Technologische Fortschritte, beispielsweise die zunehmende Einführung von 5G und die wachsende Bedeutung des Internets der Dinge (IoT), führen zu einem höheren Bedarf an Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI). Die Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und die Reduzierung von EMI-Quellen in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses sind von entscheidender Bedeutung, um Effizienzverluste zu verhindern, kostspielige Neukonstruktionen zu vermeiden und Verzögerungen bei der Produkteinführung zu minimieren. Jedes Designteil oder Subsystem – vom Gehäuse über das Modul bis hin zur Leiterplatte (PCB) – kann eine EMI-Abschirmung enthalten.

Entwickler können in jeder Phase des Designprozesses auf eine Vielzahl von Abschirmungsoptionen für nahezu jede Applikation zurückgreifen, von kommerziellen Anwendungen über Energieinfrastruktur und Verteidigung bis hin zum Bereich Automotive. Dieser Beitrag soll Entwicklern einen Einblick in die technologischen Fortschritte geben, mit denen die aktuellen Ansätze zur EMI-Abschirmung auf den Prüfstand gestellt werden, und einen Überblick über die auf dem Markt erhältlichen Materialien bieten.

Bild 1. Die magnetischen und elektrischen Felder einer elektromagnetischen Welle. (Quelle aller Bilder: Kemtron Ltd, jetzt Teil von TE Connectivity)

Elektromagnetische Störungen sind allgegenwärtig

Elektromagnetische Felder sind ein Merkmal praktisch jeder Schaltung. Oszillierende elektrische Felder und magnetische Flusslinien (Bild 1) treten um den leitfähigen Pfad herum auf, wenn ein Wechselstrom entlang eines Drahtes oder durch eine Leiterplatte fließt. Diese werden zu unerwünschten Störungen, wenn diese Felder induziert oder auf eine andere Schaltung oder einen anderen Draht übertragen werden. Solche unerwünschten elektromagnetischen Störungen werden im Allgemeinen als EMI bezeichnet und können den Betrieb anderer Schaltungen stören oder unterbrechen.

Eine elektrostatische Entladung (Electrostatic Discharge, ESD) ist eine weitere Form von EMI. ESD tritt in der Regel mit unterschiedlicher Frequenz auf, während EMI typischerweise eine konstante Frequenz haben. Kurzzeitige Hochspannungstransienten (hohe dV/dt) können zu Fehlfunktionen oder dauerhaften Schäden an empfindlichen elektronischen Systemen führen. Die meisten elektronischen Systeme erzeugen unbeabsichtigt EMI, darunter Taktgeber, digitale Hochgeschwindigkeits-Schaltwandler, DC/DC-Wandler und drahtlose Schnittstellen.

EMI-Emissionen finden ihren Weg in andere Schaltungen entweder durch Leitung oder Strahlung. Beispielsweise können kleine Taktgeber, an denen entlang Leiterbahnen einer Leiterplatte verlaufen, Strahlung abgeben, in der Regel über 10 MHz, da die Leiterbahnen zu aktiven Antennen werden. Das grundlegende Prinzip von EMV besteht darin, dass eine Schaltung oder ein System immun gegen EMI ist (Bild 2).
 
Bild 2. Die Störfestigkeit gegenüber EMI-Emissionen ist der Schlüssel zur Einhaltung der EMV-Vorschriften.

Marktdynamik und Trends

Ständige Konnektivität und Erreichbarkeit sind allgegenwärtig geworden. Ob zu Hause, unterwegs, bei der Arbeit oder im Auto – unsere Gesellschaft hat noch nie so viele Vorteile einer zuverlässigen und belastbaren Kommunikationsinfrastruktur genossen. Der Aufstieg des IoT und seines Pendants, des Industriellen Internets der Dinge (IIoT), sowie das Wachstum der Mobilfunkkommunikation haben unseren Bedarf und unsere Abhängigkeit von drahtloser Kommunikation verstärkt, die allerdings leider ein wesentlicher Faktor und eine potenzielle EMI-Quelle ist. Die Einführung von drahtlosen 5G-Infrastrukturen, die bisher ungenutzte Funkfrequenzen im Ultra-Hochfrequenzbereich nutzen, führt zu einer weiteren Ausweitung der Gefahr von EMI. Daher ist es wichtiger denn je, dass Produkte EMI-immun sind.

