Wärmeschrumpfbare Kabelabschirmungen

Militärische Anwendungen sind heute kommunikationsintensiv und benötigen schnelle Datenverarbeitungsgeschwindigkeiten in Applikationen wie Handfunkgeräten, Hightech-Helmen, Waffensteuerungen, Flugkörperlenkung und Avionik. Sich gegen elektromagnetische Störungen (EMI, Electromagnetic Interference), Funkstörungen (RFI, Radio-Frequency Interference) und elektrostatische Störungen (ESI, Electrostatic Interference) zu schützen, ist sehr wichtig.

Da Kabel anfällig gegen Störungen sein können, bieten die Hersteller verschiedene Techniken an, um eine ordnungsgemäße Abschirmung und den korrekten Anschluss der Kabelabschirmung sicherzustellen. Da in der Militärtechnik Einsparungen an Gewicht, Platz und Kosten eine zentrale Rolle spielen – genauso wie in der kommerziellen Avionik und in anderen Hightech-Bereichen wie der Medizintechnik – steigt die Nachfrage nach Alternativen mit geringem Gewicht, die sich einfacher und schneller montieren, warten oder überarbeiten lassen.

Abschirmeffizienz umsetzen

Geschirmte Kabel senden keine Störungen aus und schützen Signale gegen externe EMI-, RFI- und ESI-Einflüsse. Ein entsprechend entwickeltes Kabel umfasst viele unabhängige Komponenten und ist mittlerweile genauso wichtig wie jeder andere Aspekt eines Systemdesigns. Die Wirksamkeit der Abschirmung wird als Verhältnis der einfallenden Feldstärke zur zulässigen Feldstärke in Dezibel (dB) ausgedrückt. Die Abschirmung kann elektrische oder magnetische Felder entweder reflektieren oder absorbieren (Störströme leitet man im Kabelschirm zur Erde ab).

Es gibt vier Arten von Signalstörungen:

• Statische Störungen treten auf, wenn ein elektrisches Feld das Signal verzerrt.
• Magnetische Störungen kommen von großen AC-Motoren oder Transformatoren, die einen entgegengesetzten Stromfluss verursachen können.
• Gleichtaktrauschen entsteht durch einen Stromfluss zwischen verschiedenen Massepotenzialen, die sich an verschiedenen Punkten innerhalb des Systems befinden.
• Übersprechen bezieht sich auf Standard-AC-Signale zwischen zwei oder mehreren nahe beieinander liegenden Leitungen oder Kabeln.

Da problematische EMI und RFI entlang des gesamten Kabels und an der Verbindung zwischen einem abgeschirmten Kabel und seiner Anschlussvorrichtung auftreten können, ist die Qualität der Abschirmung und des Anschlusses wichtig. In der Praxis treten mehr Probleme an den Anschlussvorrichtungen auf als an jedem anderen Teil eines Kabels.

Material und Anschlüsse wählen

Gewöhnliche Abschirmungen und Anschlüsse enthalten einen metallischen oder metallisierten Kunststoff-Stecker, wobei die Kabelabschirmung mit dem Stecker verlötet wird. Alternativ lässt sich die Verbindung mit Kupferband umwickeln, das mit der Kabelabschirmung verlötet wird. Dieser Lösungsansatz funktioniert zwar, ist aber teuer, arbeitsintensiv und kann zu einer uneinheitlichen Abschirmleistung führen.

Andere geschirmte Kabel weisen eine nach innen gerichtete Aluminium/Polyester- oder Aluminium/Kapton-Folie auf, welche die Leiter vollständig umschließt. Die Folie ist stets in Kontakt mit einem spiralförmig gewickelten, verzinnten Kupferdrahtgeflecht, das eine elektrische Verbindung zwischen der Abschirmung und der Schaltkreiserde herstellt. Die Metallisierung der Folie ist dünn (zirka 0,75 mm) und ist, gegenüber anderen Abschirmungen wie Drahtgeflechten sehr robust. Ein Abschirmgeflecht findet Verwendung, wenn ein hoher Schutz erforderlich ist. Abschirmgeflechte bestehen aus einem Netz von Kupferdrähten, die über- und untereinander gewebt sind, um einen festen, aber flexiblen Zylinder zu bilden. Die Drähte können blank, verzinnt, versilbert oder vernickelt sein. Je nach Art des verwendeten Steckers kann es erforderlich sein, das Drahtgeflecht zu öffnen oder zu lockern, um die Abschirmung anzuschließen. Im Gegensatz dazu ist der Anschluss von Koaxialkabeln eher direkt und schont die Abschirmung durchgehend bis zum Steckergehäuse. Kabel mit Abschirmgeflecht sind hochwertig; ihre Abschirmeffizienz liegt bei mindestens 85 Prozent.

In einigen Kabeln wird das Schirmgeflecht geschichtet, um eine noch höhere Abschirmeffizienz zu erreichen. Das Schichten verhindert Öffnungen zwischen den einzelnen Geflecht-Elementen, da selbst kleine Durchlässe einen Ein-/Auslass für Störungen bei hohen Frequenzen darstellen. Der Nachteil solcher geschichteten Abschirmungen ist das höhere Gewicht und die geringere Flexibilität. Die Kabel mit einem Abschirmtuch, das mit Kupfer oder Nickel überzogen ist, lassen sich als dünne, leichte und sehr flexible Alternative verwenden. Sie schützen in rauen Umgebungen wie im Militär- und Luft-/Raumfahrtbereich .

