Abschirmung (Elektrotechnik)

Abschirmbleche innerhalb eines Mobiltelefons

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.

Maßnahmen zur Abschirmung

Statische und niederfrequente elektrische Felder

Die Abschirmung elektrischer Felder wird mit elektrisch leitfähigen Schirmmaterialien erreicht. Im Regelfall verwendet man Metallbleche oder -folien. Die elektrostatische Abschirmung funktioniert nach dem Prinzip der Influenz und findet unter anderem beim Faradayschen Käfig Anwendung.

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 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. Für flexible Kabelabschirmungen gibt es auch andere Materialien, die weitgehend unempfindlich gegen Verformung sind und ohne kundenseitige Wärmebehandlung eingesetzt werden können.

Der Grund der Abschirmung liegt in den Brechungsgesetzen beim Eintritt von B-Feldern in Materie. 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.

Elektromagnetische Felder

Hochfrequente, elektromagnetische Wechselfelder (elektromagnetische Wellen) können nur mit elektrisch leitfähigen, allseitig geschlossenen Hüllen abgeschirmt werden. Spalte oder Öffnungen verringern die Schirmdämpfung. Als Faustregel gilt, dass eine Öffnung ab einer Ausdehnung von etwa einem Zehntel der der Signalfrequenz entsprechenden Wellenlänge die Schirmung signifikant beeinträchtigt. Die Degradation entsteht dadurch, dass der vom abzuschirmenden Feld im Schirm erzeugte Oberflächenstrom um die Öffnungen (Aperturen) herumfließt. Diese Oberflächenströme haben einen Durchgriff des Feldes durch den Schirm zur Folge. Sie 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. 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 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. D. h. Leitungsschirme sollten an beiden Enden mit dem jeweiligen Schirmgehäuse kontaktiert sein.
• Leitungsschirme sollten ein leitfähiges Gehäuse nicht durchdringen, sondern an der Anschlussstelle kontaktiert werden.
• Ungeschirmte Leitungen sollten über Filter (Durchführungskondensatoren, Netzfilter) geführt werden.

Wegen des Skineffekts dringt ein elektromagnetisches Wechselfeld nur begrenzt in elektrisch leitfähiges Material ein. Der Skineffekt begünstigt die Abschirmung elektromagnetischer Felder mit leitfähigem Material, z. B. Blech.

Schirmdämpfung

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

Literatur

• H. Kaden: Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik. 2., vollst. neu bearb. A. Auflage. Springer Verlag, 1959 (März 2006), ISBN 3540325697.
• H. Wolfsperger: Elektromagnetische Schirmung – Theorie und Praxisbeispiele. Springer Verlag, 2008, ISBN 9783540769125.

Weblinks

• Automatic Field Distribution Measurements inside of Enclosures - Symposium Record, 2000 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Washington, 2000 (english) (PDF-Datei; 247 kB)
• Wartung von geschirmten Gehäusen - Konferenzband EMV 2002 Internationale Fachmesse und Kongress, VDE-Verlag 2002 (PDF-Datei; 1.83 MB)
• Grundlagen zur EMV Abschirmung - Grundlagen zur Abschirmung hochfrequenter / niederfrequenter und magnetischer Felder
• Theorie und Praxis bei der Berechnung von Schirmfaktoren Magnetischer Abschirmungen, Vortrag UKMAG, Hanau 2010 (PDF-Datei; 256 kB)