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EMV-Entstörmaßnahmen

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Academic year: 2022

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(1)

Teil III

EMV-Entstörmaßnahmen

(2)

Überblick Teil III

1. Filterung

- zur Unterdrückung der Störspektren auf Leitungen - Störspektrum Nutzsignal muss unterschiedlich vom

Störspektrum des Störsignals sein!

2. Schirmung

- von Gehäuse und Leitungen

3. Leitungsführung, EMV-gerechtes Layout

4. Überspannungsschutz

(3)

III.1 Elementare Filter: Abblockkondensator

Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit

Filter sind Spannungsteilerschaltungen mit

frequenzabhängigem Übersetzungsverhältnis

(4)

III.1 Elementare Filter: Abblockkondensator

Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit

wenn die Filterdämpfung im Bereich des Nutzsignals klein ist, dann gilt für die Filterdämpfung a F

Filter sind Spannungsteilerschaltungen mit frequenzabhängigem Übersetzungsverhältnis

DC- bzw. NF-Nutzsignal HF-Störsignal

20lg ( ) 20lg

E

( )

E q

i

E q

f st

E q

st

E q

Z Z Z

Z Z a U

U Z Z

Z Z + +

= ω =

ω

+

(5)

Elementare Filter: Längsdrossel

Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit

Bei kleinem HF-Innen- widerstand der Störquelle wird eine Drossel in Reihe geschaltet

20lg ( ) 20lg

E

( )

i l E

f st

st E

U Z Z Z

a U Z

ω + +

= =

ω

(6)

Elementare Filter: LC-Kombination

Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit

LC-Filter als Kombination von Querkapazität (nach

Betriebsspannung auslegen!) und Längsdrossel (nach

Betriebsstrom auslegen!)

20lg ( ) 20lg

E

( )

E q

i l

E q

f st

E q

st

E q

Z Z Z Z

Z Z a U

U Z Z

Z Z + + ω +

= =

ω

+

(7)

Filterdämpfung / Einfügedämpfung

Quelle: Schurter

• Die Filterdämpfung ist frequenz- und impedanzabhängig

• Sie wird meist als „Einfügedämpfung“ mit identischen

und typischen Werten für Z Q und Z E (z.B. 50 Ohm)

angegeben

(8)

Einfache Filterstrukturen in Abhängigkeit der Impedanz

Quelle: Williams, EMC for Product Designers

(9)

• Die Impedanz von realen

Induktivitäten erhöht sich mit ansteigender Frequenz bis zur Resonanzfrequenz. Oberhalb der Resonanzfrequenz werden die Windungen der Spule durch

parasitäre Windungskapazitäten kurzgeschlossen.

• Um hohe Resonanzfrequenzen zu realisieren, senkt man die Anzahl der Windungen und fügt einen hochpermeablen Kern ein.

- Ferritkerne

- Eisenpulverkerne

Quelle: Durcansky, EMV-gerechtes Gerätedesign

Reale Induktivitäten

(10)

Ferritringe, Klappferrite

• Ferritringe dämpfen Gleichtaktstörungen

• Zur Filterung bis 20 MHz eignen sich Ferritkerne aus MnZn; ab 20 MHz bis 400 MHz verwendet man NiZn

Quelle: wikipedia Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

(11)

Ferritringe, Klappferrite: Video

• Lorandt Fölkel, Würth Elektronik

• Influence of number of turns at snap ferrite:

Influence of number of turns at snap ferrite

(12)

Stromkompensierte Drossel

Quelle: Sedlbauer AG

• Mit stromkompensierten Drosseln lassen sich ebenfalls Gleichtaktstörströme unterdrücken.

• Der durch den Nutzstrom erzeugte magnetische Fluss kompensiert sich im Ringkern, so dass der

Nutzstrom nicht zur Sättigung des Materials beiträgt.

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

(13)

Reale Kapazitäten

• Entstörkondensatoren haben die Aufgabe, die Störsignale kurzzuschließen bzw. sie zur Masse abzuleiten.

• Die Impedanz von Kapazitäten sinkt mit ansteigender

Frequenz bis zur

Resonanzfrequenz; oberhalb der Resonanzfrequenz wirken sich die Eigen- und

Zuleitungsinduktivitäten L

c

negativ aus.

