Stoerungen und Filter - Grundlagen

In die EMV eines Produkts wird oft viel Geld investiert, sehr oft mehr als geplant und notwendig, weil zu spät.
EMV ist viel mehr als messen und entstören - vor allem ist es KEIN Zufallsprodukt!
Immer wieder hört man Aussagen wie ‚Wir müssen die EMV-Störungen (weg)filtern' oder 'abblocken‘.

Dies suggeriert teilweise man könne EMV-Störungen mit geeigneten Maßnahmen, z.B. Filtern, quasi durch Aufstellen einer Barriere an Ort und stelle aufhalten oder gar eliminieren. Dieser Gedankengang ist falsch und führt nicht selten zu falschen Schlussfolgerungen.
Es ist doch naheliegend der Frage nach zu gehen was kann getan werden um EMV-Störungen erst gar nicht entstehen zu lassen. Sie spät zu beseitigen kostet bekanntlich viel Geld, Ressourcen und "führt zu grauen Haaren".
Deshalb soll hier zum Einstieg erklärt werden, was EMV-Störungen sind und Ansätze gegeben werden wie sie zu vermeiden sind.
Dieser Beitrag ist der erste einer losen Folge zu Themen rund um die Elektromagnetische Verträglichkeit, die nach und nach tiefer in die Materie einsteigt.

Wie entstehen Elektromagnetische Störungen?

EMV-Störungen gehen immer auf schnelle Verschiebungen von Ladungsträgern zurück. Dies kann auf der einen Seite durch die Entladung eines Blitzes geschehen. Im technischen Umfeld sprechen wir dann bekanntlich von einer ESD-Störung.

Auf der anderen Seite entstehen sie beim Schalten von Spannungen und/oder Strömen. Wenn dieser Schaltvorgang zeitlich nicht streng einer Sinuskurve folgt kommt es zu einem Frequenzspektrum, das sich aus einer Fourier-Reihe ergibt. Hier soll auf die EMV-Störungen durch solche Schaltvorgänge eingegangen werden.
Ein Rechtecksignal wie es beim „harten Schalten“ entsteht, hat theoretisch ein unendliches Frequenzspektrum. Dabei hat jeder Frequenzanteil einen bestimmten, mit steigender Frequenz abnehmenden Energieinhalt.
3 eigentlich banale Randbedingen mit großer Bedeutung:
  1. Die Summe der Energien in einem Frequenzspektrum muss von einer, real meist mehreren Quellen zur Verfügung gestellt werden.
  2. Jeder Strom(anteil) fließt zu seiner Quelle zurück.
  3. Alle Übertragungswege sind impedanzbehaftet, d.h. es gibt keine verlustfreien Pfade.
Aus 1) folgt, dass die Flanken eines Rechtecksignals angekippt (abgeflacht) werden, wenn die Quellen nicht alle Frequenzanteile schnell genug zur Verfügung stellen können. Es kommt zum kurzfristigen Einbrechen der Quellenspannung bei den entsprechenden Frequenzen. Diese Spannungseinbrüche messen wir als EMV-Störungen.
2) besagt, dass eine Störung nicht aufgehalten werden kann. Jeder Strom sucht sich seinen Weg zurück zur Quelle. Wird an einer Stelle die Impedanz erhöht, nimmt er einen anderen, niederimpedanteren Weg. Beides können auch parasitäre Pfade sein, die nicht immer leicht zu erkennen sind. Gibt es tatsächlich keinen niederimpedanteren Weg, so bricht das Signal weiter ein. Dies ist eine Schnittstelle zwischen EMV und Signalintegrität.

Banalität?

