffe

Begriffe der Kabelschirmung

Einfluss von Materialeigenschaften, Wandstrke,

Abschirmungelektromagnetischer Felder Folie 2

Einfluss von Materialeigenschaften, Wandstrke, Schirmabmessungen und ffnungen

Schirmgehuse in der Praxis

Auftreten elektromagnetischer Felder

Telekommunikation

(Mikro-) elektronische Gerte

ErdmagnetfeldBlitze

elektrische, magnetische,


Telekommunikation

Navigation

Anlagen zur Energie-

versorgungMikrowellen-herd

Zndung

elektrische, magnetische,

elektromagnetische Felder

Antriebe

Schirmung und Beeinflussungsmodell der EMV

KopplungspfadStrquelle Strsenke

Schirm


KopplungspfadStrquelle Strsenke

Schirm

Schirmung

Schirm: Entstrmittel, welches dazu dient, elektrische oder magnetische Felder innerhalb oder auerhalb eines bestimmten rumlichen Gebietes zu

schwchen


Ziel: Dmpfung der elektromagnetischen Feldkopplung zwischen Strquelle und

Strsenke

Anwendungen fr Elektromagnetische Schirme

EMV: Senkung der Emissionen und/oder Erhhung der Strfestigkeit

EMVU: Senkung der Emissionen, Einhaltung der Personenschutzgrenzwerte

Kombination aus EMV- und EMVU-Grnden (z.B. in der


Kombination aus EMV- und EMVU-Grnden (z.B. in der Medizintechnik: MRT)

Abhrschutz

Abstrahlschutz (Verringerung der blostellenden Abstrahlung)

EMP-Schutz, Schutz gegen vorstzliche Elektromagnetische Beeinflussung

Beispiel: Geschirmtes Labor

Geschirmtes Labor fr Akustische Messungen, Schirmdmpfung


Schirmdmpfung >80dB (ab 1 MHz)

Beispiel: Geschirmtes Datenkabel


Beispiel: Mobiltelefon


Beispiel: Abhrsicherer Bereich- fiktives Beispiel -

abhrsicherer

mit Schirmung undSchalldmmung,revisionierbar

BesprechungsraumTechnikraum(Trockenbau) mit autarkerKlimaanlage, Brandmelde-anlage, abhrsichererStromversorgung, Filter, USV


abstrahlsichererEDV-Raum

Inhalt

Einfhrung


Einige Begriffe






Elektromagnetisches Spektrum

300.

000

km

30.00

0 km

3.00

0 km

300

km

30 km

3 km

300

m

30 m

3 m

300

mm

30 m

m

3 m

m

300

m

30

m

3 m

300

nm

30 n

m

Wellenlnge

Elektromagnetische Schirmung

emscreen Schirmung


1 H

z

10 H

z

100

Hz

1 k

Hz

10 kH

z

100

kHz

1 M

Hz

10 M

Hz

100

MH

z

1 G

Hz

10 G

Hz

100

GH

z

1 TH

z

10 TH

z

100

THz

1000

TH

z

10.00

0 TH

z

Bahnstrom UKW-Radio

MobilfunkGSM 900 MHz

Frequenz

Radar

Mikrowellen-herd

sichtbaresLicht

UV-CSatellitTV

CB-Funk

MW-Radio

LW-Radio

Strom-netz

Elektromagnetische Feldtypen und ihre Schirmungsmechanismen

Statische FelderZeitinvariant. f=0

Dynamische FelderZeitvernderlich. f>0

Magnetisches Feld

(H-Feld, B-Feld)

Elektrisches Feld

(E-Feld, D-Feld)

Mag.

Quasistatische FelderFelder ohne Wellenausbreitung

Elektr.

