Elektromagnetische Verträglichkeit Die Anforderungen an die EMV-Konformität meistern!

EMV gehört zu den meistunterschätzten Themen im Entwicklungsprozess elektronischer Geräte. Diese Artikelserie behandelt die wichtigsten Punkte, um eine konforme elektromagnetische Integrität von Produkten zu gewährleisten. Die relevanten EMV-Aspekte fasst dieser Auftaktartikel zusammen.

In einer Ära, die von technologischen Fortschritten wie 5G, IoT und PoE geprägt ist, sehen sich Entwickler mit neuen Herausforderungen in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) konfrontiert. Gleichzeitig eröffnen diese Entwicklungen jedoch Raum für innovative Lösungen, um die Integrität elektronischer Systeme zu erhalten. Die Kenntnis der essenziellen EMV-Prinzipien ist entscheidend, nicht nur um den gesetzlichen Anforderungen zu genügen, sondern auch um die Signalintegrität zu wahren und somit die Qualität von Produkten zu gewährleisten.

Der Fokus dieser Artikelserie liegt auf dem Verständnis dieser Prinzipien als Grundlage für die Entwicklung von Geräten. Dieser Basisartikel beleuchtet den Zusammenhang zwischen Abschirmung, Erdung, Filterung, Übersprechen, Signalintegrität und Layout. Die darauffolgenden sechs Artikel tauchen tiefer in praktische Konzepte ein, die die wesentlichen technischen Maßnahmen umfassen.

Zielsetzung dieser Serie ist es, die essenziellen Prinzipien der EMV zu entmystifizieren und eine Brücke zwischen Theorie und Praxis zu schlagen. Wie können die Konzepte in der Praxis angewendet werden, um elektronische Systeme mit hoher Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit zu gestalten? Wie können Sie die EMV-Konzepte effektiv nutzen und Produkte auf einem neuen Niveau etablieren?

Produkt und EMV – wo fängt man an?

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist keine eigenständige naturwissenschaftliche Disziplin. EMV ist das Anwenden grundlegender elektrotechnischer Phänomene, um Produkteigenschaften zu gewährleisten, die in Normen festgehalten sind. Um die EMV-Anforderungen zu erfüllen – und ausdrücklich auch die Signalintegrität, muss das in den EMV-Normen angewandte Schnittstellenkonzept berücksichtigt werden (Bild 1).

Diese EMV-Phänomene werden über „Ports“, also Schnittstellen ein- oder ausgekoppelt, wobei das Gehäuse auch als Schnittstelle definiert ist. Damit ergeben sich folgende Möglichkeiten elektromagnetischer Kopplung.

Gestrahlte Emission: Elektromagnetische Störungen werden vom Produkt in die Umgebung abgestrahlt. Die Abstrahlung kann über an dem Produkt angeschlossene Kabel, und/oder über Öffnungen im Gehäuse erfolgen. Bei Kunststoffgehäusen kann die Geräteelektronik selbst die Emission verursachen.

Leitungsgebundene Emission: Elektromagnetische Störungen werden über an dem Produkt angeschlossene Kabel geleitet. Das kann sowohl über geschirmte als auch über ungeschirmte Kabel geschehen.

Gestrahlte Immunität: Von der Umgebung kommende elektromagnetische Energie wird über eine oder mehrere Schnittstellen (Gehäuse, Kabel) in das Gerät eingekoppelt und kann Fehlfunktionen verursachen, in seltenen Fällen auch zur Zerstörung des Gerätes führen.

Leitungsgebundene Immunität: Elektromagnetische Energie wird in Form von dauerhaften, oder transienten Störungen über an das Gerät angeschlossene Kabel eingekoppelt und kann Fehlfunktionen verursachen, oftmals auch zur Zerstörung des Gerätes führen.

Sonderfall Immunität gegen elektrostatische Elektrizität (ESD): Die Entladung elektrostatischer Energie kann in unmittelbarer Umgebung des Gerätes über in das Gerät eingestrahlte elektromagnetische Energie Fehlfunktionen verursachen. Weiterhin kann eine direkte Entladung von elektrostatischer Energie am Gerät über in das Gerät oder dessen Schnittstellen geleitete Ströme Fehlfunktionen verursachen, oftmals auch zur Zerstörung des Gerätes führen.

Diese elektrotechnischen Kopplungsmechanismen sind essenzielle Phänomene in der EMV, die die Übertragung von Energie zwischen verschiedenen Teilen eines Systems ermöglichen. Diese Mechanismen, wie leitungsgebundene, kapazitive, induktive Kopplung und Strahlungskopplung, können innerhalb eines Produkts Störungen, Funktionsprobleme oder sogar die Zerstörung des Gerätes verursachen. Sie entstehen, wenn elektromagnetische Energie galvanisch über Leitungen oder durch magnetische oder elektrische Felder übertragen wird.

