Methoden der Baugruppenentsörung Kapazitiver Touch - EMV-Störaussendungsprobleme lösen

Bild 1: Grundprinzip des kapazitiven Touchs

Kapazitive Touchscreens erzeugen hochfrequente Felder, die Geräte in der Umgebung beeinflussen können. Mittels einer Bordnetznachbildung lassen sich diese Störemissionen bewerten. Wie man das Störaussendungsproblem bei einer Grenzwertüberschreitung löst, erklärt Gunter Langer von Langer EMV-Technik.

Kapazitive Touchs werden vielfach anstelle von mechanischen Schaltern in elektronischen Geräten eingebaut. Ihre Verwendung zieht häufig Störaussendungsprobleme nach sich, denn aufgrund ihrer Funktionsweise geben die kapazitiven Touchs hochfrequente elektrische Felder in ihre Umgebung ab, die andere Geräte beeinflussen können. Im Automobil kann dies z.B. den Empfang des Autoradios stören oder andere Funkdienste beeinträchtigen. Um Störungen zu verhindern, müssen die Störemissionen bestimmte Grenzwerte einhalten. Dies wird durch eine EMV-Prüfung mit einer Bordnetznachbildung (BNN) kontrolliert.

Die besonders schwer zu beherrschenden Grenzwertüberschreitungen…

...sind hauptsächlich im Frequenzbereich von 150 kHz bis 5 MHz bei EMV-Messungen mit der Bordnetznachbildung nachweisbar. Wenn der kapazitive Touch an das Bordnetz eines Automobils angeschlossen ist, werden Störungen über den Kabelbaum in das Fahrzeug geleitet. Bild 1 zeigt die Bordnetznachbildung, die zur Prüfung der Grenzwerte an den Bordnetzanschluss des kapazitiven Touchs angeschlossen wird. An die Elektrode EL1 wird eine HF-Spannung mit einer Frequenz von ca. 100 kHz angelegt. Die Elektrode besitzt eine sehr kleine Koppelkapazität C1 von wenigen Femtofarad (fF) zur Elektrode EL2. Die HF-Spannung treibt über die Koppelkapazität C1 Strom zur Elektrode EL2. An der Elektrode EL2 ist ein Widerstand R angeordnet. Über diesen Widerstand fließt der von der Elektrode EL1 zur Elektrode EL2 kapazitiv gekoppelte Strom und erzeugt eine Spannung UAV. Die Annäherung eines Fingers an die Elektroden EL1 und EL2 verändert die Kapazität C1 und damit letztlich die Spannung UAV. Die Änderung von UAV muss so ausgewertet werden, dass bei entsprechenden Werten eine Schaltfunktion ausgelöst wird. In der Praxis können die beiden Schaltungsteile, die zu EL1 und EL2 gehören, zu einer Schaltung zusammengefasst werden (Bild 2).

Dabei wird in einer ersten Phase…

...ein Spannungsimpuls ausgelöst, der über den Kondensator der Elektrode EL einen Strom zum Finger treibt. Je nach Fingerabstand wird der Kondensator C2 aufgeladen. Die Ladung wird in einer zweiten Phase mit einer Elektronik gemessen. Die Umschaltungseinrichtung für die beiden Phasen ist in Bild 2 nicht dargestellt. Die dabei im Kondensator C2 gespeicherte Ladung ist sehr gering. Sie wird durch den kapazitiven Teiler C1 (Finger) und C2 bestimmt. Da C1 (Finger) im Bereich von Femtofarad liegt und C2 im Bereich von Pikofarad (pF), entsteht ein Teiler von 1/1000. Bei einer HF-Spannung von 3 V Scheitelwert würde auf den Kondensator C2 eine äußerst geringe Spannung von 3 V/1000 entstehen. Um einen solchen kapazitiven Touch zur Funktion zu bringen, ist ein entsprechender Verstärker zur Signalverstärkung erforderlich.

Es gibt in der Praxis verschiedene Realisierungsmöglichkeiten,…

...das Problem zu lösen. Eine interessante Lösung wird mit einer Ladungspumpe umgesetzt. In Bild 2 bewirkt die parasitäre Kapazität die Verringerung der Wirkung des Spannungsteilers C1, C2. Der Strom, der eigentlich C2 aufladen soll, fließt nutzlos über C3 ab. Das bedeutet, dass die Elektrode EL möglichst großen Abstand zur umgebenden Masse einnehmen muss. Dieser große Abstand wird, wie weiter unten beschrieben, negative Auswirkungen auf die Störemission haben.