Das Paradoxon der Masse

Die Elektronik-Masse muss gleichzeitig 2 Aufgaben übernehmen, die scheinbar im Widerspruch stehen.
Um diesen Widerspruch aufzulösen und die Masse zu befähigen beide Aufgaben zu übernehmen, bedarf es einer konsequenten Planung der Masse – schaltungstechnisch UND geometrisch.

 

Bezugspotential

Egal ob Sensoren, ADC, Spannungswandler oder andere Schaltungsteile, alle sind darauf angewiesen auf ein gleichbleibendes Bezugspotential zugreifen zu können. Unzulässige Masseversätze führen meist zu Fehlern.

 

Potentialausgleich

Um EMV-Störungen zu vermeiden bzw. in den Griff zu bekommen, wird versucht diese gegen Masse abzuleiten. Filter sind hier das bekannteste und gleichzeitig beliebteste Mittel der Wahl.

Leider verkommt die Masse dabei oft zu einem „Mülleimer“. Oft scheinen die Störungen aus dem Sinn zu sein, wenn sie „erfolgreich“ gegen Masse abgeleitet wurden. Doch oft beginnen dann andere Probleme erst jetzt so richtig.

Es ist leicht einzusehen, dass eine Masse die alle EMV-Störungen “aufnehmen“ muss, nicht gleichzeitig Ihrer Rolle als ruhiges gleichmäßiges Bezugspotential gerecht werden kann. Eine „verseuchte“ Masse erhöht gleichzeitig andere Störphänomene (z.B. den „Ground Bounce“) und hat unmittelbar negative Einflüsse auf die Signalintegrität.

 

Widerspruch auflösen

Eine geometrische Trennung von „empfindlich“ und „störend“ ist angezeigt.
In der realen Umsetzung ist dies jedoch oft schwieriger als gedacht. Ein gerne benutzter Ansatz ist die Verwendung verschiedener Massesysteme, z.B. in Form getrennter Masseflächen. Diese werden dann an nur wenigen Stellen miteinander verbunden.

Diese Vorgehensweise bringt aber in der Regel mehr Probleme mit sich, als sie löst. Der Grund liegt darin, dass sich die strikte Trennung auf Versorgungs- und Signalseite fast nie durchhalten lässt. Am Ende werden induktive und galvanische Verkopplungen stark erhöht, was zusätzlichen Entstöraufwand nach sich zieht. Kosten und Bauraumbedarf steigen unnötig!

Eine Massetrennung kann in wenigen speziellen Einzelfällen eine Lösung bringen. Deren korrekte Umsetzung ist aber äußerst kompliziert, weil die Vielzahl der parasitären Nebenwirkungen meist nur sehr schwer zu erkennen und zu vermeiden sind.

Der Störspannungsabstand sinkt zudem. Dieser ist ein zentrales Maß für die EMV-Güte.

Meist lassen sich die beiden Aufgaben Bezugspotential und Potentialausgleich durch eine frühzeitige, gezielte Planung und räumliches separieren lösen. Ein durchdachtes Zonenkonzept ist ein gutes Mittel der Wahl. Hierzu muss genau verstanden sein, was die größten Störer sind, welches die empfindlichsten und in welchen Frequenzbereichen sie wie wirken. Dabei ist Störer nicht gleich Störer. Auch können Störer und Mimosen miteinander harmonieren, wenn es keinen gemeinsamen Koppelmechanismus gibt. Hier bedarf es einer genauen analytischen Betrachtung, die gar nicht kompliziert sein muss. Auch in unserer digitalen Zeit reicht dafür oft Papier und Bleistift.

Des Weiteren bedarf es einer genauen Planung des Layouts. Bauteilanordnungen, die sich geometrisch nah am Schaltplan orientieren, erweisen sich aus EMV-Sicht sehr oft als nicht optimal. Hinzu kommen Einschränkungen durch mechanische Vorgaben (Bauraum, Bauhöhe, Bestückung, etc). Auch hier ist eine frühzeitige Abstimmung unbedingt zu empfehlen. Mit einer „falschen“ Steckeranordnung kann z.B. der Entstöraufwand und damit wieder Kosten, Gewicht und Bauraum massiv nach oben getrieben werden bis hin zur Unmöglichkeit einer guten EMV-Performance. Gegenüberliegende Steckeranordnungen sind in der Regel besonders kritisch. Kann ein geringfügig längerer Kabelsatz auf einer Seite akzeptiert werden und beide Stecker auf derselben Seite einer Baugruppe platziert werden, verschwindet manches EMV-Problem von allein.

 

EMV ist immer ein Kompromiss

Eine gute EMV wird immer ein Kompromiss sein. Das Beispiel der Steckeranordnung verdeutlich einmal mehr wie wichtig es ist früh nach diesen Kompromissen zu suchen. Um auch gleichzeitig einen kostenoptimierten Kompromiss zu erreichen, ist es unerlässlich mit der EMV schon in Konzeptphase der Entwicklung zu beginnen und alle Beteiligten wie Software, Mechanik, Fertigung, etc. einzubinden.

Hier sei nochmals auf den Störspannungsabstand hingewiesen. Ist dieser zu gering, bringt kein noch so aufwändiges Filter eine Lösung. Warum dies so ist, lesen Sie in der nächsten Folge dieses Blogs.