DE19734283A1 - Methode zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung (EMV-Strahlung in elektronischen Geräten mit nichtleitendem Gehäuse (Kunststoffgehäuse) - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung wird angewendet im Bereich der Elektronik generell der Auto­ matisierungstechnik, der Sensorik, allgemein da wo elektronische Geräte vor elektromagnetischen Feldern anderer Geräte geschützt werden sollen / müssen. Das Abschirmungsprodukt geht in den Bereich Textiltechnik, speziell Webtechnik und in den Bereich Textilverarbeitung.

Stand der Technik

Meines Wissens werden in der Regel Metallgehäuse verwendet, wenn eine 100%ige Abschirmung erforderlich ist. Eine andere effiziente Abschirmungs­ technik ist mir nicht bekannt.

Mängel bekannter Lösungen

Die klassische Methode des Metallgehäuses ist viel teurer. Ein Metallguß­ gehäuse ist in der Herstellung und im Material teurer als ein Kunststoff- Spritzgießgehäuse. Auch ein Gehäuse aus gebogenen Alublechen ist viel teurer. Bei kleinen Gehäusen ist die Herstellung eines Metallgehäuses noch aufwendiger. Bei verschiedenen Produkten, z. B. Funktelefonen ist ein Metallgehäuse nicht einsetzbar, da es der Kunde nicht will, außerdem wird sich bei dem großen Preiskampf im Konsumbereich kaum ein wesentlich höherer Preis durchsetzen lassen. Die klassischen Kunststoffgehäuse hingegen lassen jegliche fremde Stahlung durch und auch die eigene Strahlung nach außen!

Problembeschreibung und Lösungsansatz

Zwischen Potential unterschieden (Spannungen) besteht ein elektrisches Feld. Die Feldlinien gehen vom Pluspol (Elektronenmangel) zum Minuspol (Elektronenüberschuß). Elektronen sind die Ladungsträger in Stromleitern, siehe dazu Fig. 1 .

Kommt ein Stromleiter in ein ein elektrisches Feld, so kommt es in ihm zu einer Ladungstrennung. Dies nennt man Influenz. Die positiven und negativen Ladungsträger (Löcher und Elektronen) richten sich aus und sammeln sich, so daß es im Stromleiter (Metall) feldfrei wird, siehe dazu Fig. 2.

Bei der Abschirmung eines elektronischen Gerätes durch eine Metallhülle (Mantel, Gehäuse o. ä.) sammeln sich die Ladungsträger im Metall, Elektronen(-) möglichst nah am Pluspol und Löcher(+) möglichst nah am Minuspol.

Es kommt also zur Ladungstrennung (=Influenz) im Metall und somit wird es im Metallgehäuse feldfrei und das Elektronikgerät wird in seiner Funktion nicht durch elektrische Feldlinien (=Potentialunterschiede) beeinträchtigt.

Man nennt so eine Metallumgebung einen "Faradayschen Käfig".

Siehe dazu Fig. 3 - Kunststoffgehäuse ohne Abschirmung bzw. Fig. 4 - Abschirmung mit Metallgehäuse.

Meine Alternative zum Metallgehäuse:
Mein Lösungsansatz besteht darin, die in einem Kunststoffgehäuse ungeschützte Elektronikeinheit im Kunststoffgehäuse drin mit einem Gewebe zu umgeben, das aus miteinander verbundenem leitenden Metalldrahtgitterwebe und isolierendem Kunststoffgewebe besteht. Das Metalldrahtgitter wirkt wie ein Faradayscher Käfig und man erzielt annähernd die gleiche Wirkung wie mit einem Metallgehäuse, siehe Fig. 5.

Erzielte Vorteile der Lösung

Die interne elektromagnetische Strahlung (EMV-Strahlung) der Leiterplatte gelangt nicht nach außen und beeinträchtigt nicht andere empfindliche Geräte.