Elektromag.Welle

Wellen-ausbreitung


Mag.Wechsel-

feld

Elektr.Wechsel-

feldBeidseitige

Verkopplung von E und H

Hochperme-able Hlle,

aktive Schirmung

Faraday-Kfig Geschlossene, leitfhige HlleSchirmung aufgrund von Wirbelstrmen

Induktion

A

b

s

o

r

p

t

i

o

n

R

e

f

l

e

x

i

o

n

T

r

a

n

s

m

i

s

s

.

Wirkungsweise des magnetostatischen Schirms

Mechanismus zur Schirmung statischer und langsam-


und langsam-vernderlicher Magnetfelder:DC x kHz

Brechung von Feldlinien an Grenzflchen

1magnetischeFeldlinie

61=


2 > 1

hier:106

2

1=

Magnetostatischer Schirm

NNNNN

Material mit hoher Pemeabilitt, z.B. Eisen


DUTS

N

DUTS

N

DUTS

N

DUTS

N

DUTS

N

Wirkungsweise des Faraday-Kfigs

Mechanismus zur Schirmung statischer und vernderlicher


und vernderlicher elektrischer Felder:

DC GHz

Elektrostatischer Schirm (Faradayscher Kfig)

1. ueres Feld

metallischePlatten


Eauen


2. Ladungen auf den Platten werden influenziert


Eauen


3. Platten werden verbunden, Ladungen verschieben sich

Kurzschluss


sich

Eauen


4. Ladungs-verteilung kompensiert ueres Feld

E =0innen


Eauen

E =0innen

Wirkungsweise des elektrodynamischen Schirms

Mechanismus zur Schirmung

elektrischer und


elektrischer und magnetischer Felder, sowie EM-Wellen:kHz GHz

Elektrodynamischer Schirm: Induktion und Durchflutung

N

S

SEtan

Leiter

I


SEtan

= &dtd H

Induktion Durchflutung

Elektrodynamischer Schirm: Wirbelstrme sind unsere Freunde!

H

IWirbel leitfhigesGehuse


HaH , erzeugtvon

r

WirbelIHgesamt

Skineffekt - Eindringtiefe

f1

pi=

Permeabilitt Frequenz

Strom-dichte


Permeabilitt

Leitfhigkeit

Frequenz

( )( ) 368,0e

10H

H==

niedrige Frequenz hohe Frequenz

Elektromagnetisches Wellenfeld

Ei Ei

HHi

Si K

ErE

Sr


Hi

Reflektion elektromagnetischer Wellen an leitenden Oberflchen

ErErHr Hr

bersicht der Schirmungsmechanismen

Feldtyp Schirmmaterialien Schirmungsmechanismus Bauform

Elektrostatische Felder

elektrisch leitfhig Faradayscher Kfig: Ladungsverschiebung

offen

Magnetostatische Felder

magnetisch leitfhig (permeabel)

Magnetostatischer Schirm: Brechung der Feldlinien durch das Schirmmaterial

offen

Elektrische Wechselfelder (langsam

elektrisch gut leitfhig Faradayscher Kfig: Ladungsverschiebung

offen


(langsam vernderlich) Magnetische Wechselfelder 100kHz elektrisch gut leitfhig Elektrodynamischer Schirm: Wirbelstrme, die ein Gegenfeld erzeugen

geschlossen

Elektromagnetische Wellenfelder

elektrisch leitfhig Elektrodynmischer Schirm mit Skineffekt: Oberflchenstrme fhren zur Reflektion der ankommenden Welle

vollstndig geschlossen

Inhalt

Einfhrung


Einige Begriffe






Schirmdmpfung (Definition)

Schirm mit

Schirm ohnem H

Hlog 20a = magnetische Schirmdmpfung


Schirm mit

Schirm ohnee E

Elog 20a = elektrische Schirmdmpfung

Schirmdmpfung, gemessen als Einfgungsdmpfung

1.

a

p H , E0 0 0

0

Sendeantenne

Eingangs-leistung

Empfangs-antenne


Einfgungs-dmpfungas=a0-a1

2.

a

p0 11

1

Schirm

Sendeantenne

Hohlraumresonanzen

Bei bestimmtenFrequenzen Ausbildungvon Stehwellen im Schirm

Quaderfrmiger Schirm Resonanzfrequenzen

Schirm

z

Eres

Schirm


2220

Rz

c

yb

x

a

2cf

+

+

=

Bei Resonanz: Auftreten von sehr hohen Feldstrkewerten an bestimmten Punkten im Raum

xy

x, y, z: Gehuseabmessungen [m]a, b, c:Modenzahlen

Einkopplung durch Lcher etc.