Quelle: Durcansky, EMV-gerechtes Gerätedesign

(14)

Durchführungskondensator

• Die Eigeninduktivität eines Kondensators hängt ab von

- Leitungslänge der Abschlussleitungen - Einbauart

- Innerer Aufbau

• Eine Sonderbauform ist z.B. der Durchführungskondensator

Quelle: elektroniknet.de Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

(15)

L1 N

PE CY CY

Stromkompensierte Drossel

C x

X-Kondensator

• Unterdrückt symmetrische Störungen

• beliebig hohe Kapazitäten

• Unterteilung X1 und X2 (> bzw. <1,2 kV)

Y-Kondensator

• Unterdrückt unsymmetrische Störungen

• Ableitstrom nach PE im normalen Betrieb zwischen 0,75 mA und max. 3,5 mA zulässig, dadurch C

Y

auf einige 1000 pF begrenzt

• Besondere elektrische Festigkeit (2,5 - 8 kV)

Netzfilter

Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit

(16)

Beispiele für Einbaunetzfilter

(17)

• Großflächiger niederimpedanter Kontakt des Filtergehäuses mit dem Gerätegehäuse

• Filter möglichst dicht an der Gehäuseeintrittsseite montieren

• Netzkabel schirmen, Schirm an beiden Seiten großflächig auflegen

Korrekte Filtermontage

(18)

Korrekte Filtermontage (2)

Übersprechen Übersprechen Kein Übersprechen

Quelle: SIEB & MEYER, EMV-gerechter Geräteaufbau

(19)

Beispiel für Microstrip-Leitungsfilter

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

Serieninduktivitäten Parallelkapazitäten

(20)

Beispiel zur Wirksamkeit Filtereinsatz

ohne Filter

mit geeignetem

Netzfilter

(21)

Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit

III.2 Schirmung

(22)

Überblick Schirmung

1. Prinzip der Schirmung

- statische, quasistatische E- und H-Felder - hochfrequente elektromagnetische Felder

2. Gehäuseschirmung

- Messung

- Schirmöffnungen: Türen, Schlitze, Fenster

3. Kabelschirmung

- Prinzip, Auflegen des Schirms

- Kabelschirm als Kurzschlussmasche

(23)

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

Abschirmung von Senke und Quelle

(24)

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

Schirmfaktor und Schirmdämpfung

= ohne

E

mit

A E

E H = ohne

mit

A H

H

= 20lg ohne

E

mit

a E

E H = 20lg ohne

mit

a H

H Schirmfaktor

Schirmdämpfung

(25)

Schirmung (quasi)statischer E-Felder

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

• Verschiebung von Ladungen, bis keine tangentialen Kräfte mehr auf Ladungen wirken; E-Feldlinien stehen senkrecht auf Gehäuse

• Verschobene Ladungen erzeugen Gegenfeld im Inneren der Schirmhülle

• Gegenfeld und äußeres Feld kompensieren sich Im Inneren

• Bedingung : Schirmströme müssen ungehindert fließen können (elektrisch leitfähige Hülle ohne Lücken)

ohne Schirm

(26)

Schirmung statischer H-Felder

• Magnetostatische Felder sind NICHT durch elektrisch leitfähige Materialien abschirmbar

• Hochpermeable Werkstoffe notwendig (µ

r

>> 1):

• „Mu-Metall“, Permalloy (Nickel-/Eisenlegierungen, ggf. Zusatz von

Cobalt und Molybdän)

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

(27)

Schirmung quasistatischer H-Felder

• Elektrisch leitfähige Materialien einsetzbar; magnetische Wechselfelder induzieren elektrische Stromdichten, die sekundäre Magnetfelder erzeugen

• Dies wirken äußerem Magnetfeld entgegen und kompensieren es teilweise

• Schirmwirkung lebt von induzierten Strömen, deswegen Fugen vermeiden!

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

Schirm nahezu

wirkungslos Minimalanforderung Optimaler Schirm

(28)

Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit

Schirmung hochfrequenter EMF

• Im hochfrequenten Fall dominiert die Reflexion als Hauptabschirmungs-

mechanismus

• Doppelte Wirbelverkopplung

• Zusätzlich Absorptions-

verluste in Schirmwand

(29)

Quelle: Rodewald, EMV

Warum nicht ein Material für alle Frequenzen?

