EMC

Kabelschirmwirksamkeit

Berechnet die Schirmwirksamkeit von Koaxialkabeln oder geschirmten Kabeln vs. Frequenz mit dem Transferimpedanzmodell.

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Formel

SE = 20·log₁₀(V_no-shield / V_shield)

Wie es funktioniert

Der Cable Shield Effectiveness Calculator berechnet die Übertragungsimpedanz und die Effektivität der Abschirmung für geschirmte Kabel — unerlässlich für die Einhaltung der EMV-Anforderungen, die Kontrolle der Strahlungsemissionen auf Systemebene und die Immunität gegenüber externen Störungen. Die Techniker von EMC verwenden dies, um die für die Einhaltung der CISPR 32-Klasse B und MIL-STD-461G RE102 erforderliche Kabelabschirmung von 40-80 dB zu erreichen.

Gemäß Henry Otts 'EMC Engineering' und MIL-HDBK-1857 ist der Schlüsselparameter die Übertragungsimpedanz z_T (mohm/m), die den Schirmstrom mit der induzierten Spannung am Innenleiter in Beziehung setzt: V_inner = Z_t x I_Shield x L. Bei niedrigen Frequenzen (unter etwa 1 MHz) entspricht Z_t dem Schirm-Gleichstromwiderstand. Bei höheren Frequenzen reduziert der Hauteffekt Z_t zunächst, aber Flechtöffnungen bewirken, dass Z_t über etwa 10 MHz ansteigt.

Abschirmeffektivität SE = 20 x log10 (Z_ref/(Z_t x L)), wobei Z_ref typischerweise einer 10-Mohm-Referenz entspricht. Ein Kabel mit Z_t = 10 mOhm/m bei 100 MHz und L = 2 m hat SE = 20 x log10 (10/ (10x2)) = -6 dB bei 100 MHz — negatives SE bedeutet, dass das Kabel tatsächlich Rauschen IN einkoppelt. Gemäß CISPR 32 sollten Kabel SE > 40 dB erreichen, um zu vermeiden, dass sie dominante Emissionsquellen sind.

Doppelt geschirmte Kabel (Folie plus Geflecht) erreichen einen SE-Wert von > 60 dB, indem sie die 100-prozentige Abdeckung der Folie mit dem niedrigen Gleichstromwiderstand des Geflechts kombinieren. Gemäß MIL-C-17 erreichen Triaxialkabel SE > 100 dB. Für die meisten industriellen Anwendungen sorgt ein einzelnes Geflecht mit einer Abdeckung von über 85% für ein ausreichendes SE von 30-50 dB unter 100 MHz.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Evaluieren Sie die Kabelabschirmung für ein 2 m langes USB-Kabel mit einfachem Geflechtschirm (Z_t = 20 mOhm/m bei Gleichstrom, steigend als sqrt (1 + (f/10 MHz) ^2)). Ist es ausreichend für CISPR 32 Klasse B?

Lösung pro Ott:

Bei 30 MHz (CISPR 32-Strahlungsstarts): z_T = 20 x sqrt (1 + 9) = 63 mOhm/m
Bei 100 MHz: z_T = 20 x sqrt (1 + 100) = 201 mOhm/m
Bei 300 MHz: z_T = 20 x sqrt (1 + 900) = 600 mOhm/m
SE bei 100 MHz: SE = 20 x log10 (10/ (201 x 2)) = 20 x log10 (0,025) = -32 dB
Mit 10 mA internem Schirmstrom bei 100 MHz: V_coupled = 201e-3 x 0,01 x 2 = 4 mV
Diese Spannung am 50-Ohm-LISN = 4 mV/50 = 80 uA, das Strahlungsfeld beträgt ca. 66 dBuV/m bei 3 m

Analyse: Dieses Kabel bietet eine NEGATIVE Abschirmung über 10 MHz — es dient als Antenne. Für die CISPR 32-Konformität benötigen Sie ein doppelt geschirmtes Kabel (z_T < 10 mOhm/m bei 100 MHz) oder fügen Sie Ferritklemmen hinzu, um eine zusätzliche Schalldämmung von 20 dB zu erzielen.

Praktische Tipps

✓Verwenden Sie einen 360-Grad-Schirmabschluss an den Steckverbindern — gemäß MIL-STD-461G erhöhen die Pigtail-Erdungen eine Induktivität von 20—50 nH, wodurch SE über 30 MHz um 10—20 dB reduziert wird. Endgehäuse-Klemmen- oder Crimpanschlüsse liefern <1 nH.
✓Fügen Sie an beiden Kabelenden Ferritklemmen hinzu — gemäß Murata sorgen Schnapp-Ferrite für eine zusätzliche CM-Dämpfung von 30-500 MHz um 10—20 dB und ergänzen so die Kabelabschirmung, wenn die Abschlussqualität ungewiss ist.
✓Spezifizieren Sie doppelt geschirmte Kabel für Frequenzen über 100 MHz — gemäß CISPR 32-Designleitfaden verschlechtert sich SE bei Einzelgeflechten deutlich über 100 MHz; doppelte Abschirmungen (Folie und Geflecht) halten 60 dB bis 1 GHz aufrecht.

