Chomerics EMV-Abschirmung frühzeitig eindesignen

EMV ist ein leidiges Thema, das oft erst dann angefasst wird, wenn es gar nicht mehr anders geht. Doch eine frühzeitig im Designprozess berücksichtigte EMV-Abschirmung könnte die Produktentwicklung deutlich beschleunigen. Dazu müssen jedoch grundlegenden Designentscheidungen getroffen werden.

Von: Gerard Young, Applications Team Leader, Parker Hannifin, Chomerics Division Europe

Elektronikentwickler betrachten elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) oft als zweitrangiges Problem, das erst dann erledigt wird, wenn das Design bereits funktioniert. Zur Not wird das Design einfach in ein metallisches Gehäuse verbaut – und Gehäuse sind das Problem der Mechaniker, also können die sich auch darum kümmern. Leider unterliegen Mechaniker aber strengen Vorgaben hinsichtlich Gewicht, Kosten, Schutz vor Umgebungseinflüssen, Korrosion und zahlreicher anderer mechanischer Anforderungen. Solange Elektroniker und Mechaniker nicht von vornherein – also von Beginn des Projekts an – ihre jeweiligen Anforderungen kennen, kann sich das Projekt verzögern und den Kostenrahmen sprengen. Der Projektplan lässt sich dann voraussichtlich nicht einhalten.

Grundlegende Abschirmung und Geometrieentscheidungen

Ein Beispiel: Eine EMV-Abschirmung soll für ein nach IP67 abgedichtetes Gehäuse dienen, das im maritimen Umfeld zum Einsatz kommt. Das Gehäuse besteht aus einer Aluminiumlegierung, die Beschichtung muss noch definiert werden, die Dichtung besteht aus O-Ringen in einer Nut sowie einer Abdeckung, die an ihrer Position verschraubt wird. Das Gehäuse befindet sich zwar nicht auf Deck und ist somit nicht der rauen See ausgesetzt, es kann aber trotzdem Salznebel und im Brandfall der Einsatz von Löschwasser auftreten. Das Gehäuse wird nicht oft geöffnet, es wird allerdings vorausgesetzt, dass es sich relativ leicht öffnen lässt.

Bisher wurde dafür eine Dichtung in eine Nut eingebracht oder sogar zwei Dichtungen, wobei die äußere eine nichtleitende Gummidichtung gegen Umgebungseinflüsse ist und die innere ein leitfähiges Metall oder eine metallisch gefüllte Gummidichtung wie Cho-seal von Chomerics.

Die Anordnung in Bild 1 zeigt den Ausgangspunkt bei den meisten Designs, die vor Umgebungseinflüssen und elektromagnetischen Störungen geschützt werden müssen. Die Lösung ist flexibel und robust; der Nachteil sind die Bearbeitungskosten und der relativ große Platzbedarf, vor allem wenn nur kleine Elek­tronikmodule zum Einsatz kommen. Weil dieser Platz nicht immer vorhanden ist, muss die EMV-Dichtung sowohl die EMV-Abschirmung als auch die Abdichtung gegen Umgebungseinflüsse übernehmen. Diese Lösung hat den Vorteil, dass weniger Bearbeitungskosten, weniger Bauteile und weniger Dichtmaterial nötig sind. Die Dichtung kann auf der Innenseite leitfähig und an der Außenseite nicht leitfähig sein. Dafür ist eine Dichtung aus zwei Materialien erforderlich, wie z.B. Parker Chomerics’ koextrudierte Elastomer-Dichtung (Bild 2). Kombinierte Zweikomponentenmaterialien können allerdings wesentlich teurer sein als zwei getrennte Materialien.

Aber selbst diese Lösung muss aufgrund von Gewichts- und Kostenvorgaben und dem Wunsch, weniger Bauteile zu verwenden, manchmal überdacht werden. Daher kommen kleine dispensierte Dichtungen wie Choform von Chomerics zum Einsatz, die sich auf einer Stufe befinden und weniger als ein Viertel des Platzes doppelter O-Ring-Lösungen einnehmen. Dabei wird die gleiche Funktion bereitgestellt – und das mit einer nicht leitfähigen Barriere zwischen EMV-Dichtung und der Umgebung. Die Dichtung unterliegt aber der Gefahr, galvanisch zu korrodieren, wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen werden. Die dispensierte Dichtung oder Form-in-Place-Lösung ist in Bild 3 dargestellt. Während frühere Lösungen eine Wandstärke von etwa 12 mm aufwiesen, misst die neue Lösung nur 3 mm oder weniger, was zu einem geringeren Gewicht und höheren Kosteneinsparungen führt. Dabei müssen allerdings engere Toleranzen und eine bessere Ebenheit bei der Metallverarbeitung eingehalten werden. Auch das Risiko der Korrosionsbildung an der Abdeckung (Deckel) und am Gehäuse steigt.

Korrosion lässt sich teilweise durch eine Schutzschicht auf der Metalloberfläche und die sorgfältige Auswahl des Filler-Materials für die Dichtung mindern. Dabei werden die galvanischen Potenziale der Schnittstellen so weit wie möglich angepasst. Auch eine ähnlich dispensierte, nicht leitfähige Wulst außerhalb der EMI-Dichtung ließe sich auftragen.

Alle Lösungen für das Gehäuse benötigen eine Nut oder eine Aussparung, in bzw. auf die die Dichtung platziert wird. Damit ist ein größtmöglicher Kontakt zwischen Metall und Metall gewährleistet, genauso wie eine haptische Rückkopplung für den Druckanschlag der Dichtung. Eine Nut ist jedoch nicht immer möglich; trotzdem ist eine Form von Verpressungsbegrenzer in den meisten Fällen erforderlich. Eine Dichtung, die der einzige elek­tri­sche Kontakt zwischen den Oberflächen ist, ist nicht wünschenswert. Die Anordnung kann ausreichend sein und ist manchmal die einzige Option. Die Abschirmwirkung des Gehäuses ist begrenzt und beträgt bis zu 20 dB Dämpfung – ohne EMV-Dichtung und je nach Gehäusedesign und Frequenzen.

Sieht man sich als Entwickler einem EMV-Problem ausgesetzt, sollte man sich bewusst sein, dass die EMV-Dichtung vor allem dem Zweck dient, die Abschirmkontinuität oder den Faraday’schen Käfig um das geschirmte Gerät herum zu bewahren. Alle anderen Funktionen, wie der Schutz vor Umgebungseinflüssen oder eine Druckdichtung, sind zweitrangig und können den Einsatz einer speziell dafür ausgelegten Dichtung erfordern.