Phänomene in der EMV Layout und Filterschaltungen

Schaltungs-Layout und EMV-Filter müssen korrekt ausgelegt und platziert sein.

Ein unvorteilhaftes Schaltungs-Layout kann die Wirkung von EMV-Filtern fast vollständig aushebeln. Die Filter helfen nur dann, wenn sie korrekt platziert und auf die jeweilige Schaltung ausgelegt werden. Dafür muss das Frequenzverhalten der Filterkomponenten berücksichtigt werden.

Der erste Teil dieser Beitragsserie zur EMV-Technik behandelte die grundlegenden Koppelmechanismen, die das EMV-Verhalten einer elektronischen Schaltung bestimmen. Außerdem wurden die vorkommenden Signale untersucht: Rechtecksignale enthalten harmonische, sinusförmige Oberschwingungen, deren Amplitude und Frequenzbereich von der Periodendauer und der Signalanstiegszeit abhängig ist.

In der Praxis nimmt in den meisten Fällen die Kopplung zwischen Stromkreisen proportional mit der Frequenz zu. Abhängig von Systemparametern wie beispielsweise Gehäuse, Kabelschirmung und Schaltungskomplexität wird es notwendig sein, an Komponenten- und Gehäuseschnittstellen Filter zu integrieren, die das »EMV-Verhalten« der Schaltung verbessern.

Umgang mit EMV-Filtern im Praxisalltag

Wie werden Filter aufgebaut? Es ist die Praxiserfahrung des Autors, dass es bei der Auswahl der Filterbausteine in den meisten Fällen darauf ankommt, was praktisch und leicht verfügbar ist: »Na der Ferrit hat 100 Ω bei 100 MHz, das sollte doch reichen«. Dann muss das Filter noch in ein Eck auf der Leiterplatte, denn Platz ist dort ja kaum noch, sodass es »halt mit drauf ist«. Leider wird in den meisten Fällen mit diesem Vorgehen der gewünschte Effekt nicht eintreten.

In Bild 1 sind zwei typische Fälle aus der Praxis dargestellt. Links speist der Schnittstellentreiber ein Signal über die Leiterbahn A und den Peripherieanschluss A ein, mit dem ein Peripheriegerät (Verbraucher) gesteuert wird. Zu EMV-Zwecken wurde ein Kondensator (in der Regel 150 pF) an der Schnittstelle in die Signalleitung integriert, um die im Nutzsignal enthaltenen Störanteile zu reduzieren. Es stellt sich heraus, dass eine benachbarte Leiterbahn B, die zu einem Line-Out-Anschluss B führt, die Störsignale der Leitung A einkoppelt. Sie werden über das an den Peripherieanschluss B angeschlossene Line-Out-Kabel abgestrahlt, was zu Grenzwertüberschreitungen führt.

Die Rechte Seite in Bild 1 zeigt, wie als zusätzliche Maßnahme eine Drossel oder ein SMD-Ferrit (typ. 400 Ω bei 100 MHz) in die Audioleitung (Line-Out) eingeschleift wird, um die Störungen auf der Leiterbahn B zu reduzieren.

Resultat: Selbst wenn der Kondensator in Leitung A in seiner Kapazität und der Ferrit in Leitung B in seiner Impedanz deutlich vergrößert werden, verringert sich die Störabstrahlung von Leitung B nur geringfügig! Warum ist das so und welche Verbesserungsmöglichkeiten gibt es?

Was ist ein »EMV-Filter«?

Ein elektronisches Filter ist eine Schaltung, die unerwünschte Frequenzkomponenten aus dem Signal entfernen soll. Die gewünschten Signalanteile darf das Filter nicht oder nur geringfügig beeinträchtigen (Bild 2). Diese Funktion erfüllt der Aufbau in den Beispielen in Bild 1 nicht. Die unerwünschten Frequenzkomponenten werden nicht wirksam von den Komponenten Kondensator und Induktivität zurückgehalten.

Ein Filter ist ein frequenzabhängiger Spannungsteiler. In der EMV werden fast ausschließlich Tiefpässe eingesetzt. Ihr prinzipieller Aufbau ist in Bild 3 dargestellt. Mindestens eine der Impedanzen Z1 und Z2 muss ein frequenzabhängiges Bauelement sein. Die möglichen Kombinationen aus Induktivität, Kondensator und Widerstand für einen Filter sind in der Tabelle in Bild 3 aufgelistet.

Bilder: 5

Was ist ein EMV-Filter, Bilder 2 bis 6

Was ist ein EMV-Filter?, Bilder 2 bis 6

Zurück zu Bild 1. Im linken Bild befindet sich ein Kondensator am Ende der Leiterbahn, der den Störstrom gegen die Masse (GND) des Systems ableiten soll. Diese Aufgabe erfüllt er in dem Beispiel auch. Allerdings wird der Störstrom im System, dargestellt durch den rot markierten Stromkreis, mit zunehmender Kapazität oder abnehmendem Blindwiderstand des Kondensators noch größer. Entsprechend vergrößert sich auch der Störstrom in Leiterbahn B, der über die induktive Kopplung zwischen Leiterbahn A und Leiterbahn B eingekoppelt wird. In dem Stromkreis fehlt ein zweites Bauelement, über dem die Störenergie in Form einer Spannungsteilung abfallen kann.

