Moderne Militäroperationen zeichnen sich durch intensive Kommunikation aus und basieren auf leistungsstarker Computertechnik – von Handfunkgeräten und modernen Headsets bis hin zu Waffenführungssystemen, Raketenlenksystemen und Avionik. Ein wirksamer Schutz vor elektromagnetischen Störungen (EMI), Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektrostatischen Störungen (ESI) ist daher unerlässlich.
Kabel stellen eine hohe Störanfälligkeit dar; daher setzen Hersteller eine Reihe etablierter Verfahren ein, um eine ordnungsgemäße Kabelschirmung und Schirmung zu gewährleisten. Angesichts der zunehmenden Bedeutung von Gewicht, Größe und Kosteneinsparungen bei militärischer Ausrüstung sowie bei kommerziellen Avionikanwendungen und anderen hochwertigen Geräten wie medizinischen Scannern besteht eine wachsende Nachfrage nach geeigneten, leichten Alternativen, die sich einfacher und schneller montieren lassen und besser für Reparatur und Wartung geeignet sind.
Schirmwirkung
: Geschirmte Kabel halten abgestrahlte Störungen zurück und schützen Signale vor externen elektromagnetischen Störungen (EMI), Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektromagnetischen Störungen (ESI). Ein gut konzipiertes Kabel besteht aus vielen wichtigen, unabhängigen Komponenten und ist bei der Systementwicklung genauso entscheidend wie alle anderen Aspekte. Seine Schirmwirkung wird in dB angegeben, als Verhältnis zwischen der Feldstärke der einfallenden Welle und der zulässigen Feldstärke. Die Schirmung kann abgestrahlte elektrische oder magnetische Felder reflektieren oder (bei Erdung) absorbieren.
Man unterscheidet vier Arten von Signalstörungen:
– Statisches Rauschen, das durch ein elektrisches Feld entsteht
– Magnetisches Rauschen von Hochleistungs-Wechselstrommotoren oder -Transformatoren, die Rückströme erzeugen können
– Gleichtaktstörungen, die durch Stromflüsse zwischen verschiedenen Potenzialmassen an unterschiedlichen Punkten im System entstehen
– Übersprechen, d. h. Übersprechen zwischen zwei oder mehr nahe beieinander liegenden Drähten oder Kabeln.
Da EMI/RFI-Probleme entlang des gesamten Kabels und insbesondere an den Kontaktstellen zwischen Kabel und Stecker auftreten können, ist die Qualität der Schirmung und der Anschlüsse von entscheidender Bedeutung. In der Praxis treten die meisten Probleme an den Anschlussklemmen auf.
Materialien und Anschlüsse
: Gängige Schirmungs- und Anschlussmethoden umfassen die Verwendung eines Metall- oder metallisierten Kunststoffsteckers und das Verlöten der Verbindung zwischen Kabelschirm und Stecker. Alternativ kann die Verbindung mit Kupferband umwickelt und anschließend an den Kabelschirm gelötet werden. Diese Lösungen sind zwar effektiv, aber auch teuer und arbeitsintensiv und können zu einer ungleichmäßigen Schirmung führen.
Andere Arten von geschirmten Kabeln verfügen über eine Aluminium/Polyester- oder Aluminium/Kapton-Folie, die die Leiter vollständig umschließt. Die Folie steht in ständigem Kontakt mit einem spiralförmig gewickelten, verzinnten Kupfer-Erdungsdraht, der eine elektrische Verbindung zwischen der Schirmung und der Masse herstellt. Die Metallisierung der Folie ist typischerweise sehr dünn, etwa 0,75 mm, und bietet im Vergleich zu anderen Schirmungsmaterialien, wie z. B. Drahtgeflechten, einen relativ hohen Widerstand. Daher wird Drahtgeflecht häufig eingesetzt, wenn ein besonders hoher Schutz erforderlich ist.