Normen für elektromagnetische Verträglichkeit

Mit nationalen und regionalen Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit, die sich typischerweise an international anerkannten EMV-Standards orientieren (Bild 3), erhalten Hersteller die technischen Daten an die Hand, die Produkte vor dem Verkauf erfüllen müssen. Die Normen legen die maximal zulässigen Emissionen eines Produkts und seine Immunität oder Anfälligkeit gegenüber abgestrahlten oder leitungsgebundenen Emissionen fest. Bei der Entwicklung eines neuen Designs wird empfohlen, dass die Entwickler die Gefahr von EMI berücksichtigen und EMV-Gegenmaßnahmen bereits während des Prototyping-Prozesses und nicht erst im Nachhinein integrieren. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, die geltenden EMI- und EMV-Normen, die wahrscheinlichen Emissionsquellen und die Schaltungsfunktionen zu kennen, die möglicherweise anfälliger für EMI-Störungen sind (siehe Tabelle 1).
 
Bild 3. Prüfung eines zu prüfenden Geräts auf Einhaltung der EMV-Vorschriften.
 
Tabelle 1. Gängige EMI- und EMV-Normen, aufgegliedert nach Branche und Anwendung.

Erreichen der EMV-Zertifizierung

Auch wenn nur eine akkreditierte EMV-Prüfstelle die EMV-Zertifizierung durchführen kann, gibt es für das Entwicklerteam doch viele Punkte, die vor der Übergabe des Produkts an das Prüflabor untersucht werden können. Grundlegende Messungen der strahlungsgebundenen und leitungsgebundenen Emissionen mit einem Spektrumanalysator oder einem mit geeigneten H- und E-Feldsonden ausgestatteten EMI-Empfänger zeigen an, ob weitere Tests oder EMI-Gegenmaßnahmen erforderlich sind. Für ein kleines Entwicklungsteam sind diese teuren Prüfgeräte nur schwer zu beschaffen, aber spezialisierte Unternehmen, die EMI-Prüf- und Messgeräte vermieten, bieten eine kostengünstige Alternative. Es wird dringend empfohlen, Prüfungen zur Einhaltung der Vorschriften durchzuführen, da das Designteam dadurch potenzielle Quellen von Störsignalen lokalisieren und Methoden zur Reduzierung von elektromagnetischer Interferenz wie Abschirmung, Erdung und Entkopplung implementieren kann. Es ist auch wichtig, dass ein Produkt elektromagnetischen Emissionen ausgesetzt wird.

Stufen der EMI-Abschirmung

Die Reduzierung von EMI und die Schaffung von EMI-Immunität für Schaltungsfunktionen setzen einen systematischen Ansatz im Designprozess des Produkts voraus. Dies umfasst Aspekte des Leiterplatten-Designs, die Integration von Masseflächen und die Trennung von Geräten mit EMI-Störungen von empfindlichen analogen Signalpfaden. Die Abschirmung von Bauteilen, Funktionsteilen und Modulen stellt aufgrund einer dreistufigen Methode, die sich auf Gehäuse, Module und Leiterplatten konzentriert, einen praktischen Ansatz für viele Applikationen dar (Bild 4).
 
Bild 4. Der dreistufige Ansatz zur Umsetzung der EMI-Abschirmung.
Die Abschirmung von Strahlungsemissionen funktioniert durch die Schaffung eines faradayschen Käfigs um die EMI-Quelle herum. Die Implementierung einer Abschirmung auf Gehäuseebene reduziert das Entweichen oder Eindringen potenzieller Störquellen. Einige Schaltungsfunktionen können jedoch zusätzliche Schutzebenen verlangen, um zu verhindern, dass interne EMI andere Schaltungsfunktionen beeinträchtigt. Die Abschirmung auf modularer Ebene ist eine große Hilfe und wird regelmäßig bei Funkmodulen, DC/DC-Schaltwandlern und LCD-Panels eingesetzt. Bei empfindlichen Komponenten wie beispielsweise einem Analog-Digital-Wandler-IC kann eine Abschirmung auf Leiterplattenebene erforderlich sein. Die Notwendigkeit einer Abschirmung gilt auch für alle Arten von Verbindungen, daher sollte nicht übersehen werden, dass abgestrahlte Emissionen auch nicht durch Kabelverschraubungen, Stecker und Buchsen entweichen dürfen.