Schirm

ueres(Wellen-)Feld

/2

/4

Schirm

ueres Feld


Regel: d

Typischer Schirmdmpfungsverlauf eines Gehuses

am

Strom-verdrngung

ffnungen, Kontaktflchen,Durchfhrungen machen sich bemerkbar

Resonanzen


f

Inhalt

Einfhrung


Einige Begriffe






Kabelschirmung: Die Kopplungsimpedanz

UstrKurzschluss

Istr

Auenleiter= Kabelschirm


Innenleiterl

Zur Messung: Einspeisung eines Strstroms homin,khom,k

120

Strk

Z Zl1Mj

l1

kdsinhkdR

U)j(Z

+=

+=

=StrI l

Kopplungsimpedanz eines homogenen Rohres:Berechnet und gemessen

0.1

1

10

Z

k

/

R

0


0.0001

0.001

0.01

106 107 108

f [Hz]

Zk

/

R

0

10

Kopplungsimpedanz eines inhomogenen Rohres:Berechneter Verlauf


1000 104 105 106 107 108

f [Hz]

I II III

1

0,1

Kopplungsdmpfung / Nebensprechen

Leitung 1,

nahesEnde

fernesEndeI1

H1 E1

=

n1

n2kn U

Ulog20a

Nahnebensprechen /NEXT


ZiZ1

Z2Z2

Leitung 1,Z1

Leitung 2,Z2

U1n U1f

U2n U2fI2

=

n1

f2kf U

Ulog20a

Fernnebensprechen /FEXT

Inhalt

Einfhrung


Einige Begriffe






Edelmetalle

Kupfer

Aluminium

Eisen

Stahl

Schirmungsmaterialien


Stahl

ferromagnetische Legierungen

metallisierte Kunststoffe

metallisierte Gewebe / Vliese

Kunststoffe mit Metallpartikel

Magnetische Schirmdmpfung eines Zylinderschirms

60

80

100

120

a

m

[

d

B

]

Eisen, r=200

Kupfer

=20mmd=0,5mm


0

20

40

60

100 1000 104 105 106f [Hz]

AluHohe

Permeabilitt wichtig bei niedriger Frequenz!

Einfluss der Wandstrke am Beispiel des ZylinderschirmsMagnetische Schirmdmpfung

=20mm

60

80

100

120

a

m

[

d

B

]

Eisen, r=200

d = 1mm

d = 0,5mm


0

20

40

60

100 1000 104 105 106f [Hz]

Einfluss der Wandstrke beim magnetostatischen Schirm

Schirm-dmpfung

[dB]

Eisen,r = 2000

= 1,5106

Stahl,r = 200

= 10 106Mumetall r = 6000

Alu, Kupfer, V2A usw.

r = 1

20 3,38 10-3 0,0338 1,13 10-3

f=0

Verhltnis Materialstrke zu Wandabstand (d/D) fr einen magnetostatischen


20 3,38 10 0,0338 1,13 10

keine Schirmwir-kung bei f = 0 Hz.

40 0,0375 0,375 0,0125

60 0,375 3,75 0,125

80 3,75 37,5 1,25

magnetostatischen Schirm

Merke

Bei Frequenzen bis in den unteren kHz-Bereich sind Permeabilitt und

Unmagnetische Schirme (r = 1) besitzenkeine Schirmwirkung gegen magnetische Gleichfelder!


Bereich sind Permeabilitt und Wandstrke entscheidende Parameter.