Geflochtene Schirmungen bestehen aus einem Geflecht aus Kupferdrähten, die zu einem robusten und dennoch flexiblen Zylinder verdrillt sind. Die Drähte können blank, verzinnt, versilbert oder vernickelt sein. Je nach verwendetem Steckertyp kann es erforderlich sein, das Geflecht zum Anschluss der Schirmung aufzudrehen oder zu lockern. Der Anschluss von Koaxialsteckern ist jedoch besonders einfach und erhält die Schirmung bis zum Steckergehäuse. (Mehrfach) geflochtene Schirmkabel sind hochwertige Kabel mit einer Schirmungsabdeckung von mindestens 85 %.
Bei manchen Kabeln kann die Geflechtschirmung für eine effektivere Abschirmung mit einer zusätzlichen Schicht überzogen werden. Diese Beschichtung verhindert Lücken zwischen den Geflechtelementen, da selbst kleinste Löcher ein Einfallstor für hochfrequente Störungen darstellen können. Geflechtschirmungen haben jedoch den Nachteil, schwerer und weniger flexibel zu sein.
Kabel mit kupfer- oder nickelbeschichteter Gewebeschirmung können als dünne, leichte und hochflexible Barriere eingesetzt werden, die in rauen Umgebungen, wie sie typisch für militärische und Luft- und Raumfahrtanwendungen sind, einen ausreichenden Umweltschutz bietet.
Einschränkungen herkömmlicher armierter Kabel:
Herkömmliche armierte Kabel sind anfällig für Risse oder Ablösungen der Abschirmung bei Reparatur- oder Wartungsarbeiten. Dies kann das gesamte Kabel unbrauchbar machen.
Darüber hinaus kann der Einsatz großer Mengen armierter Kabel in Flugzeugen oder Bodenfahrzeugen deren Gesamtgewicht erheblich erhöhen, was wiederum die Wendigkeit und den Treibstoffverbrauch negativ beeinflussen kann. Dies ist sowohl in zivilen als auch in militärischen Anwendungen unerwünscht und steht im Widerspruch zu anderen Gewichtseinsparungsinitiativen, wie beispielsweise dem zunehmenden Einsatz von Strukturkohlenstofffasern. Große Mengen metallarmierter Kabel können auch bei vielen anderen Hochleistungsgeräten, wie beispielsweise medizinischen Scannern, zu unerwünschten Erhöhungen von Größe, Gewicht und Kosten führen.
Die in Avioniksystemen vorherrschenden Funkfrequenzen sind ebenfalls ein Faktor, der derzeit die Nachfrage nach Abschirmungen erhöht, die bei extrem hohen Frequenzen arbeiten können.
Wärmeschrumpfschlauch:
Leitfähige Wärmeschrumpfschläuche (Abbildung 1) unterstützen Ingenieure bei der Bewältigung der Herausforderungen in Bezug auf Wartung, Gewicht und Hochfrequenzabschirmung. Sie bieten eine leichte, vollständig umschließende EMV-Abschirmung in Kombination mit mechanischem und umweltbedingtem Schutz für Kabelbündel. Diese Lösung ermöglicht Gewichtseinsparungen von 40 % bis 65 % im Vergleich zu herkömmlichen, geflochtenen Abschirmsystemen und trägt gleichzeitig zur Reduzierung der Arbeitskosten bei.
Die äußere Schicht von wärmeschrumpfenden Polyolefin-Schläuchen ist abrieb- und chemikalienbeständig. Eine innere Schicht aus leitfähiger Silberpaste dient der elektromagnetischen Abschirmung und Erdung. Verschiedene Polyolefin-Typen mit unterschiedlichen Umwelt- und elektrischen Eigenschaften sind für diverse Anwendungen, darunter auch Militär- und Luftfahrtsysteme, erhältlich. Wärmeschrumpfschläuche werden typischerweise in der Montagephase von Produkten eingesetzt, eignen sich aber auch ideal zur zusätzlichen Isolierung und zum verbesserten Schutz elektrischer Systeme im laufenden Betrieb. Die Anwendung erfolgt mit den üblichen Techniken und Werkzeugen für Standard-Wärmeschrumpfschläuche.
