Abschirmung (Elektrotechnik)

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Die Abschirmung elektrotechnischer Geräte und Einrichtungen 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. Sehr oft geht es dabei um miteinander verkettete Felder der beiden Arten in Form elektromagnetischer Wellen, deren Abstrahlung oder Einstrahlung verhindert oder verringert werden muss. Dieses Aufgabengebiet heißt Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Für die Elektromagnetische Umweltverträglichkeit setzt die 26. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes Grenzwerte der Restfeldstärke, die jenseits der Abschirmung noch vorhanden sein darf.

[Bearbeiten] Elektrische Abschirmungen

Abschirmungwirkung gegen elektrische Felder wird durch Material hoher elektrischer Leitfähigkeit (z.B. Metalle) erreicht.

Die Wirkung einer elektrischen Abschirmung entsteht durch Schaffung eines mehr oder weniger vollständigen Faraday-Käfigs. Insbesondere bei hochfrequenten elektrischen Wechselfeldern ist es wichtig, dass die Abschirmung tatsächlich allseitig geschlossen ist. Spalte oder Öffnungen, die größer als etwa 1/10 der der Frequenz entsprechenden Wellenlänge sind, schirmen elektrische Wechselfelder oder die daraus entstehenden Magnetfelder nicht ausreichend ab.

Um dies zu erreichen, versieht man Türen und Gehäuseteile oft mit leitfähigen Lamellen oder Metallgeflechten, die möglichst großflächige Kontaktgabe herstellen.

Auch die Abschirmmäntel von Daten- und Signalkabeln müssen frei von Öffnungen sein, sie werden daher oft aus einer Kombination aus Drahtgeflecht und Aluminiumfolie hergestellt.

Die Abschirmwirkung von Gehäusen wird oft durch in diese hineinführende Kabel und Leitungen zunichte gemacht. Solche Kabeleinführungen, Steckverbinder und Klemmstellen bedürfen daher einer besonderen Sorgfalt bei der Konstruktion und dem Bau:

Kabelschirme müssen nahe dem Gehäuse mit möglichst kurzer, breiter Kontaktierung mit diesem verbunden werden. Sie müssen beidseitig „aufgelegt“ werden, d.h. an Anfang und Ende mit dem jeweiligen Gehäuse verbunden sein.
ungeschirmte Verbindungen müssen über geeignete Filter (Durchführungskondensatoren, Netzfilter) geführt werden

[Bearbeiten] Magnetische Abschirmungen

Höherfrequente Magnetfelder können aufgrund der in ihnen durch das sich ändernde Magnetfeld entstehenden Wirbelströme durch leitfähige Bleche abgeschirmt werden, die nicht ferromagnetisch sind. Bei Frequenzen oberhalb ca. 1 kHz überwiegen Wirbelstromeffekte bei der magnetischen Schirmwirkung.

Weichmagnetische Werkstoffe, d.h. ferromagnetische Materialien hoher Permeabilität und geringer Remanenz, wirken dagegen auch dem Durchtritt von Magnetfeldern geringer Frequenz oder konstanten Feldern entgegen.

Eine magnetische Abschirmung wirkt gleichzeitig auch elektrisch abschirmend, wenn sie gut leitfähig ist.

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

Ein besonders 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 4K 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 (siehe flexible Kabelabschirmungen).

[Bearbeiten] Abschirmfaktor

Der Abschirmfaktor S ist das Verhältnis des Außenfeldes H_a zum verbleibenden Restfeld H_i 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.

[Bearbeiten] Eindringtiefe

Ein magnetisches Wechselfeld kann aufgrund der in einem leitfähigen Material entstehenden Wirbelströme nicht beliebig weit in dieses eindringen. 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 f_w wie folgt zusammen:

$\partial E=\frac d2\sqrt\frac{f_w}f$

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.