Um diese Einflüsse zu minimieren, sind sorgfältige Designmaßnahmen von entscheidender Bedeutung. Diese umfassen: Die Gestaltung des Gehäuses mit passendem Massekonzept auf der Leiterplatte, die Verwendung von hochwertigen Steckverbindern und geschirmten Kabeln, passend zur Gehäusegestaltung und dem Massekonzept sowie einen „EMV-gerechten“ Schaltungsentwurf und adäquates Layout.

Optimierte Schaltungstechnik, passende Komponenten, physikalische Platzierung der Komponenten und HF-gerechtes Layoutkonzept, entsprechend den Massebedingungen sind ebenso nötig wie ein wirksames Filterdesign zum Reduzieren der Emission und zur Erhöhung der Immunität an den Schnittstellen mit der Auswahl der passenden Filter-Komponenten und der Gestaltung eines wirksamen Massesystems zur Begrenzung transienter Überspannungen. Die rechtzeitige Auswahl und Prüfung von passenden Zukaufkomponenten (z.B. A/D-Wandler Baugruppe), die in das Produkt/System integriert werden müssen sind ebenfalls essenziell; gegebenenfalls auch mechanische und schaltungstechnische Zusatzmaßnahmen für die Komponenten.

Diese Maßnahmen dienen dazu, die unerwünschte Beeinflussung zwischen verschiedenen Teilen des Produkts zu reduzieren, die Signalintegrität in der Elektronik zu verbessern und so eine verbesserte EMV-Konformität zu gewährleisten.

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Kopplungsmechanismen im Produktdesign

Das Basiskonzept ist, den Weg, den elektromagnetische Energie von seiner Quelle zur Senke fortschreitet, zu kontrollieren. Dabei sind Quelle und Senke vertauschbar, d.h. Maßnahmen zur Begrenzung der Störemission helfen auch zur Verbesserung der Immunität, vorausgesetzt natürlich, dass die Komponenten der Störenergie standhalten.

Elektrotechnisch betrachtet gibt es nur drei Möglichkeiten, wie elektrische Energie von einer Quelle zu einer Senke gelangen kann. Diese sind Strom, Spannung und elektromagnetische Strahlung. Wird der Weg, d.h. der Übertragungskanal so gestaltet, dass die (Signal-) Energie verlustfrei von der Quelle zur Senke gelangt, wird auch keine Emission stattfinden können, weder gestrahlt noch leitungsgebunden.

Die Praxis sieht anders aus. Sogenannte Koppelmechanismen und Fehlanpassungen verursachen elektromagnetische Emissionen, verringern die Störfestigkeit elektronischer Schaltungen und können zu Fehlfunktionen, Ausfällen bis hin zur Zerstörung führen. In Bild 2 sind Kopplungsmechanismen in und von einem elektronischen System dargestellt. Folgend die Erläuterungen, bezogen auf die Buchstaben in der Abbildung.

Elektromagnetische Kopplung zwischen zwei Kabeln, eine Wechselwirkung von elektrischen und magnetischen Feldern (a). Dies kann dazu führen, dass Signale oder Störungen von einem Kabel auf das andere übertragen werden. Es gibt zwei Haupttypen der elektromagnetischen Kopplung: Kapazitive Kopplung, die durch elektrische Felder entsteht, und induktive Kopplung, die durch magnetische Felder verursacht wird. Beispielsweise können ungenügend gefilterte transiente Störungen vom DC-Stromversorgungskabel (grün in Bild 2) in das graue Flachbandkabel gekoppelt werden und dort Störungen verursachen.

Typische AC/DC-Netzteile sind Sperrwandler (Flyback Converter) (b). Der Sperrwandler kann auf seiner DC-Ausgangsseite hochfrequente Störungen auskoppeln, die durch Schaltvorgänge im Wandler erzeugt werden. Diese Störungen können über die Stromversorgungskabel zu Schnittstellen gelangen und von dort abgestrahlt werden (Frequenzbereich typ.: 30 bis 400 MHz).

Leitungsgebundene und gestrahlte Störungen

Leitungsgebundene und gestrahlte Störungen, abgestrahlt über das Netzkabel (c). Hier sind sowohl vom AC/DC-Wandler selbst erzeugte Störungen als auch Störungen, die durch den Koppelvorgang, der unter „a“ beschrieben wird, eingeschlossen. Wichtige Punkte sind hier das Schaltungsdesign des Wandlers, die Filterdämpfung an den Schnittstellen und die Dämpfung der Schirmung des Netzteils. Der Frequenzbereich erstreckt sich typisch bis ca. 600 MHz.