Mit zunehmender Frequenz sind Wandstrke und Permeabilitt zu vernachlssigen.

Einfluss der Schirmabmessungen am Beispiel des ZylinderschirmsMagnetische Schirmdmpfung

Wandstrke0,5 mm

60

80

100

120

a

m

[

d

B

]

Eisen, r=200

10mm

Zylinder-Durchmesser


0

20

40

60

100 1000 104 105 106f [Hz]

10mm20mm40mm100mm

Merke

Ein grerer Schirm besitzt im HF-Bereich immer eine hhere Schirmdmpfung als ein

kleiner Schirm (mit sonst gleichen Eigenschaften).


Bei permeablen Schirmen und niedriger Frequenz (magnetostatischer Schirm) ist es

umgekehrt!

Einfluss von ffnungen am Beispiel einer ausgedehnten WandElektromagnetische Schirmdmpfung

150

200

250

a

[

d

B

]

Eisen, r0=10mm

Cu, r0=10mm

Cu, r0=20mm

Cu, r0=30mm

Unendlich ausgedehnte Wandd = 1mmmit kreisrunder


0

50

100

1000 104 105 106 107 108 109 1010

f [Hz]

0kreisrunder ffnung

Schirmdmpfung eines idealen Gehuses mit LochVergleich Messung Rechnung

80

100

120

140a

[

d

B

]

Lochdurch-messer


20

40

60

80

100 1000f [MHz]

10mm20mm30mm

Merke

Im MHz-Bereich ist die Schirmdmpfung von leitfhigem Material extrem hoch. Die Schirmdmpfung eines Schirms wird dort von ffnungen und Verbindungsstellenbegrenzt.


Die Verdopplung der Abmessungen einer ffnung reduziert die Schirmdmpfung um 18dB

Im HF-Bereich (Lochkopplung dominant) gilt:

Inhalt

Einfhrung


Einige Begriffe






Aufgabe von Elektronikgehusen

Personenschutz (Berhrungsschutz)(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 Strungen(z.B. EN 61000-5-7 )

Aufgabe von Elektronikgehusen

Elektronikgehuse: Schutz vor elektromagnetischen Phnomenen

ESD

EinstrahlungE, H, EM


ElektronikIESD

HESD AbstrahlungE, H, EM

Gehusematerialien

Aluminium Farblos oder gelb chromatiert Roh

Stahlblech Farblos oder gelb verzinkt


Farblos oder gelb verzinkt Aluzink

Edelstahl

Kunststoff Leitfhig bedampft oder lackiert Leitfhiger Kunststoff

EMV-Dichtungen

Kontaktfedern

Drahtgewebedichtungen

Textildichtungen


Teil 2 Folie 54

Textildichtungen

Leitende Silikone

Auswahlkriterien EMV Dichtungen

Toleranzen

Anpressdruck

Rckstellkraft

Umweltanforderungen


Mechanische Befestigungen

Platzbedarf

Materialvertrglichkeit

HF-Eigenschaften

HF-Ersatzschaltbild von EMV-Dichtungssystemen

bergang 1

CL


Dichtung

bergang 2

R

C

EMV-Dichtungsmessdose

zu testende Dichtung

Signaleingang

Abschlusswiderstand

Isolations-ring

Deckel

Mess-platte


Hubvorrichtung

Mess-ausgang

KontaktfederInnenleiter

bergangswiderstand von HF-Dichtungen


Alterungsverhalten von Dichtungen


Frequenzabhngigkeit der Dichtungssysteme

EMC Gehuse 1800x600x600

70

80

90

100

S

c

h

i

r

m

d

m

p

f

u

n

g

[

d

B

]

Kleiner DC-Widerstand

grere kapazitive


0

10

20

30

40

50

60

10 100 1000Frequenz [MHz]

S

c

h

i

r

m

d

m

p

f

u

n

g

[

d

B

]