Materialien für die EMI-Abschirmung

Zu den Bauteilen, die zur EMI-Abschirmung verwendet werden, zählen Drahtgestrick-Dichtungen, elektrisch leitfähige Elastomere, leitfähige Gewebe und Metallfinger. Jeder dieser Typen weist leicht unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Dämpfung elektromagnetischer Störungen auf und eignet sich für bestimmte Anwendungsfälle. Bild 5 veranschaulicht die Dämpfung dieser vier Abschirmungstypen in Abhängigkeit von der Frequenz.
 
Bild 5. Die EMI-Dämpfungseigenschaften von vier gängigen EMI-Abschirmungsmaterialien in Abhängigkeit von der Frequenz.
Drahtgestrick: Die Verwendung mehrerer gestrickter Drahtlagen über einem Schwamm oder einem Rohrkern unter Verwendung verschiedener Materialien bietet eine effektive Lösung für elektromagnetische Störungen und galvanische Kompatibilität. Der Strickansatz ermöglicht die Herstellung komplexer Formen und die Verbindung mit Trägermaterialien, um einen Schutz gegen Eindringen von EMI zu schaffen. Die Abschirmung durch ein Drahtgestrick eignet sich für verschiedene Anwendungsfälle, darunter Schaltschranktüren, Abdeckungen und abnehmbare Deckplatten. Das Betriebsverhalten der Abschirmung nimmt in der Regel über 1 GHz hinaus ab, es sei denn, es werden zusätzliche Schichten integriert. Beispiele hierfür sind die Kemtron-Reihe von Drahtgestrick-Dichtungen von TE Connectivity (Bild 6), die in geschnittenen Längen oder in fertigen Formen für Dichtungen erhältlich sind.
 
Bild 6. Die Kemtron-Drahtgestrick-Dichtungen von TE Connectivity sind in Endloslängen und in spezifischen Größen erhältlich.
Elektrisch leitfähige Elastomere: Die Produktpalette von Kemtron Ltd (jetzt Teil von TE Connectivity) Kemtron Ltd (jetzt Teil von TE Connectivity) ist in verschiedenen Materialien und Formen erhältlich (Bild 7) und bietet eine Dämpfung von über 100 dB bis zu 10 GHz [2]. Zu den Füllmaterialien zählen versilbertes Aluminium und vernickelter Graphit, als Bindemittel kommen Silikon oder Fluorsilikon zum Einsatz. Zu den gängigen Produktformen zählen Platten, Flachdichtungen und O-Ringe. „Kontermutter“-O-Ring-Dichtungen sind speziell für die Abschirmung von HF-EMI konzipiert und für die gängigsten Steckverbinderformate erhältlich .
 
Bild 7. Elektrisch leitende Elastomere von Kemtron / TE Connectivity bieten eine Dämpfung von bis zu 100 dB bei 10 GHz.
Wabenförmige Lüftungsöffnungen: Bei Applikationen, bei denen ein Lüfter zur Zwangsluftkühlung verwendet wird, bietet die Öffnung des Lüfters einen direkten Weg für Störungen, die aus einem ansonsten EMI-abgeschirmten Gehäuse austreten. Um dies zu verhindern, können wabenförmige Lüftungsöffnungen, wie die der Produktreihe von Kemtron/TE Connectivity, verwendet werden. Diese bieten eine verbesserte EMI-Leistung und ermöglichen gleichzeitig einen ausreichenden Luftstrom durch ihre laminierte, einschichtige Aluminiumfolien-Wabenzellen-Bauweise. Die Lüftungsöffnungen sind in allen gängigen Lüftergrößen von 40 mm bis 120 mm erhältlich.

Einhaltung der EMV-Vorschriften durch EMI-Abschirmungen

Elektromagnetische Störungen durch unerwünschte Störaussendungen von Geräten stören den zuverlässigen Betrieb von Systemen. Die Einhaltung der EMV-Vorschriften ist eine gesetzliche Anforderung und unerlässlich, um ein fehlerhaftes Systemverhalten zu vermeiden. In diesem kurzen Beitrag haben wir einige Methoden zur Abschirmung vorgestellt, die Entwickler zur Verbesserung der Störfestigkeit umsetzen können.