Abstrahlung und Einkopplung von Gleichtakt-Störungen (Common Mode) über ungeschirmte Kabel (Twisted-Pair) (d). Elektromagnetische Störungen der Elektronik im System erzeugen einen Gleichtakt-Stromfluss durch die Leiter des Kabels. Der Gleichtakt-Stromfluss verursacht Magnetfelder, die abgestrahlt werden. Ebenso können elektromagnetische Felder, die in das Kabel koppeln, Störströme verursachen, die in die Systemelektronik eingekoppelt werden.

Transiente Störungen größerer Amplitude können zu Fehlfunktionen ggf. auch zur Zerstörung der Elektronik führen. Maßgebende Faktoren sind hier die Filterschaltung an der Schnittstelle und deren GND-System.

Quelle von elektromagnetischen Störungen sind häufig differenzielle Ströme, die vom Signalaustausch zwischen zwei ICs fließen (e). Der Stromkreis zwischen den beiden ICs umfasst den Hin- und den Rückleiter. Abhängig von der durch Hin- und Rückleiter gebildeten Stromkreisfläche und den Signalparametern entsteht ein elektromagnetisches Feld, das abgestrahlt wird, aber auch in benachbarte Kreise einkoppeln kann.

Störfestigkeit ist ein kritisches Thema an ungeschirmten Peripheriekabeln (f). Eine sorgfältige Gestaltung der Filter mit Transientenschutz ist entscheidend, um die Störfestigkeit zu verbessern. Diese Filter begrenzen nicht nur die transienten Überspannungen, sondern dämpfen auch die Störemission. Entscheidend für die einwandfreie Funktion der Filter sind die Auswahl geeigneter Bauelemente, ein HF-gerechtes Layout und ein angepasstes Massesystem (GND).

Die „EMV-Performance“ der Ethernet-Schnittstelle hängt von verschiedenen Faktoren ab (g). Neben dem Phy mit seiner vorgegebenen Datenrate sind das: Die Schaltungsauslegung vom Phy bis zum Kabelanschluss, das Massesystem (GND) und die Qualität des angeschlossenen Kabels. Diese Einflussfaktoren bestimmen die mögliche maximale Datenrate und die Bit-Fehler-Rate.

Öffnungen in Gehäusen können als Eintritts- oder Austrittspfade für elektromagnetische Strahlung dienen (h). Öffnungen reduzieren die Schirmdämpfung des Gehäuses, da sie die Wirksamkeit des Schirms beeinträchtigen. Weiterhin beeinträchtigen Öffnungen das Bezugsmassesystem für Schnittstellenfilter. Einflussgrößen sind: Optimierung der Gehäusekonstruktion, günstige Platzierung von Öffnungen und das Hinzufügen von zusätzlichen Schirmelementen.

Steckverbinder und EMV

Steckverbinder spielen eine wichtige Rolle, wenn es um EMV geht (i). Selbst die beste Schirmdämpfung eines Kabels wird durch ungeeignete Steckverbinder aufgehoben und die besten Filter helfen gegen Einflüsse von transienten Störungen nur eingeschränkt, wenn die Qualität von Steckverbindern in Frage steht.

Steckverbinder sind eine wichtige Systemkomponente; sie benötigen eine hohe Schirmdämpfung, müssen Impedanzen einhalten und verschleißresistent sein. Jedoch ist auch eine EMV-gerechte Implementierung der Steckverbinder in das Gehäusesystem notwendig, um die Wirksamkeit des Steckverbinder-Kabelsystems zu gewährleisten. Spalte zwischen Steckverbinder und Gehäuse, falsche Auswahl des Gehäusematerials erhöhen die Sensibilität gegen elektrostatische Entladungen um ein Vielfaches.

In Bezug auf die Kommunikation zwischen elektronischen Bausteinen und Controllern spielt die Signalintegrität eine entscheidende Rolle (j). Signalintegrität bezieht sich auf die Erhaltung der Qualität eines elektrischen Signals zwischen Sender und Empfänger über Leiterbahnen oder Schnittstellen und Leitungen.

Eine gute Signalintegrität gewährleistet, dass das empfangene Signal die gleichen Informationen enthält wie das gesendete Signal, ohne Verzerrungen oder Verluste. Einige wichtige Aspekte sind hier Reflexionen, Laufzeitunterschiede, Impedanz-Anpassung und die Leitungs- bzw. Schnittstellentopologie.

Anhand dieses Überblicks ist leicht zu erkennen, das Thema ist komplex. Die Folgeartikel werden sich mit den Themenbereichen a bis j befassen. In leicht verständlicher und übersichtlicher Weise werden die jeweils wichtigsten Punkte in ihren Zusammenhängen beschrieben, sodass der Anwender die dazu vorgeschlagenen Maßnahmen in seinem täglichen Umfeld praxisgerecht anwenden kann.  (kr)

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