SSTTextil

grere kapazitive WirkungMetall

Streinkopplung durch Kabeleinfhrung


Streinkopplung durch Kabeleinfhrung

EMC-Gehuse 1800x600x600

60

70

80

Gehuse


0

10

20

30

40

50

60


S

c

h

i

r

m

d

m

p

f

u

n

g

[

d

B

]

Gehuse mitKabel

Gehuse mitnichtabgemanteltemKabel

EMV-Kabeleinfhrungen

Geschirmte Kabel 360 Kontakt des Schirmes mit dem Gehuse direkt an der Eintrittstelle


Ungeschirmte Kabelber Filter direkt an der Eintrittstelle

Geschirmte Kabel und BrummschleifenBeispiel: Surround-Anlage mit Subwoofer


Anschluss der Surround-Anlage

Subwoofer Sourround-Verstrker

TV

Geschirmtes Audio-Kabel

Geschirmtes HDMI-Kabel


Koax-Kabel

Brummschleife !!!

Lsung: Korrekte Erdung bzw. Massefhrung

Subwoofer Sourround-Verstrker

TV

Geschirmtes Audio-Kabel

Geschirmtes HDMI-Kabel


Koax-Kabel

Zustzliche Erdverbindung

Kleine Manahme, groe Wirkung


Beispiel: Dichtungsbergang Seitenteil-Tr

Rahmen

Trverborgene Dichtung


Rahmen

Seitenwand

Metallfederdichtung

Beispiel: Dichtungsbergang Seitenteil-Deckblech

Deckblech

Klebeband

Deckblech

Klebeband


Dichtung

Messerkante

Dichtung

Messerkante

bergang ist isoliert

Transportschaden

Schirmgehuse 2020x600x800

80

100

120

S

c

h

i

r

m

d

m

p

f

u

n

g

[

d

B

]

Transport-schaden

Schirmgehuse 2020x600x800


0

20

40

60

80


S

c

h

i

r

m

d

m

p

f

u

n

g

[

d

B

]

Standard

nderung der HF-Eigenschaften des Gehuses im Betrieb

Beschdigung der Dichtungen bei Montagearbeiten

Alterung der Dichtungssysteme

Korrosion bei nicht geeigneten Umgebungsbedingungen


Korrosion bei nicht geeigneten Umgebungsbedingungen

Regelmige berprfung der Dichtungssysteme whrend Betrieb sinnvoll

PSA Messverfahren

geringer Aufwand

in situ-Messungen

Qualittssicherung


Wartung

Pre-Compliance Messungen Rahmenantenne

Draht-windungen


elektrische Abschirmung

Literatur zum Thema SchirmungDeutschsprachig

Heinrich Kaden: Wirbelstrme und Schirmung in der Nachrichtentechnik

Ursprnglich erschienen als Band 10 in der Reihe: Technische Physik, Springer Verlag, Berlin, zweite, vollst. neu bearb. Aufl. 1959. Nachdruck, 2006


Hans A. Wolfsperger: Elektromagnetische Schirmung

Gebundene Ausgabe: 506 Seiten, Springer, Berlin,1. Auflage Mai 2008

Bert bei EMV- und Schirmungsproblemen und Plant abhrsichere Rume (alle Planungsphasen in Anlehnung an HOAI, TGA)

Errichtet schlsselfertige abhrsichere Rume gem BSI-, EU- oder NATO-Vorgaben sowie nach freier Kundenspezifikation

Fhrt gemeinsam mit der Partnerfirma KIESS hochwertige Innenausbauleistungen durch verfgt ber Messequipment und fhrt Messungen


verfgt ber Messequipment und fhrt Messungennach allen anerkannten Standards durch

besitzt langjhrige Erfahrung im Bereich Hochfrequenztechnik, Abhrschutz und im Baugewerbe

entwickelt alternative Herstellungs- und Messverfahren

verfgt ber einen technisch-wissenschaftlichen Hintergrund

Abschirmung Elektromagnetischer Felder 20120605

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