Für eine leichte und gleichzeitig leistungsstarke Abschirmung eines kompletten Kabelbaums ist ein umfassendes, wärmeschrumpfendes EMI-Abschirmungssystem wie CHO-SHRINK® 1061 erforderlich. Neben dem leitfähig beschichteten Schlauch gemäß MIL-R-46846, Typ 5, umfasst dieses System auch Durchgangs- und Übergangselemente, Tüllen, Kabelbinder und einen leitfähigen Heißschmelz-Isolator/Klebstoff. Es bietet einen hohen Schutz und eine zuverlässige Abdichtung, eine 360°-EMI/RFI/ESI-Abschirmung, eine Dämpfung von 70 bis 80 dB bei Frequenzen über 500 MHz sowie Entflammbarkeitseigenschaften gemäß UL VW-1 und CSA OFT. Die Materialien erfüllen zudem die NASA-Ausgasungsspezifikationen und eignen sich daher für den Einsatz in Weltraumanwendungen wie Satelliten.
Komplettes Schirmungssystem:
Ingenieure können die verschiedenen Komponenten dieses Systems nutzen, um einen kompletten, abgedichteten Kabelbaum mit fachgerechter Schirmung an allen Steckverbindern herzustellen – ganz ohne Löten.
Es empfiehlt sich, die Kabel mit allen Abzweigungen zu verlegen und die Positionen der Kabelklemmen bzw. der Übergänge zwischen Steckverbinder und Kabel festzulegen. An diesen Stellen werden Durchgangsprüfer angebracht und, wie in Abbildung 2 dargestellt, fest mit dem Kabelbündel verbunden. Die Außenfläche dieser Prüfer ist metallisiert.
Im nächsten Schritt werden vorgeschnittene, innen metallisierte Leitungsrohre auf die Verbindungselemente aufgesetzt, wobei an jedem Ende ein kleiner Teil der leitfähigen Oberfläche frei bleibt. Anschließend werden die Rohre durch Erhitzen geschrumpft, und die Übergangselemente werden an den Abzweigpunkten der Verdrahtung installiert. In diesem Stadium ist die Verdrahtung korrekt ausgerichtet und, wie in Abbildung 3 dargestellt, in der Schutzummantelung eingeschlossen.
Die Steckverbinder werden nun mit CHO-SHRINK-Kabelverschraubungen und Kabelbindern installiert und angeschlossen. Die Kabelbinder werden zuletzt angebracht und am Steckverbinderende über die Drähte des Gehäuses (bzw. Adapters) und am Kabelende über die freiliegende metallisierte Kontaktfläche gelegt.
CHO-SHRINK-Kabelbinder sind mit einem hochleitfähigen Schmelzklebstoff/Isolator versehen, der in jede Öffnung vorappliziert ist. Dieser fließt beim Schrumpfen und sorgt so für eine effektive Abdichtung, ohne die EMV-Abschirmung zu beeinträchtigen. Schrumpfadapter und Kabelbinder mit gerändelter oder gerillter Oberfläche verbessern zudem die Widerstandsfähigkeit gegen Drehmoment, Auszug und Bruch.
Zusammenfassend
bietet die Schrumpfschlauch-Kabelschirmung Entwicklern mehr Optionen und Flexibilität für eine leistungsstarke, leichte, wartungs- und reparaturfreundliche Lösung, die sich für vielfältige militärische und zivile Anwendungen eignet. Ein komplettes Schirmungssystem mit allen notwendigen Komponenten für einen abgedichteten und geschirmten Kabelbaum minimiert die Montagezeit und gewährleistet optimale Leistung und Zuverlässigkeit.
Autor:
Christophe Loret, Produktmanager für leitfähige Verbindungen, Chomerics Division Europa