• Hochpermeable Materialien haben eine schlechte elektrische Leitfähigkeit und einen starken Skineffekt

• Ohmsche Verluste verringern aber die Abschirmwirkung bei hohen

Frequenzen

(30)

Messung der Schirmdämpfung

• Sender und Empfänger auf unterschiedlichen Seiten der Schirmwand

• Insbesondere Zugänge (Türen, Mediendurchführungen usw.) abtasten

• Oberhalb von 1 MHz 85 dB und mehr Schirmdämpfung erreichbar

MIL-STD 285,

IEEE Std. 299

(31)

Praktisches Beispiel

• Begrenzung der unteren Grenzfrequenz durch Öffnungsgröße

(32)

Problematik: Schirmöffnungen

• Zugangstüren, Verbindung von Gehäuseteilen

• Belüftung, Klimatisierung

• Mediendurchführungen (Wasser, Druckluft)

• Stromzuführungen

• Signal- und Datenleitungen

(33)

Zugangstüren

Quelle: hollandshielding.de

(34)

Beispiel: Tierexposition Hannover

(35)

Eloxierte / lackierte Gehäuseteile haben keinen HF-Kontakt!

Kontaktierungsverbesserungen

Federn

• Kontaktbänder

• metallische Dichtungen

Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit

Verbindung von Gehäuseteilen

(36)

Schirmdämpfung reduziert sich bei:

• Vergrößerung der Schlitzlänge der Öffnung

• Steigender Frequenz des Strahlers

• Erhöhung der Anzahl der Öffnungen

Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit

Belüftung: Gehäuseschlitze

(37)

• Erfahrungsgemäß sollte eine Öffnung mindestens 20 dB Schirmdämpfung aufweisen

• Angaben für 20 dB Schirmdämpfung

Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit

Schirmdämpfung und Schlitzlänge

(38)

Orientierung von Gehäuseschlitzen

besser schlechter

Quelle: Williams, EMC for product designers

(39)

Schirmströme

Schirmausschnitt

Rechteckiger Schlitz behindert Schirmströme

⇒ Schirmwirkung schlecht, Gehäuseschlitz wirkt wie Schlitzantenne

Große Anzahl kleiner Löcher behindert weniger die Ausbildung der Schirmströme

⇒ Schirmwirkung wesentlich besser

⇒ viele kleine Löcher sind besser als wenige große

Bessere Lösung: Löcher

(40)

• Eine bessere Schirmdämpfung als durch Lochungen erreicht man mit Kamindurchführungen bzw. Wabenkaminfenstern

• Dies sind prinzipiell Hohlleiter unterhalb ihrer cut-off Frequenz

Quelle: Schwab, EMV

Kamindurchführung Wabenkaminfenster

(Waben)Kamine für Mediendurchführung

(41)

• Ausschnitte an Displayscheiben abschirmend beschichten (Besputtern)

• Verwendung von Maschendrahtnetzen oder Lochgittern

Sichtfenster

Quelle: dexgo.com

(42)

Schirmungsunterbrechungen:

Elektrische Signale

• Elektrische Signale sollten unbedingt über Filter

geführt werden

(43)

Problematik: Hohlraumresonanzen

Quelle: Chr. Adami, Diplomarbeit Uni Duisburg, 2005

• Bei „zu guter“ Abschirmung können Hohlraumresonanzen auftreten

• Diese können die Abschirmung teilweise wieder zunichte machen

• Bedämpfung durch Absorbermaterial

(44)

Prinzip Kabelschirmung

Ungeschirmtes Kabel Geschirmtes Kabel

• Durch die Kabelschirmung sollen externe Störeinkopplungen auf das Kabel

(induktiv, kapazitiv, gestrahlt) minimiert werden

(45)

schlechte Schirmanbindung

gute Schirmanbindung

• Leitungsschirm möglichst niederimpedant mit metallischem Gehäuse verbinden

• Schirm immer ganzflächig auflegen, entweder mit Metallschelle oder mit geeignetem

Konnektor

• Impedanz des „Pigtails“:

L ~ 10 nH/cm X

L

= 2 π fL

X

L

= 62,8 Ω bei 500 MHz und 2 cm Länge

• Bei schlechter Schirmanbindung ist zusätzlich eine Ein- bzw. Auskopplung von Störsignalen über die Leiterschleife "Schirm – Signalleiter"

möglich

Quelle: Durcansky, EMV-gerechtes Gerätedesign

Anbindung des Schirms

(46)

Anbindung des Schirms (2)

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

Niederinduktiver Anschluss (großflächig, umlaufend)

Induktiver Anschluss mittels Draht (pigtail)

Induktiver Anschluss hinter Schirmwand

Nicht bzw. nur kapazitiv

angeschlossener Schirm

(47)

Schirm ist Teil des Betriebsstromkreises

→ Schirm nur einseitig auflegen (sonst Erdschleifen!)

Schirm mit reiner Schirmfunktion

→ Schirm beidseitig auflegen

Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit

Ein- oder beidseitiges Auflegen des Schirms

(48)

Ein- oder beidseitiges Auflegen des Schirms (2)

• Einseitiges Auflegen unterdrückt elektrische Felder

• Für Abschirmung gegen magnetische Wechselfelder ist beidseitiges Auflegen notwendig! Hierbei jedoch Gefahr der Bildung von Erdschleifen!

Wenn der Rückstrom über den Schirm fließt …

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

Schirm

(49)

Funktionsweise einer Kurzschlussmasche

Quelle: Rodewald, EMV

Kurzschlussmasche/

Reduktionsleiter

• Abschirmung einer „empfindlichen Schaltungsmasche“ durch

benachbarte niederohmige

„Kurzschlussmasche“

(Reduktionsleiter)

• In Kurzschlussmasche wird durch

Φ

M

(i

1

) (bzw. Φ

Ext

( ω )) ein Strom i

2

(bzw.

I

R

( ω )) induziert, dessen Fluss Φ

L

(i

2

) dem störenden Fluss Φ

M

(i

1

) (bzw.

Φ

Ext

( ω )) entgegenwirkt und ihn reduziert

• Dadurch wird der induktive Einfluss von i

1

auf die zu schützende Masche reduziert oder sogar kompensiert

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

Kurzschlussmasche/

Reduktionsleiter

Geschützte Masche

(50)

Der Kabelschirm als Kurzschlussmasche

~ ~

Effektive Induktionsfläche

Verringerung der effektiven Induktionsfläche

i

1

i

1

Kurzschlussmasche/

Reduktionsleiter

• Ein beidseitig aufgelegter Kabelschirm kann als Kurzschlussmasche

aufgefasst werden

• Wirkungsweise auch über Reduzierung der umspannten Leiterschleife (effektive

Induktionsfläche) erklärbar

Quelle: Rodewald, EMV

(51)

Weitere Konzepte zur Verbesserung der EMV

• III.1: Kondensatoren, Spulen, Filter

III.2: Schirmung

• Gleichtaktdrossel

• Trenntransformator

• Optokoppler

• Symmetrische Übertragung

III.3 Spezielle Hinweise zum Leiterplattenlayout

• Systemische Verbesserungen

Minimierung von

Gleichtaktstörungen

(52)

Gleichtaktdrossel

• Mit stromkompensierten Drosseln lassen sich Gleichtaktstörströme unterdrücken.

• Der durch den Nutzstrom erzeugte magnetische Fluss kompensiert sich im Ringkern, so dass der

Nutzstrom nicht zur Sättigung des Materials beiträgt.

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

U

~Stör Gl0

(53)

Trenntransformator

• Auch mit Trenntransformatoren lassen sich Gleichtaktstörströme unterdrücken.

• Für Gleichtaktsignal stellt Trafo einen Leerlauf dar (a).

• Primär- und Sekundärseite sind galvanisch getrennt.

• Bei höheren Frequenzen existieren parasitäre Kapazi- täten zwischen Primär- und Sekundärwindungen (b).

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

(54)

Optokoppler

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

• Auch mit Optokopplern lassen sich Gleichtaktstörströme unterdrücken.

• Nur das Gegentaktnutzsignal erzeugt optisches Signal;

Gleichtaktsignal sieht Leerlauf (a).

• Bei räumlicher Nähe vermindern parasitäre Kapazitäten die Dämpfung bei hohen Frequenzen (b); deswegen

Abstandserhöhung und Anbindung LWL.