Die Leiterplatte wird nicht von den elektrischen Feldern anderer Geräte, z. B. von der Maschinensteuerung der zu programmierenden Maschine, in ihrer Funktion beeinflußt.

Das Gewebe wirkt durch das Metalldrahtgarn wie ein Faradayscher Käfig, läßt die auf der Leiterplatte entstehende Wärme durch, und durch das Kunststoffgarn entstehen keine Kurzschlüsse auf der Leiterplatte.

Man kann ein schönes ansprechend designdes Kunststoffgehäuse verwenden und hat annähernd die Wirkung eines Voll-Metallgehäuses.

Die Methode ist in der Regel erheblich preiswerter als ein Metallgehäuse.

Ausführungsbeispiel

Es wird ein Fertigungsanlagen-Handprogrammiergerät mit einem Gewebebeutel abgeschirmt.
Vorgehensweise:
Zuerst wird der Gewebebeutel hergestellt. Dazu wird das Gewebestück umgeklappt und die Seiten zugenäht bzw. gesteppt oder geschweißt, siehe dazu Fig. 6.

Danach wird die Leiterplatte in den unverschlossenen Gewebebeutel eingebracht, siehe dazu Fig. 7.

Jetzt wird der Kabelbaum rausgeführt und der Beutel bis auf eine kleine Öffnung (Kabelbaum) zugenäht bzw. gesteppt oder geschweißt, siehe Fig. 8.

Nun wird die eingepackte Leiterplatte in das Gehäuseunterteil geschraubt, siehe dazu zuerst Fig. 10 und Fig. 11.

Mit einer Nadel wird da in das Gewebe gestochen wo die Schraube durch soll, siehe Fig. 12. Dann wird das Gewebe vorsichtig mit der Nadel aufgeweitet.

Die Leiterplatte wird in das Gehäuseunterteil gelegt und mit der ersten Schraube durch die Gewebeaufweitung festgeschraubt.

Dieser Vorgang wird bei den anderen drei Schrauben wiederholt.

Das Display und die Tastatur werden an den Kabelbaum gelötet, in die Aussparung gesteckt und das Anschlußkabel zur Fertigungsanlage vor dem Zuschrauben durch eine Öffnung im Gehäuse-Oberteil rausgeführt, siehe Fig. 13. Jetzt wird das Gehäuseoberteil mit vier Schrauben am Gehäuseunterteil befestigt.

Claims (13)

1. Meine Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikeinheit eines Gerätes mit einem nichtleitenden Gehäuse (z. B. Kunststoff) in einen textil­ technisch hergestellten Beutel gepackt wird. Dieser kann aus Gewebe, Gestricke oder Gewirke sein. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird es ein Gewebe sein, so daß ich im folgenden von Gewebe ausgehe. Das besondere an dem Gewebebeutel ist, daß dieser aus zwei Garnsorten besteht, zum einen aus stromleitendem Garn (Metalldrahtfaden) und zum anderen aus isolierendem Kunststoffgarn, z. B. Polyamidgarn. Das Metalldrahtgarn hat den Zweck, die elektromagnetische Stahlung durch eine Ladungstrennung (Influenz) nicht nach außen zu lassen und damit die Wirkung eines Faradayschen Käfigs zu erzielen. Somit werden benachbarte Geräte nicht durch die Strahlung des Gerätes X beeinträchtigt und das Gerät X wird nicht durch die Strahlung der benachbarten Geräte in seiner Funktion beeinflußt.
Das Kunststoffgarn hat zum einen den Zweck, die Elektronikeinheit zu isolieren, damit nicht durch das Drahtgewebe Kurzschlüsse auf der Leiterplatte entstehen und zum anderen eine stabilisierende Wirkung des Gewebes zu erzielen.
Es wird ein Gewebe und nicht z. B. Folie verwendet, weil ein Gewebe die von der Elektronikeinheit erzeugte Wärme durchläßt und diese durch das Gehäuse entweichen kann. Außerdem ist ein Gewebe reißfester.
Mein Hauptschutzanspruch bezieht sich also auf die Idee, die Leiterplatte bzw. Elektronik-Sensorik-Einheit eines technischen Gerätes in einen flexiblen Gewebebeutel zu verpacken, dessen Gewebe durch seine Metalldraht-Kunst­ stoffgarnmischung wie ein Faradayscher Käfig wirkt und keine oder nur wenig elektromagnetische Strahlung (EMV-Strahlung) nach außen gelangt und somit die elektromagnetische Verträglichkeit EMV des Gerätes gewährleistet ist. Es ist auch möglich, die Elektronikeinheit in ein Stück Gewebe einzuwickeln.