Begrenzungen von geschirmten Kabeln

Herkömmliche geschirmte Leitungen sind anfällig gegen Reißkräfte während der Reparatur oder bei Nacharbeiten. Das kann dazu führen, dass das gesamte Kabel nutzlos wird. Viele geschirmte Kabel, beispielsweise in Flugzeugen oder Bodenfahrzeugen, können erheblich zum Gesamtgewicht beitragen. Das beeinträchtigt die Beweglichkeit und erhöht den Kraftstoffverbrauch. In zivilen oder militärischen Anwendungen ist dies ebenfalls nicht erwünscht und widerspricht anderen Gewichtseinsparungsmaßnahmen, wie dem zunehmenden Einsatz von Kohlefaser-Bauteilen. Große Mengen metallgeschirmter Kabel fügen unerwünscht Größe, Gewicht und Kosten hinzu – auch in anderen hochleistungsfähigen Anwendungen wie der Medizintechnik (MRI, CT).

In Avioniksystemen sind HF-Störungen allgegenwärtig. Das erfordert Abschirmungen, die selbst bei extrem hohen Frequenzen funktionieren.

Wärmeschrumpfbare Abschirmung

Bild 1: Ein leitfähiger, geschirmter Wärmeschrumpfschlauch als Basis für eine effektive, leichtgewichtige Kabelschirmung.Chomerics

Leitfähige, geschirmte Wärmeschrumpfschläuche (Bild 1) helfen dabei, die Anforderungen an Wartung, Gewicht und HF-Abschirmung zu erfüllen. Sie kombinieren eine leichte, vollständig umhüllende EMI-Abschirmung mit einem mechanischen, umgebungsbedingten Schutz für Drähte und Leitungsbündel. Im Gegensatz zu herkömmlichen Abschirmgeflechten kann dieser Ansatz 40 bis 65 Prozent Gewicht einsparen und die Arbeitskosten verringern.

Die wärmeschrumpfbare Polyolefin-Außenschicht des Schlauches widersteht Abrieb und Chemikalien. Eine innere Schicht aus silberleitender Tinte sorgt für EMI-Isolation und Erdung. Durch die verschiedenen Polyolefin-Grade haben die Schläuche unterschiedliche elektrische und einsatzabhängige Eigenschaften; sie eignen sich dadurch für verschiedenen Anwendungen. Der Einsatz von wärmeschrumpfenden Abschirmungen erfolgt meist während der anfänglichen Montage, er lässt sich aber auch beim Hinzufügen einer zweiten Isolierung (EMI-Schutz) umsetzen, um im Betrieb befindliche Systeme zu schützen. Der Einsatz erfolgt mit bekannten Techniken und Werkzeugen für Standard-Wärmeschrumpfschläuche.

Für eine hochleistungsfähige, leichtgewichtige Abschirmung eines Kabelbaums eignet sich das wärmeschrumpfbare-EMI-Abschirmsystem Cho-Shrink 1061. Neben seinem nach MIL-R-46846 Typ 5 qualifizierten, leitfähig beschichteten Schlauch, enthält das System auch Kontinuitäts- und Zwischenstücke, Ösen, Steckerschuhe und leitfähigen Heißkleber. Das System schützt in rauen Umgebungen; es hat eine Abdichtung und 360° EMI/RFI/ESI-Abschirmung, 70…80 dB Dämpfung über 500 MHz und ist konform nach UL VW-1 und CSA OFT-Norm. Die Materialien erfüllen auch die NASA-Ausgasungsspezifikationen, was den Einsatz in Raumfahrtanwendungen wie Satelliten ermöglicht.

Komplettes Abschirmsystem

Bild 2: Übergangsstücke haben eine Außenmetallisierung; ihre Positionierung erfolgt zuerst.Chomerics

Entwickler können die Komponenten des Systems verwenden, um einen komplett abgeschirmten Kabelbaum zu fertigen, dessen Abschirmung an allen Steckern korrekt angeschlossen ist. Ein Verlöten ist nicht erforderlich. Es wird empfohlen, den Kabelbaum mit allen Abzweigungen offen zu legen und zu entscheiden, wo man Steckerschuhe oder Übergangsstücke auf das Kabel schrumpft. Anschließend bringt man die Kontinuitätsstücke genau dort in Position und schrumpft sie fest um den Kabelbaum (Bild 2). Diese Stücke sind an ihrer Außenseite metallisiert.

Bild 3: Abgeschirmter Kabelbaum – fertig für die Montage und den Anschluss an die SteckerChomerics

Als nächstes erfolgt das Überschieben von vorgeschnittenen Längen des leitfähigen Schlauches. Diese sind auf der Innenseite metallisiert und lassen sich so über die Kontinuitätsstücke schieben, dass an jedem Ende ein kurzes Stück leitfähiger Oberfläche sichtbar bleibt. Durch Wärmeanwendung schrumpft der Schlauch. Danach zieht man die Übergangsstücke auf die Abzweigungen des Kabelbaums auf. Nun ist der Kabelbaum korrekt ausgerichtet und komplett mit der Schutzabschirmung umschlossen (Bild 3).

Anschluss und Einbau der Stecker erfolgt mithilfe der Cho-Shrink-leitfähigen-Ösen und -Steckerschuhen. Die Steckerschuhe werden zuletzt angebracht und über die Gewinde des Endgehäuses (oder Adapters) am Steckerende und über die verbleibende freigelegte Metallisierung am Kabelende geschrumpft. Bei der Montage enthalten die Cho-Shrink Steckerschuhe einen vorher eingebrachten, leitfähigen Kleber an jeder Öffnung. Dieser verflüssigt sich während des Schrumpfprozesses und schafft eine wirksame Abdichtung gegen Umgebungseinflüsse. Die EMI-Abschirmeigenschaften erfahren keine Beeinträchtigung. Schrumpfschuh-Adapter mit gerändelter und gerillter Oberfläche sind ebenfalls erhältlich und erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegen ein Drehmoment sowie Abbruch- und Abziehkräfte.

(rao)