(55)

Symmetrische Übertragung

• a) unsymmetrische, b) symmetrische

Signalübertragung

• Symmetrische Leitung:

Gleichtaktstörungen führen nicht zu einer Störspannung an R A , da sich beide

Teilspannungen aufheben.

• Symmetrische Leitung kann auch verdrillt sein, um Einfluss von externen magnetischen und elektrischen Feldern zu minimieren.

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

Einkoppelschleife

(56)

Verdrillte Leitung

• Magnetisches Feld:

Fortlaufender Wechsel der Flächennormalen dA;

induzierte Spannungen heben sich auf.

i

A

U d B dA

= − dt ∫∫  

• Elektrisches Feld:

Potenzielle Störungen koppeln auf beide Leiter in gleicher Weise ein; keine Wirkung an Last.

Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV

(57)

III.3 Hinweise zum Leiterplattenlayout

(58)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(59)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(60)

Leiterplatten: Multilayeraufbau

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

Folgende Faktoren sind wichtig in Bezug auf den Lagenaufbau einer Multilayer-PCB:

• Anzahl der Lagen

• Abstand zwischen den Lagen

• Reihenfolge der Lagen

• Art der Lagen: Power (U b ) / Ground (0 V) / Signal (Low/High Speed)

(61)

Multilayer: Designziele

Folgende Designziele sollten beim Lagenaufbau beachtet werden:

1. 0 V- und U b -Lage direkt benachbart und mit minimalem Abstand anordnen (Powerintegrität (stabile Spannungsversorgung),

Entkopplung durch Ausbildung eines Flächenkondensators)

2. Signal-Lage immer benachbart und in geringem Abstand zu einer 0 V-Lage anordnen (schlechter, wenn U

b

oder Signal benachbart) (Signalintegrität, kontrollierter Rückstromweg für alle Signalwege)

3. Schirmung der Signal-Lage gegen U b durch 0 V-Lage (Intra-EMV)

4. (High-Speed-)Signale mit 0 V-Lagen nach außen abschirmen,

Metallisierung der Leiterplattenkanten und Kontaktierung mit Ground (Inter-EMV, d.h. Emission der gesamten Leiterplatte)

5. Mehrere 0 V-Lagen verwenden

Quelle: nach A. Schweitzer, EMV gerechtes Leiterplattendesign ist keine Magie; Schwab/Kürner, EMV

(62)

Beispiel: 4-Lagen-Leiterplatte

Bewertung der Lageanordnung bei 4-Lagen-Leiterplatte

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

Quelle: A. Schweitzer, EMV gerechtes Leiterplattendesign ist keine Magie

Typ 1

Typ 1

Großer Abstand zwischen 0 V und Ubnicht optimal

(63)

Beispiel: 6-Lagen-Leiterplatte

Quelle: A. Schweitzer, EMV gerechtes Leiterplattendesign ist keine Magie

Benachbarte Signallagen durch

orthogonale Leitungsführung entkoppeln (horizontales / vertikales Routing)!

Gut:

• Obere Signallagen benachbart zu Ground, High-Speed-Signale nach oben durch Ground abgeschirmt

Schlecht:

• Power und Ground nicht benachbart, Low-Speed-Signale nicht abgeschirmt

(64)

Beispiel: 8-Lagen-Leiterplatte

Gut:

• High-Speed Signale benachbart zu Ground, High-Speed-Signale nach außen durch Ground abgeschirmt, Power und Ground benachbart (nur links)

Schlecht:

• Low-Speed-Signale nicht abgeschirmt (nur links), Power und Ground nicht

benachbart (rechts)

Quelle: A. Schweitzer, EMV gerechtes Leiterplattendesign ist keine Magie

(H/V = horizontales / vertikales Routing)

oder alternativ

(65)

… und für 10 Lagen …

Quelle: Vincenz, Taube, Wiemers: Leiterplatten- und Baugruppentechnik

(66)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(67)

Schaltungsmasse

• Masseleitungen homogen und

niederimpedant ausführen (z.B. als Massefläche bei einer Multilayer- Platine); alternativ Massegitter mit Maschenbreite < λ /20

