„Die Mechanik ist gleichermaßen für die elektromagnetische Verträglichkeit verantwortlich“

Veröffentlicht am: 13 Oktober 2021

Experte:

Marcel van Doorn MSc

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Was tun Sie, wenn Sie sicherstellen wollen, dass die Elektronik in einem Gehäuse nicht überhitzt? Richtig, Sie machen ein schönes Loch in das Gehäuse, damit die Wärme entweichen kann. Ganz einfach. Aus rein mechanischer Sicht ist an diesem Ansatz wenig auszusetzen. Elektronikingenieure werden mit dieser Lösung weniger glücklich sein, denn es besteht die große Gefahr, dass ein solches Loch die gesamte elektromagnetische Strahlung durchlässt und das Gerät die Kompatibilitätstests, die vor der Freigabe eines elektronischen Produkts gesetzlich vorgeschrieben sind, nicht mehr besteht.

Marcel van Doorn: „Die Herausforderung bei EMC ist, dass Maschinenbau- und Elektronikingenieure oft nicht die Sprache des anderen sprechen.“

Marcel van Doorn, Lehrer am High Tech Institute und Anfang dieses Jahres nach einer langen Karriere bei Philips in den Ruhestand getreten, hat schon oft erlebt, dass Dinge schief gehen. „Maschinenbauingenieure haben während ihrer Ausbildung nie etwas über elektromagnetische Verträglichkeit gehört. Die Strahlung von Antennen ist für sie in der Regel ein völlig neues Wissen. Daher ist ihnen nicht klar, welche Auswirkungen ihre Designentscheidungen auf die elektromagnetische Verträglichkeit haben. Elektroingenieure haben dieses Wissen, aber die Kommunikation zwischen den beiden Disziplinen läuft regelmäßig schief. Zeichnungen werden ohne große Erklärungen über den Zaun geworfen und dann sind Missverständnisse vorprogrammiert. Regelmäßig hört man von elektronischen Geräten oder Installationen, die durch elektromagnetische Strahlung von in der Nähe befindlichen Handys gestört werden. Denken Sie an Roboterarme oder Roller, die kippen, Bildschirme, die unlesbar werden, oder Kommunikationsverbindungen, die unterbrochen werden.“

Obwohl EMC die Domäne des Elektronikingenieurs ist, betont Van Doorn, dass es auch in den Zuständigkeitsbereich der Mechaniker fällt, eben weil viele Dinge in der Mechanik gelöst werden müssen. „Die Herausforderung besteht darin, dass sie oft nicht die Sprache des anderen sprechen.“ Deshalb hat Van Doorn den umfangreichen EMV-Kurs für Elektronikingenieure auf einen eintägigen, praxisorientierten Auffrischungskurs reduziert, der am High Tech Institute speziell für Maschinenbauingenieure besucht werden kann.

In Harmonie

Zurück zu den Grundlagen: Was ist elektromagnetische Verträglichkeit? „Das ist ein positives Wort“, sagt Van Doorn. „Schließlich bedeutet es, dass Geräte miteinander kompatibel sind, dass sie in unmittelbarer Nähe weiterhin ordnungsgemäß funktionieren. Das ist das Ziel, das Sie verfolgen. Wenn sie miteinander harmonieren, wird ein Gerät das andere nicht stören. Auch die mobile Kommunikation und die Sicherheitsdienste sollten davon nicht beeinträchtigt werden und umgekehrt.“

„Wenn man früher in ein Krankenhaus ging, wurde man oft gebeten, sein Telefon auszuschalten“, fährt er fort. „Um kein Risiko einzugehen, mussten die Handys ausgeschaltet werden, damit unter anderem die Herzüberwachungssysteme normal weiterlaufen konnten. Praktisch niemand hat das getan – und tut es immer noch -, so dass die EMV-Anforderungen in der medizinischen Welt jetzt viel strenger geworden sind.“

Kein Schlitz, aber Löcher

Was genau ist an dem erwähnten Loch im Elektronikgehäuse falsch? „Aus EMV-Gründen wird die Elektronik oft in ein Gehäuse eingebaut“, antwortet Van Doorn. „Auf diese Weise schaffen Sie einen Faradayschen Käfig, aus dem kein elektromagnetisches Feld entweichen kann. Wenn Sie Löcher in das Gehäuse machen, um es zu kühlen oder um Kabel hindurchzuführen, durchbrechen Sie diese Abschirmung.“ Ob das auch ein Problem darstellt, hängt von den Frequenzen im System ab. „Wenn ein solcher Spalt für die Wellenlänge resonant ist, fliegt die Strahlung einfach heraus. Es mag schwer vorstellbar sein, aber dann haben Sie eine effektive Antenne geschaffen.“

Die Lösung ist relativ einfach: Machen Sie keinen Schlitz, sondern entscheiden Sie sich für eine Reihe von kleinen Löchern, die zusammen die gleiche Oberfläche haben. Dadurch kann die Wärme in ausreichendem Maße entweichen, die elektromagnetische Strahlung jedoch nicht.