2. Der Erste Nebenschutzanspruch bezieht sich auf ein Zweilagengewebe. Eine Lage ist das Metalldrahtgewebe, die andere Lage das Kunststoffgewebe. Das Kunststoffgewebe ist im Beutelinneren zur Isolation und das Drahtgewebe außen im Gehäuseinneren. Dies wendet man an, wenn keine weiteren Elektronikeinheiten im Gehäuse sind, auf denen das Drahtgewebe Kurzschlüsse verursachen könnte.

3. Der Zweite Nebenschutzanspruch bezieht sich auf ein Dreilagengewebe. Das Metalldrahtgewebe befindet sich in der Mitte und die beiden Kunststoff­ gewebelagen außen. Damit ist auch das Beuteläußere isolierend und es können auf eventuell benachbarten Leiterplatten, Displays usw., die sich im Gehäuse befinden keine Kurzschlüsse entstehen.

4. Der Dritte Nebenschutzanspruch bezieht sich auf die Herstellung des Gewebes.
Es ist noch nicht sicher, ob es als Gewebe, Gestricke oder Gewirke realisiert wird. Ich denke zu 95% an Gewebe, aber ich möchte die grundlegende Idee schützen lassen und verhindern daß ein anderer mit einem Gestricke oder Gewirke mein Konzept übernimmt. In den folgenden Unterschutzansprüchen möchte ich mögliche Beispiele zur Realisierung eines Gewebes darlegen.

5. Der Erste Unterschutzanspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe durch eine webtechnische Lösung, z. B. mit Oberkettbaum miteinander verwebt wird. Die Metalldrahtfäden werden in bestimmten Abständen wie ein Gitter auf das isolierende relativ dicht gewebte Kunststoffgewebe eingewebt, indem eine Schlinge des Kunststoffgarns (Schuß- oder Kettfaden) den Drahtfaden auf das Kunststoffgewebe zieht (Prinzip ähnlich wie Frottiergewebe).

6. Der Zweite Unterschutzanspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebelagen aufeinander gelegt werden und durch Taccern, Nähen oder Steppen miteinander verbunden werden (Prinzip wie Kassetten-Steppbett). Die beiden Gewebelagen werden getrennt als Schaft-Flachgewebe gewebt.

7. Der Dritte Unterschutzanspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebelagen aufeinander gelegt werden und durch Druckknöpfe miteinander verbunden werden. Die Druckknöpfe sind so gestaltet, daß sie gleichzeitig nicht nur die beiden Gewebe verbinden, sondern auch noch so zusammengesteckt werden können, daß sich gleich ein Gewebebeutel ergibt. Es werden zunächst jeweils ein Druckknopf des Kunstoffgewebes und einer des Metalldraht­ gewebes miteinander verbunden, dann werden die gegenüberliegenden Druckknöpfe, die das Gewebe zusammenhalten aufeinander gesteckt und es entsteht ein Beutel. Die Druckknöpfe sollten aus nichtleitendem Material sein, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

8. Der Vierte Unterschutzanspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebelagen aufeinander gelegt werden und durch Verkleben miteinander verbunden werden. Die Klebung kann auf der ganzen Fläche erfolgen, was aber die Wärme nicht mehr gut durchläßt. Besser sind einzelne Klebestellen. Es kann auch ein beidseitiges Klebeband verwendet werden, das an den Seiten und in bestimmten Abständen auf dem Gewebe angebracht wird.

