EMV-Schirmung und Thermik – auf der Suche nach der besten Lösung

Ein gutes Schirmgehäuse hat möglichst wenige Öffnungen, weil diese die elektromagnetische Schirmung verschlechtern. Gleichzeitig bringen elektronische Komponenten Wärme in das System ein, die über Gehäuseöffnungen wieder abgeführt werden muss. Beide Effekte müssen also gemeinsam betrachtet werden.

CST Studio Suite bietet hierzu die passenden Werkzeuge. Zur Vorstellung des Workflows wird eine einfache Elektronik mit einer Leiterplatine und einigen wenigen Komponenten betrachtet.

Im Gehäusedeckel sind Lüftungsschlitze auf einer Fläche von 30x30mm eingebracht. Um Konvektion zu erzwingen, wird an den Lüftungsschlitzen ein kleiner Lüfter mit einem Volumenstrom von 1,2m³/h vorgesehen. Als Schirmdämpfung wird bei 150MHz ein Wert von 40dB angestrebt, die Komponententemperaturen sollen im Betrieb nicht über 150°C steigen.

Für die thermische Berechnung kommt der CHT-Solver (Conjugate Heat Transfer) in CST Studio Suite zum Einsatz. Hier werden neben der Wärmeleitung auch die Wärmestrahlung und die Konvektion berechnet. Dadurch ist es möglich, den Einfluss der Lüftungs-Geometrie auf die Komponententemperatur direkt zu bewerten.

CST Studio Suite bietet viele Möglichkeiten, erzwungene Konvektion zu betrachten. Im vorliegenden Fall wird eine Luftströmung über den kleinen Lüfter erzwungen (siehe Abbildung 2). Die Wärmeübergangskoeffizienten ergeben sich unmittelbar aus der Strömungssimulation und müssen somit nicht durch den Benutzer vorgegeben werden. Auch die Erwärmung der umgebenden Luft wird dank der Strömungssimulation korrekt berücksichtigt. Auf die elektronischen Komponenten werden die betreffenden Verlustleistungen aufgebracht. Diese können entweder aus einer vorgeschalteten elektrischen Simulation stammen oder manuell vorgegeben werden.

Für das hier untersuchte Gerät ergibt sich aus der thermischen Simulation eine maximale Temperatur von 160°C an einer der Komponenten (siehe Abbildung 3). Der Grenzwert von 150°C wird also überschritten.

In Bild 6 werden die Ergebnisse dieser Variantenstudie zusammengefasst. Zuerst werden die Länge und die Breite der Lüftungsschlitze verdoppelt. Dadurch hat ein zweiter Lüfter Platz, der direkt neben dem ersten platziert wird. Es wird also nun ein Luftvolumenstrom von 2,4m³/h erzwungen. Dadurch sinkt die Temperatur zwar um ca. 10°C, aber die Schirmdämpfung wird leider auch um 12dB reduziert. Das bedeutet, dass mit dieser Schirmvariante eine um Faktor 4 größere abgestrahlte Feldstärke gemessen wird als mit der Basis-Variante.

Aufbauend auf der Variante mit längerem Lüftungsbereich werden die Lüftungsschlitze verdreht (siehe Abbildung 5, rechts). Die Idee dabei ist, dass der Rückstrompfad im Gehäusedeckel durch geschickte Verdrehung der Lüftungsschlitze eine niedrigere Impedanz (Wechselstromwiderstand) aufweist. Dadurch wird die Schirmwirkung verbessert. Und tatsächlich zeigt die Berechnung, dass eine Schirmdämpfung von 50dB erreicht wird. Variante 3 erfüllt damit die Anforderung an die Schirmung. Besonders bemerkenswert ist, dass gleichzeitig die Temperatur um ca. 10°C gesenkt werden kann, verglichen mit der Basis-Variante.

Die Studie zeigt also, dass der Zielkonflikt durch geschickte Gestaltung aufgelöst werden kann. Als weiterführende Untersuchung ist nun interessant, ob sowohl Temperatur als auch Schirmung mit einer gewissen Sicherheitsreserve eingehalten werden können. Hierzu kann eine Designraumanalyse mit Isight oder dem Process Composer in der 3DEXPERIENCE Plattform helfen, mit einer Mehrzieloptimierung den besten Kompromiss zu finden. Ein Praxisbeispiel zur Mehrzieloptimierung sehen Sie unter anderem auch im Webinar Elektromagnetisch-thermische Simulation mit CST.