„Wenn Sie es einmal wissen, ist es ganz einfach.“

Jetzt, da die Frequenzen in der Elektronik von MHz auf GHz und höher steigen, werden die Wellenlängen kleiner und das Design entsprechend anspruchsvoller. „Eine Frequenz von 1 GHz bedeutet eine Wellenlänge von etwa dreißig Zentimetern“, rechnet Van Doorn vor. „Als Faustregel gilt: Wenn Sie die Strahlungsemission um den Faktor zehn reduzieren wollen, sollte das Loch im Gehäuse nicht größer als ein Zwanzigstel der Wellenlänge sein. In diesem Fall also anderthalb Zentimeter. Bei 10 GHz gehen Sie bereits auf 1,5 mm.“

Sie können die gleiche einfache Berechnung auch auf andere Situationen anwenden. „Ein Elektronikingenieur sagt seinem Kollegen aus der Mechanik oft, dass die Leiterplatte geerdet sein muss“, sagt Van Doorn. „Im Entwurf muss er dann eine Verbindung zum Chassis vorsehen. Bei Frequenzen von 1 GHz ist dieser Draht wiederum nicht länger als eineinhalb Zentimeter. Das altmodische, robuste Design muss also immer mehr verfeinert werden.“

„Außerdem können das Erdungskabel und andere Kabel nicht überall sein“, warnt Van Doorn. „Die von der Elektronikplatine abgestrahlten Felder können sich genau mit diesen Kabeln koppeln, was oft zu einer viel effizienteren Antenne führt als die Leiterbahnen auf der Platine. Positionieren Sie das Kabel also neben der Leiterplatte und keinesfalls darüber. Wenn Sie das einmal wissen, ist es ganz einfach.“

Pfennige fallen lassen

Elektroniker sollten ihre Kollegen aus der Mechanik über solche Dinge informieren, aber in der Praxis mangelt es vielen Entwicklungsfirmen an dieser Kommunikation. Das Ergebnis ist, dass ein Gerät die EMV-Tests nicht besteht und ein teures Redesign erforderlich ist. Ziel der Schulung ‚EMC für Mechatronik-Ingenieure‚ des High Tech Institute ist es daher, Mechaniker für die Problematik zu sensibilisieren, ihnen die EMC-Sprache beizubringen und ihnen eine Reihe von einfachen Werkzeugen an die Hand zu geben, mit denen sie EMC-Probleme lösen können.

In seinen Trainingskursen folgt Van Doorn dem Prinzip von Konfuzius: „Höre es und du vergisst es, sehe es und du erinnerst dich daran, tue es und du verstehst es.“ Van Doorn: „Natürlich kann ich einen ausführlichen theoretischen Diskurs über alle Aspekte der EMV halten, aber das geht zum einen Ohr rein und zum anderen wieder raus. Als Lehrer ist es wichtig, dass Sie die Verbindung zwischen einfacher Theorie und Praxis herstellen. Im Laufe meiner Karriere habe ich viele Demos gesammelt, in denen alle Prinzipien auf einfache Art und Weise erklärt werden. Mit einem Spektrumanalysator können Sie dann zum Beispiel sehen, dass ein großer Schlitz viel mehr emittiert als ein Muster aus kleinen Löchern. Wegen dieser sehr wichtigen, praktischen Seite hielt ich es nicht für klug, diesen Kurs online in der Koronazeit zu geben. Man muss es fühlen können, um die Theorie in die Praxis umsetzen zu können.“

Van Doorn ermutigt die Studenten, ihr eigenes Produkt mitzubringen. „Während des Unterrichts besprechen wir diese und in fast allen Fällen gibt es eine Menge Punkte, die verbessert werden können.“ Es ist wirklich schön, wenn der Kurs als Inhouse-Schulung durchgeführt wird, hat Van Doorn erfahren. „Dann versammeln sich die Maschinenbau- und Elektronikingenieure um ihr Gerät und es wird ausgiebig diskutiert. Plötzlich hört man überall die Pfennige fallen.“

Van Doorn stellt fest, dass es immer mehr Überlegungen zwischen verschiedenen Disziplinen gibt. „Durch Versuch und Irrtum sind die Unternehmen klüger geworden. Ich sehe zwar eine Verbesserung, aber es gehen immer noch regelmäßig Dinge schief, auch zwischen den verschiedenen Unterdisziplinen in einer Elektronikabteilung. Der Hauptnutzen des Kurses muss darin bestehen, dass sich die Mechaniker der Herausforderungen im Bereich EMV bewusst sind, dass sie ihren Kollegen aus der Elektronikabteilung die richtigen Fragen stellen und dass sie die Tür schließen, bevor das Pferd von der Leine gelassen wurde.“

Mechaniker müssen dafür wirklich keine EMC-Experten werden, betont Van Doorn. „Mit einem Auffrischungskurs von einem Tag können Sie eine Menge Probleme überwinden. Es braucht nicht viel Zeit und es wird sich mit Sicherheit auszahlen. Schicken Sie also Ihre Mitarbeiter in die Mechanikabteilungen und vermeiden Sie teure Umgestaltungen.“