Häufige Fehler

✗Erdungsabschirmung nur an einem Ende — per Ott schirmt eine Einpunkterdung nur elektrische Felder ab; die Magnetfeldkopplung (dominiert oberhalb von etwa 1 MHz) erfordert einen Schirmstromfluss, der an beiden Enden eine Erdung erfordert. Ausnahme: Audiofrequenzen unter 20 kHz, bei denen Erdungsschleifen ein Brummen von 50/60 Hz verursachen.
✗Verlassen Sie sich auf die Bewertung der Schirmeffektivität, ohne den Anschluss zu überprüfen — gemäß MIL-HDBK-1857 fügen Pigtail-Erdungsanschlüsse eine Induktivität von 10—30 nH hinzu, die die Abschirmung oberhalb von 10 MHz umgeht. Verwenden Sie eine umlaufende 360-Grad-Verbindung mit den Endgehäusen der Steckverbinder.
✗Unter der Annahme, dass Folienabschirmungen besser sind als Geflechte, bietet Folie eine optische Abdeckung von 100%, weist jedoch aufgrund des dünnen Aluminiums (typischerweise 10 µm) bei Gleichstrom einen höheren Z_t-Wert als Geflecht auf. Laut Ott bietet eine Kombination aus Folie und Geflecht die beste Leistung: Folie für hohe Frequenzen, Geflecht für niedrige Frequenzen.

Häufig gestellte Fragen

Leistet ein Folienschild besser als ein Flechtschutz?

Abhängig von der Frequenz pro Ott: Die Folie bietet eine 100-prozentige Abdeckung (keine Öffnungen), aber dünnes Aluminium hat einen höheren Gleichstromwiderstand; das Geflecht hat einen niedrigeren Gleichstromwiderstand, ist aber mit Blenden zu 80-95% bedeckt. Unter 10 MHz gewinnt das Geflecht; über 100 MHz gewinnt die Folie. Beste Leistung: Die Kombination aus Folie und Geflecht erreicht einen SE von > 60 dB im gesamten Spektrum gemäß MIL-C-17-Spezifikationen.

Warum schreiben einige Normen vor, die Abschirmung nur an einem Ende zu erden?

Laut Ott verhindert die Einpunkterdung Erdschleifenströme bei 50/60 Hz, die in Audiosystemen zu hörbarem Brummen führen. Eine Einpunkterdung bietet jedoch KEINE Magnetfeldabschirmung oberhalb von etwa 1 kHz. Erden Sie bei EMC-Anwendungen (30 MHz bis 1 GHz) immer beide Enden. Verwenden Sie bei Audiosignalen eine symmetrische (differentielle) Signalübertragung, um Gleichtakt-Brummen zu verhindern, anstatt eine Einpunkt-Erdung durchzuführen.

Was ist die Mindest-SE für die Einhaltung von CISPR 32 Klasse B?

Kein festes Minimum — hängt vom internen Geräuschpegel ab. Laut Ott gilt eine typische Regel: Die internen Emissionen sollten 20 dB unter dem Grenzwert liegen, bevor das Kabel zur dominanten Quelle wird. Wenn die PCB-Emissionen 50 dBuV/m betragen und der Grenzwert 40 dBuV/m beträgt, muss das Kabel SE > 30 dB betragen (um einen Kabelbeitrag von 50-30 = 20 dBuV/m zu erreichen). In der Praxis wird ein SE-Wert von mehr als 40 dB empfohlen, um eine zuverlässige Konformitätsmarge zu erreichen.

Wie wirkt sich die Kabellänge auf die Wirksamkeit der Abschirmung aus?

SE verringert sich um 6 dB pro Verdoppelung der Länge — Z_t bezieht sich auf einen Meter, sodass längere Kabel mehr Geräusche ableiten. Außerdem werden Kabel, die bei der Problemfrequenz länger als Lambda/4 sind, zu Resonanzantennen mit verbesserter Strahlung. Gemäß MIL-HDBK-1857 schwingt ein 1 m langes Kabel bei 75 MHz (Viertelwelle) mit, ein 2 m langes Kabel bei 37,5 MHz. Halten Sie die Kabel für EMC so kurz wie möglich.

Kann ich die Übertragungsimpedanz messen?

Ja — gemäß IEC 62153-4-3 (Triaxialmethode) oder MIL-STD-1377. Injizieren Sie bekannten Strom auf die Außenfläche der Abschirmung; messen Sie die induzierte Spannung am Innenleiter pro Längeneinheit. Ausrüstung: Signalgenerator, HF-Verstärker, Injektionsvorrichtung, Spektrumanalysator. Prüfvorrichtungen für die Übertragungsimpedanz sind unter anderem bei Fischer Custom Communications erhältlich. Die Ergebnisse sind Kurven im Herstellerdatenblatt.

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