Glauben Sie, es reiche aus, die Baugruppe in ein Aluminiumgehäuse zu stecken, um sie zu schirmen?
Tatsächlich bringen ein Metallgehäuse oder ein geschirmtes Kabel nichts, solange sie nicht mit GND verbunden sind. Schlimmer noch: ein floatender Schirm kann sogar als Antenne wirken, die Störungen einsammelt. Dieser Artikel erklärt anhand des Ersatzschaltbilds, warum Schirmung funktioniert.
Die drei Arten der Schirmung
Störungen, die sich durch die Luft ausbreiten, nehmen drei Wege – und jeder verlangt eine andere Art von Schirm.
- Elektrostatische Schirmung: blockiert die elektrostatische Kopplung (über Streukapazitäten). Verwendet einen elektrischen Leiter
- Magnetische Schirmung: blockiert die elektromagnetische Induktion (Flussverkettung). Bei tiefen Frequenzen ein magnetisches Material, bei hohen ein Leiter
- Elektromagnetische Schirmung: blockiert elektromagnetische Wellen (Fernfeld). Verwendet einen elektrischen Leiter
Es sind drei verschiedene Phänomene, doch ein reales Metallgehäuse übernimmt alle drei zugleich. Wir beginnen mit dem grundlegendsten Fall: der elektrostatischen Schirmung.
Elektrostatische Schirmung – warum sie an GND muss
Elektrostatische Kopplung ist Störung, die über Streukapazitäten übertragen wird. Besteht zwischen der Störquelle A und dem betroffenen Kreis B eine Streukapazität C1, so gelangt die Spannungsänderung von A über sie zu B.
Was geschieht, wenn man einen Schirm (eine leitende Platte) zwischen A und B einfügt? Betrachten wir das Ersatzschaltbild.
Mit GND verbundener Schirm: Die Störung von A erreicht den Schirm über C2, doch da der Schirm an GND liegt, bleibt sein Potenzial null. Ist das Schirmpotenzial null, wird über C3 keine Störung an B weitergegeben.
Floatender Schirm (nicht mit GND verbunden): Die Störung von A verschiebt über C2 das Schirmpotenzial und gelangt über C3 weiter zu B. Der Schirm wird zum Mittelpunkt eines kapazitiven Teilers, der die Störung weiterreicht – die Schirmwirkung ist null, es kann sogar schlimmer werden.
Genau deshalb wirkt ein Schirm „erst, wenn er an GND liegt“.
Elektromagnetische Schirmung – „Reflexion“ und „Absorption“ im Metall
Die Schirmung gegen elektromagnetische Wellen (hohe Frequenzen) beruht darauf, dass Metall sie reflektiert und absorbiert.
Reflexionsdämpfung
Der Wellenwiderstand von Luft beträgt rund 377 Ω, der von Metall ≪ 1 Ω. Wegen dieser großen Fehlanpassung wird der größte Teil der Welle an der Metalloberfläche reflektiert. Schon dieser Effekt allein verschafft selbst einem dünnen Blech eine hohe Schirmwirkung.
Absorptionsdämpfung
Der Anteil der Welle, der ins Metall eindringt, treibt Ströme (Wirbelströme) und wird in Wärme umgesetzt. Die Welle klingt beim Vordringen exponentiell ab und ist ab einer bestimmten Tiefe – der Eindringtiefe bzw. Skintiefe – praktisch null. Die Skintiefe wird mit steigender Frequenz kleiner, sodass bei hohen Frequenzen auch dünnes Metall genug absorbiert.
Praktisches Fazit: Selbst dünne Metallfolie schirmt hohe Frequenzen ausreichend. Unangenehm ist das niederfrequente Magnetfeld – etwa Netzstörungen bei Netzfrequenz –, dafür braucht es ein hochpermeables magnetisches Material wie Permalloy.
„Löcher“ ruinieren einen Schirm
Damit die elektromagnetische Schirmung voll wirkt, muss das Gehäuse den Kreis lückenlos umschließen. Reale Gehäuse haben jedoch immer Löcher und Spalte: Steckerausschnitte, Lüftungsöffnungen, Kabeldurchführungen, Panelfugen.
Entscheidend ist nicht „die Fläche des Lochs“, sondern seine Länge – die lange Kante. Elektromagnetische Schirmung funktioniert, weil im Schirmmaterial ein induzierter Strom fließt, und ein langer schmaler Schlitz trennt diesen Strompfad auf. Selbst bei kleiner Fläche richtet ein langer Schlitz großen Schaden an.
Gegenmaßnahmen:
- Für die Belüftung viele kleine Löcher statt eines großen (Durchmesser deutlich kleiner als die Wellenlänge)
- Gehäusefugen elektrisch zuverlässig verbinden – Lack macht aus einer Fuge ein elektrisches „Loch“
- Geschirmte Steckverbinder verwenden und deren Schirmgehäuse mit der Gehäusemasse verbinden
Anschluss des Kabelschirms – einseitig oder beidseitig?
Es ist eine Dauerfrage, ob man den Schirm eines geschirmten Kabels nur an einem Ende oder an beiden auflegt.
Elektrostatisch betrachtet genügt es, den Schirm an GND zu legen – einseitig ist also in Ordnung. Beidseitiges Auflegen bildet eine Masseschleife, und ein äußeres Magnetfeld, das diese Schleife durchsetzt, koppelt Störungen ein.
Gegen hochfrequente Induktion entsteht die Schirmwirkung dagegen aus dem Strom, der im Schirm fließt. Strom braucht eine Schleife, also ist beidseitiges Auflegen im Vorteil.
Messungen bestätigen das: bei tiefen Frequenzen gewinnt die einseitige, bei hohen die beidseitige Auflegung. Je nach betrachtetem Frequenzbereich entscheiden – oder beidseitig auflegen und die Schleife konstruktiv beherrschen, das ist die realistische Antwort.
Die Schirmwirkung der Massefläche
Beim Leiterplattenentwurf schirmt nicht nur das Metallgehäuse: die Massefläche selbst wirkt als Schirm.
Führt man eine Signalleitung dicht über der Massefläche, enden ihre elektrischen Feldlinien auf der Fläche, was das Übersprechen auf Nachbarleitungen verringert. Das ist genau das Prinzip der elektrostatischen Schirmung – die Massefläche wirkt als Leiter auf Nullpotenzial.
Die Massefläche in einer Innenlage einer Multilayer-Leiterplatte anzuordnen, sodass sie die Signallagen einschließt, ist die Anordnung mit der größten Schirmwirkung.
Zusammenfassung
- Es gibt drei Arten der Schirmung – elektrostatisch, magnetisch und elektromagnetisch – und jede beruht auf einem anderen Prinzip
- Elektrostatische Schirmung setzt eine GND-Verbindung voraus. Floatend wirkt sie kontraproduktiv – das Ersatzschaltbild zeigt genau, warum
- Elektromagnetische Schirmung kombiniert Reflexion und Absorption. Auch dünnes Metall ist bei hohen Frequenzen wirksam
- Was einen Schirm ruiniert, ist die Länge der Öffnung. Achten Sie auf die lange Kante, nicht auf die Fläche
- Auch die Massefläche schirmt. Nahe an ihr zu routen verringert das Übersprechen
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