ESD-, EFT- und Stoßspannungs-Festigkeit in Industrieanlagen verbessern

Dieser Artikel erläutert, wie sich durch Isolation die Störfestigkeit von Industrieanlagen gegenüber elektrostatischen Entladungen und elektrisch schnellen Transienten sowie Stoßspannungen verbessern lässt.

Von Industrieanlagen wird erwartet, dass sie auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten. Allerdings kann es in den Kabeln, die die Ein- und Ausgänge der verschiedenen Apparaturen miteinander verbinden, zu Spannungen und Strömen kommen, die aus den unterschiedlichsten Störquellen resultieren.

So können beispielsweise in Kabeln und Leitungen, die in der Nähe von Motoren verlaufen, hohe Spannungen und hochfrequente, schnelle transiente elektrische Störgrößen (Electrical Fast Transients – EFTs) auftreten.

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Blitzschläge, die Stoßspannungen verursachen, können induktiv in lange Kabel und Leitungen einkoppeln oder sich indirekt durch Netzteile fortpflanzen. Steckverbinder oder exponierte Bauteile wiederum sind möglicherweise elektrostatischen Entladungen (Electrostatic Discharge – ESD) ausgesetzt, wenn sie bei der Bedienung oder Wartung von Menschen berührt werden. Bei allen Störbeeinflussungen müssen Industrieanlagen jedoch weiter unbeeinflusst funktionieren.

Eine gute Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gestaltet sich bei isolierten Systemen anders als bei nicht isolierten Systemen.

Im folgenden Artikel geht es darum, wie sich die Isolation nutzen lässt, um die ESD-, EFT- und Stoßspannungs-Festigkeit zu verbessern. Tatsächlich lassen sich durch sorgfältiges Design Verbesserungen der Leistungsfähigkeit sowie geringere Systemkosten erzielen.

EMV-Prüfung von Spannungen und Strömen bei nicht-isolierten Systemen

In [1] sind Details zu den Spannungs- und Stromprofilen von Störimpulsen und den zeitlichen Abläufen von ESD-, EFT- und Stoßspannungs-Prüfungen nach den Vorgaben der International Electrotechnical Commission (IEC) beschrieben.

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines nicht isolierten Systems mit den Angaben der Spannungen und Ströme, die bei ESD-, EFT- oder Stoßspannungs-Ereignissen auftreten.

In einem nicht isolierten System sind alle Schaltungen, darunter auch die Bausteine zum Schutz vor transienten Störgrößen, mit dem Schutzleiter (Protective Earth – PE) verbunden.

TVS-Dioden als Schutz gegen ESD/EFT und Transienten

Moderne TVS-Bausteine (Transient Voltage Suppressor) werden wegen ihrer geringen Kapazität bevorzugt als Schutzkomponenten für die schnelle Datenübertragung eingesetzt. Sie lassen sich in jeden Knoten eines aus mehreren Knoten bestehenden Netzwerks einbauen, ohne dass die Datenrate verringert wird.

Mit Ansprechzeiten von wenigen ps und ihrer Eignung für Leistungen bis zu mehreren kW stellen TVS-Dioden die effektivste Schutzmaßnahme gegen ESD- und Burst/EFT-Phänomene sowie Stoßspannungs-Transienten dar.

Bausteine zum Schutz vor transienten Störgrößen leiten die von diesen Ereignissen induzierten hohen Ströme an den Schutzleiter ab. Diese Schutzbausteine müssen so konstruiert sein, dass die Spannungen, die an den Stromversorgungs- und I/O-Anschlüssen entstehen, auf Werte geklemmt werden, die unter den maximal zulässigen Spannungen der mit diesen Anschlüssen verbundenen Schaltungen liegen.

Beispielsweise kann eine TVS-Diode, die eine transiente Stoßspannung von 1 kV auf 50 V klemmt, zum Schutz von Transceivern und I/O-Schaltungen verwendet werden, die Spannungsspitzen bis 50 V verkraften.

Liegt die Klemmspannung der TVS-Diode deutlich höher als die sichere Betriebsspannung der Transceiverschaltungen, können zum Schutz der I/O-Schaltungen zusätzliche Bauelemente (z.B. Vorschaltwiderstände) verwendet werden. In [1] sind Schutzschaltungen für nicht isolierte RS-485-Transceiver beschrieben.

Fehler und Signaleinbrüche durch TVS-Bausteine

Während eines transienten Ereignisses an den Transceiver- und I/O-Pins klemmen die TVS-Bausteine die Spannung auf eine bestimmte Klemmspannung U_C. Diese Klemmung allerdings hat einen Verlust der regulären Signalisierung auf dem Kommunikationskanal zur Folge, denn diese ‚ertrinkt‘ praktisch in der Energie des transienten Impulses, was potenziell zu Signaleinbrüchen oder fehlerhaften Impulsen auf der Kommunikationsleitung führt.

Die Fehlerimpulse sind mindestens so lang wie die transienten Störimpulse (100 ns bei ESD- und EFT-Phänomen bzw. 100 µs bei Stoßspannungen) und wiederholen sich gemäß den Testwiederholungs-Mustern.

Um das A-Kriterium (keine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit beim Anlegen der transienten Störgrößen) zu erfüllen, müssen die besagten Fehlerimpulse mithilfe von RC-Filtern oder digitalen Filtern im Host-Controller bzw. durch Fehlererkennung und erneute Übertragung ausgefiltert werden.

Alle Methoden beeinträchtigen jedoch den Durchsatz des Kommunikationskanals, erhöhen die Kosten und resultieren in einem erhöhten Rechenaufwand für den Host-Controller.

EMV-Prüfung von Spannungen und Strömen in isolierten Systemen

In Bild 2 ist das Blockschaltbild eines isolierten Systems zu sehen, wiederum mit Angabe der bei ESD-, EFT- oder Stoßspannungs-Ereignissen entstehenden Spannungen und Ströme. In diesem Beispiel allerdings sind die Transceiver und anderen I/O-Ports mithilfe von Digitalisolatoren vom Host-Controller isoliert.

Der Host-Controller nutzt den Schutzleiter als Bezugspotenzial. Die (‚heiße‘) Schnittstellen-Seite des Systems einschließlich der TVS-Bausteine ist dagegen auf eine auf gleitendem Potenzial befindliche isolierte Masse (ISO GND) bezogen, und ein isolierter Gleichspannungswandler erzeugt die Versorgungsspannung für die heiße Seite.

Zwischen ISO GND und PE liegt eine parasitäre Kapazität C_ISO. Diese Kapazität ist die Summe der Isolations- bzw. Grenzschicht-Kapazitäten aller verwendeten Isolationselemente (Isolatoren, Optokoppler, Übertrager) sowie aller aus der Leiterplatte resultierenden Kapazitäten.

Mit den Spannungs- und Stromprofilen, wie sie in den Normen definiert sind, und den definierten Ausgangsimpedanzen der Generatoren und Klemmschaltungen lassen sich elektrische Modelle der verschiedenen transienten Phänomene erstellen. Das Blockschaltbild in Bild 2 simuliert die Auswirkungen dieser transienten Ereignisse.

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