9. Der Vierte Neben-Schutzanspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebe vom Hersteller zu rechteckigen Stücken in verschiedenen Standard-Maßen vernäht werden und wie Taschentücher in verschiedenen Größen angeboten werden. Das "Tuch" wird dann um die Elektronikeinheit gewickelt und durch ein Stück Klebestreifen oder einen kleinen Gummi befestigt. Die Elektronikeinheit kann wie in Geschenkpapier eingepackt werden und mit Klebeband zugeklebt werden, sie kann aber auch nur einmal herumgelegt werden, so daß die Seiten frei bleiben für eventuelle Kabel oder aus dem Gehäuse ragende Bauteile.

10. Der Fünfte Neben-Schutzanspruch bezieht sich auf das Herstellen des Gewebebeutels aus dem Gewebe.
Die fertigen Gewebe werden entsprechend zugeschnitten und dann durch Verkleben, Vernähen, Versteppen, Verschweißen, durch Einstanzen von Druck­ knöpfen oder durch andere Methoden zu einem Beutel geformt.
Diese Arbeitsgänge können vor oder nach dem Einbringen der Elektronikeinheit erledigt werden. Zeitsparender ist es, wenn die Elektronik zunächst auf das Gewebe gelegt wird und dann der Beutel geformt wird und gleich bis eventuell auf eine kleine Kabelbaumöffnung verschlossen wird.
Ist die Elektronik sehr empfindlich, kann man auch zunächst den Beutel herstellen, z. B. durch Nähen und eine große Öffnung lassen, durch die man dann die Elektronik einbringt und hinterher den Beutel z. B. durch Verschweißen oder Verkleben schließt.

11. Der Sechste Neben-Schutzanspruch bezieht sich auf das Verschließen des Gewebebeutels. Üblicherweise hat die Gehäuse-Oberseite eine Öffnung, in der sich eine Tastatur oder ein Display oder ähnliches befindet. Diese werden auf die Leiterplatte gelötet, so daß der Gewebebeutel nicht verschlossen werden kann. Um nur einen minimalen Austritt von EMV-Strahlung zu erreichen, werden bei meiner Lösung Display/Tastatur nicht auf die Leiterplatte gelötet, sondern durch einen kleinen Kabelbaum mit der Leiterplatte verbunden. Dieser kleine Kabelbaum erlaubt es, die Öffnung des Gewebebeutels, in dem sich die Leiterplatte befindet auf einige Millimeter Durchmesser zu begrenzen, so daß nur minimale Strahlung austritt.

12. Der Siebte Neben-Schutzanspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikeinheit nicht in den Gewebebeutel eingebracht wird, sondern das nichtleitende Gehäuse wird innen mit dem Gewebe ausgelegt und das Gewebe ggf. an die Gehäuse-Innenwände geklebt. Diese Variante wählt man, wenn keine Tastaturen oder Displays im Gehäuse sind, die eine größere Öffnung im Gehäuse erfordern oder wenn das Gehäuse so dimensioniert ist, daß die Elektronikeinheit gerade reinpaßt und nicht im Gehäuse durch Schrauben befestigt werden muß.

13. Der Achte Neben-Schutzanspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gewebebeutel nicht im Gehäuse eingesetzt wird, sondern das ganze Kunststoffgehäuse wird in den Gewebebeutel gepackt, so daß gar keine Strahlung austritt, aber ein teures Metallgehäuse eingespart werden kann. Diese Lösung ist denkbar bei einzelnen Geräten, die in einer Gesamtanlage in einem Schaltschrank untergebracht sind, z. B. bei einer komplizierten Gebäude­ steuerung.