Ich stelle immer wieder fest, dass bei der Suche nach Lösungen, nicht in geschlossenen Stromkreisen gedacht wird, bzw. der Frage 'wo verläuft denn der Rückpfad tatsächlich' viel zu wenig Beachtung geschenkt wird.
Aus 3) folgt, dass es auf dem „Stromumlauf“ zu Verlusten kommt, die zusätzlich von den Quellen ausgeglichen werden müssen. Dies ergibt eine sich negativ auswirkende Rückkopplung mit 1).
Es geht also bei der EMV-Entstörung darum der Störung, auch für die hochfrequenten Anteile eine entsprechend schnelle Quelle zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig dem Strom einen Weg zurück zur Quelle zu eröffnen, auf dem er keinen Schaden anrichtet.

Kondensator als Filter

Ein Filter in seiner einfachsten Form (Kondensator) bietet der Störung einen zusätzlichen Weg an, vorausgesetzt dieser ist niederimpedanter. Ist er dies nicht kommt dann oft eine zweite Filterstufe zum Einsatz, die die Impedanz im Längspfad (dem ursprünglichen Pfad) erhöht. Eine mögliche dritte Filterstufe bedient wieder den Querpfad, eine vierte den Längspfad usw.


Achtung: Es gibt quasi nie nur einen Weg. Die Ströme teilen sich entsprechend den Impedanzen auf. Der „neue“ gewollte Pfad muss also eine deutlich niedere Impedanz haben als der „alte“, wenn er seine Wirkung voll entfalten soll.

 

Kondensator als Quelle

Eine zweite Rolle, die Kondensatoren einnehmen können, ist die einer Quelle. Insbesondere die hohen und damit schnellen Frequenzanteile können von einer Quelle die die unteren, energiereicheren Anteile zur Verfügung stellt nicht gleichzeitig bereitgestellt werden. Elkos wirken bis in den kHz-Bereich, während Keramikkondensatoren (MLCC) bis in den MHz-Bereich reichen. Aber Kondensatoren in Form realer Bauelemente erreichen in der Schaltung nie die Werte, die man den Datenblättern entnehmen kann. Dies liegt nicht etwa an falschen Angaben, sondern an parasitären Effekten wie den Anschlussinduktivitäten und anderen. Jenseits von 100 MHz wirkt annähernd kein realer Kondensator mehr. Hier schlägt die Stunde der gedruckten Kondensatoren im Layout. Diese können bei richtiger Auslegung bis in den GHz-Bereich wirken. Diese sind nicht nur in Multilayer-Platinen darstellbar, aber dort mit höherem Wirkungsgrad umsetzbar.

 

Früh beginnen

Diese Beschreibungen zeigen, dass es kostengünstiger gehen kann, indem man sich z.B. frühzeitig über den Verlauf der HF-Ströme und weiterer Charakteristika von EMV-Störungen Gedanken macht. Welche HF-Ströme fließen wo und warum? Welches sind die dominierenden Koppelmechanismen. Meist ist eine Kopplungsart besonders prädestiniert für ein bestimmtes Schaltungsdetail.

Allerdings müssen die abgeleiteten Maßnahmen zu einem früheren Entwicklungszeitpunkt bewusst eingeplant werden. Möglich und sehr nachhaltig ist dies bereits im Konzept. Eine weitere Option bietet das Blockschaltbild, in dem oft eine notwendige EMV-Maßnahme besser erkennbar ist als im späteren detaillierten Stromlaufplan. Kostenlose Maßnahmen bietet das Layout. Meist unterschätzt wird das Potential der Mechanik.

Ausblick

Wie all dies umgesetzt werden kann, werde ich in den nächsten Folgen dieser Beitragsreihe erläutern. U.a. werde ich aufzeigen, dass oft 80% der möglichen EMV-Stellschrauben dem Zufall überlassen werden und wie diese gezielt genutzt spätere, teurere Entstörmaßnahmen vermeiden können. Alles ohne Trial and Error, durch Überlegung, hinterfragen der Zusammenhänge, Teamarbeit und mit Papier und Bleistift (manchmal geht es auch in digitalen Zeiten mit letzteren besser). Der Anspruch der Beiträge wird steigen - versprochen.
Eine Essenz aus über 20 Jahren in der EMV!