Im rechten Teil von Bild 1 wird in die störsignalbehaftete Leitung eine Induktivität beziehungsweise ein SMD-Ferrit eingeschleift. Eine lange Peripherieleitung, wie das Line-Out-Kabel, verhält sich hochfrequenzmäßig wie eine E-Feld-Antenne. Sie hat abhängig von Kabellänge und Störfrequenz eine hohe Impedanz am Anschlusspunkt. Der ist in diesem Fall die Line-Out-Peripheriebuchse.

In Bild 4 sind die Koppelverhältnisse verdeutlicht. Der Stromkreis mit der Störquelle besteht aus der Leiterbahn, dem Kondensator C, und dem Rückpfad (Massefläche oder Leiterbahn). Die blau gekennzeichnete Leiterbahn der Störquelle koppelt über deren Störstrom IStör_A induktiv einen Störstrom IStör_B in den Stromkreis B, bestehend aus der Leiterbahn zwischen dem Audiobaustein, bzw. dessen parasitärer Ausgangskapazität Cp, der Induktivität und letztlich dem Line-Out-Kabel. Das Kabel selbst strahlt die Störenergie ab und schließt so den Stromkreis gegen Massepotenzial. Die Kopplung zwischen den beiden Leiterbahnen hängt im wesentlichen von dem Abstand zwischen den Leiterbahnen und der Länge der beiden Leiterbahnen ab.

Bild 5 verdeutlicht die Impedanzverhältnisse der beiden Stromkreise: Der Störstromkreis (Bild 5, links) entsteht effektiv erst durch die Implementierung des Filterkondensators C, dessen Blindwiderstand mit zunehmender Kapazität und zunehmender Störfrequenz abnimmt. Weiterhin wird im Stromkreis B, dem Audiostromkreis, die koppelnde Leiterbahn über die Ausgangsimpedanz des Audiotreibers gegen Masse „geerdet”. Und auch hier wird mit zunehmender Störfrequenz die Fußpunkt-Kapazität des Peripheriekabels, also der Antenne, einen kleineren Blindwiderstand haben und so die Abstrahlverhältnisse der Antenne verbessern. Im rechten Teil in Bild 5 sind die beiden Leiterbahnen als Ersatzschaltbild in Form zweier verkoppelter Spulen, also als Übertrager dargestellt. L ist die Entstördrossel, die in Serie mit der Antennenimpedanz ZKabel liegt.

In Bild 6 sind die Impedanzen des Audiostromkreises mit der Induktivität L verdeutlicht. Ausgehend von der Störquelle (L2 in Bild 5) liegen die Induktivität L mit ihrem frequenzabhängigen Blindwiderstand XL und die Antennenimpedanz ZKabel im Stromkreis. Die Größenverhältnisse von XL und ZKabel entscheiden nun darüber, wie wirksam die Implementierung der Drossel L ist. Die störmindernde Wirkung wird umso kleiner, je größer die Fußpunktimpedanz der Antenne im Verhältnis zur Impedanz der Drossel ist.

Weitere Abhängigkeiten sind die Störfrequenz, die Kabellänge oder die Position des Kabels im Raum. Mit anderen Worten: letztendlich ist die Störreduktion der Funkstörfeldstärke nicht exakt kalkulierbar. Sie bewegt sich aber typischerweise im Bereich von 1 – 4 dB.

Wie macht man es richtig?

In Bild 7 ist für jeden Stromkreis ein vollständiger Tiefpass vorgesehen. Im Quellstromkreis mit der Leiterbahn A wird mit zunehmender Ströfrequenz der Störstrom IStör_A abnehmen, durch die steigende Impedanz der Drossel L2 wird der Störspannungsabfall über der Drossel zunehmen. Damit die Störsspannung am Port A gering ist, schließt der Filterkondensator C2 mit seiner geringen Impedanz bei hoher Frequenz den Port kurz – der frequenzabhängige Spannungsteiler wirkt.

Im Senkenstromkreis passiert ähnliches. Der über die Leiterbahn B eingekoppelte Störstrom wird wegen des Blindwiderstandes der Drossel L1 mit zunehmender Frequenz abnehmen und die Störspannung am Port B, also dem Anschluss des Peripheriekabels, wird abnehmen. Der Effekt wird durch den Kondensator noch verstärkt, da seine Impdedanz mit steigender Frequenz abnimmt. Die Amplitude der Störspannung am Port B hängt vom Teilerverhältnis der Blindwiderstände XL1 zu XC1 ab und geht für hohe Frequenzen (> 100 MHz) gegen 0, ideale Masseverhältnisse vorausgesetzt.

Um Filter zweiter Ordnung nach Bild 7 HF-technisch wirksam aufzubauen, sind einige Voraussetzungen notwendig. Zum einen müssen die Bauelemente für den notwendigen Frequenzbereich ausgelegt sein und zum anderen muss dasselbe für das Layout und das Filtermassekonzept gelten.