• Fläche unter Oszillatoren und

Prozessoren als Schirm ausführen (keine Leitungsführung)

• Oszillatoren ggf. separat abschirmen

• Trennung der analogen und digitalen Masse (separate Layer); sternförmige Zusammenführung

• Räumliche Trennung von analogen und digitalen Schaltkreisen

digitale Komponenten analoge Komponenten

Spa nnu ngs ver so rgu ng

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

(68)

Reihenmasse und Sternmasse

Quelle: ibfriedrich.com

Reihenmasse:

Verkopplung aller Schaltungsteile durch Koppelimpedanzen Z

K

(Masseleitung)

Sternmasse:

Keine Verkopplung der

Schaltungsteile durch

Zusammenführung im

Sternpunkt

(69)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(70)

Stützkondensator

• Der bei schnellen Schaltvorgängen von ICs benötigter Strom erzeugt eine Taktung auf allen anderen Schaltungsteilen (z.B.

durch galvanische Kopplung der Versorgungsspannung U b )

• Stützkondensatoren direkt am IC dienen als „örtliches Ladungsreservoir“ und stützt die Versorgungsspannung

• Platzierung der Kondensatoren möglichst niederinduktiv

günstig ungünstig

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

(71)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(72)

Minimierung von Stromschleifen

• Leiterschleifen so klein wie möglich ausführen

• Signalleiter dich am Bezugsleiter anordnen (Multilayer)

Unterseite auf

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

Zur Reduzierung von Leiterschleifen bei Bandleitungen nicht nur ein Bezugsleiter (a), sondern wie (b) mehrere Rückleiter oder (c) eine flächige Masseleitung verwenden.

a) b) c)

× 

(73)

Minimierung von Stromschleifen (2)

günstig ungünstig

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

• Außerdem wichtig: Niederinduktive Ausführung von

Stromversorgungsleitungen (möglichst kurz und breit)!

(74)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(75)

Reduzierung des Übersprechens

• Parallele Leiterführung möglichst vermeiden oder kurz halten

• Bei unvermeidbarer Parallelführung kann Schirmleiterbahn

eingefügt werden (vgl. Kurzschlussmasche, außerdem Wirkung als elektrischer Schirm zur Reduzierung kapazitiver Kopplungen)

• Beschränkung von Flankensteilheit und Taktfrequenz auf das erforderliche Maß

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

(76)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(77)

Quelle: elektroniknet.de

Filter für Gegentaktstörungen

Bypass-/Entkopplungskondensator

(78)

Grundregeln zum EMV-gerechten Layout

1. Verwende mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) mit einer optimierten Lagenanordnung 2. Optimiere das Masselayout (niederimpedant als Massefläche, kurze Verbindungen,

Sternform)

3. Trenne Analog- und Digitalteil, Low- und High-Speed-Schaltkreise und -Leitungen 4. Führe Leiterbahnen mit Clock/High-Speed-Signalen so kurz wie möglich aus und

verlege sie nahe Masse (Kondensatorwirkung) und weit weg von der

Stromversorgung. Keine Leiterbahnen unter Oszillatoren! Clock- und High-Speed- Leiterbahnen sollten mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden.

5. Verwende Stützkondensatoren am Eingang von ICs

6. Biete dem Strom einen definierten und bzgl. des Hinleiters eng benachbarten Rückweg an / Minimiere Stromschleifen

7. Vermeide parallele Leiterführung (Übersprechen)

8. Filtere störbehaftete Leitungen, z.B. mit Bypass-Kondensator zwischen Stromversorgung und Masse

9. Verwende nicht die höchstmögliche, sondern die maximal nötige Taktfrequenz

(79)

Nicht die höchst mögliche Taktfrequenz EMV-Störungen steigen mit der Frequenz!

Doppelte Wirbelverkopplung

Grundlage für Ausbreitung em Wellen und für Abstrahlung von Antennen;

erfordert hohe Frequenzen!

H 

J 

∂ H 

t

∂ E 

t E 

Faraday‘sches Induktionsgesetz t

E B

rot

− ∂

=

 

Ampère‘sches Durchflutungsgesetz t

J D H

rot

+ ∂

=

 

(80)

Modulation: Störunanfällige (robuste) Modulationsverfahren verwenden

Korrelation: Korrelationsverfahren zur Separierung stochastischer Störsignale von periodischen Nutzsignalen

Digitalisierung: Digitalschaltungen weisen höheren Störabstand auf als Analogschaltungen

Kodierung: Fehlererkennende und fehlerkorrigierende Kodes (FEC)

Übertragungsprotokoll: Fehlerhaft übertragene Datenblöcke werden noch einmal übertragen (kostet Datenrate)

Quelle: nach Franz, EMV

Systemische Entstörmaßnahmen

(81)

Überspannungen entstehen durch:

Blitzeinschlag,

Surge Schalthandlungen,

Burst Defekte im

Versorgungsnetz ESD

III.4 Überspannungsschutz

(82)

Überspannungsableiter (Gasableiter)

Quelle: leutron.de

Überspannungsableiter (Gasableiter, Funkenstrecken) leiten Überspannungen vom zu schützenden Leiter durch einen Kurzschluss (Lichtbogen) direkt auf den Rückleiter (Masse) ab

Überspannungsableiter

Funkenstrecke

Gasableiter

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

(83)

Überspannungsableiter: Ansprechverhalten

Quelle: Epcos

Das Ansprechverhalten ist von der Steilheit des

Spannungsimpulses abhängig!

(84)

Überspannungsableiter: Vor- und Nachteile

Typische Stoßkennlinie Resultierender Spannungsverlauf

• gering Beeinflussung des Nutz- signals, Kapazität liegt bei 6 -10 pF

• sehr robust, deshalb ideal als Grobschutz („harter Ableiter“)

• Hohe Stromtragfähigkeit

• niedrige Kosten

• relativ lange Ansprechzeit, 0,05 - 5 µ s

• Zündspannung abhängig von

Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, deswegen schlechte Reproduzierbarkeit

• Nachleiteffekte (Leitfähigkeit verbleibt bis zu Rekombination der Ionen)

Vorteile Nachteile

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

Ansprechzeit

m

Zün ds pan nu ng

(85)

Varistor: Grundprinzip und Aufbau

Varistoren (Variable Resistor) bestehen aus einem gesinterten Keramikmaterial, dessen Widerstand mit der Höhe der anliegenden Spannung nichtlinear

abnimmt.

Quelle: nach Schwab/Kürner, EMV

Quelle: electroschematics.com Quelle: brieselang.net

(86)

Varistor: Vor- und Nachteile

Typische Kennlinie Resultierender Spannungsverlauf

Quelle: Schwab/Kürner, EMV

Quelle: Durcansky, EMV-gerechtes Gerätedesign

• kein Spannungskurzschluss, sondern hält auch bei großen Stromstärken Spannung

• Geringe Ansprechzeit <20 ns (reine

Varistorkeramik <1 ns, Rest Zuleitungs-L)

• robust, Grobschutz

• Große Auswahl an Bauformen

• Hohe Eigenkapazität (0,1 – 50 nF)

• Hoher Leckstrom bis 0,1 mA

• Mittleres Absorptionsvermögen

• Alterung

Vorteile Nachteile

(87)

Suppressordioden

a) b)

unipolare Suppressordiode in Reihenschaltung (links)

und bipolare Suppressordiode in Brückenschaltung (rechts)

Quelle: wikipedia.org

Suppressordioden sind gewöhnlich unipolare Bauelemente, die gegenüber normalen Z-Dioden einen hohen Sperrstrom tolerieren (keine Zerstörung der Sperrschicht). Durch gegensinnige

Reihenschaltung erhält man eine symmetrische Kennlinie.

(88)

Suppressordioden: Vor- und Nachteile

• sehr kurze Ansprechzeit, ca. 0,01 ns

• idealer Feinschutz, in Reihen-

schaltung mit kapazitätsarmer Diode

• hohe Eigenkapazität, bis 15 nF (deswegen Reihenschaltung mit kapazitätsarmer Diode)

• geringe Energieabsorption,

deswegen primär als Feinschutz

Vorteile Nachteile

Quelle: brieselang.net

U

R

: äußerster Punkt der Sperrspannung U

B

: Durchbruchspannung

U

C

: Begrenzungsspannung

(89)

Staffelschutz (Kombination Grob- und Feinschutz)

Quelle: EPCOS

Referenzen

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