EMV

Wie Steckverbinder EMV-konform dimensioniert werden können

07.03.11 | Redakteur: Hendrik Härter

EMV-Dimensionierung: Steckverbinder gegen Burst und ESD-Störungen schützen (Bild: ANGA Messe)
EMV-Dimensionierung: Steckverbinder gegen Burst und ESD-Störungen schützen (Bild: ANGA Messe)

Welche EMV-Eigenschaften müssen vorliegen, um Störbeeinflussungen wie Burst oder ESD-Störungen bei Steckverbindern zu widerstehen?

Wie müssen Steckverbinder ausgelegt werden, um Störeinkopplungen wie Burst und ESD zu beherrschen? Wie kann die Störfestigkeit von Steckverbindern spezifiziert werden? Welchen Wirkmechanismen folgt die Beeinflussung? Interfacesysteme wie USB, LVDS, Ethernet oder CAN und daraus abgeleitete Echtzeitsysteme und geräteinterne Signalverbindungen wie Daten/Adressbussysteme besitzen eine bestimmte Resistenz gegenüber Störeinflüssen.

Die EMV-Schwachstellen in den Signalketten sind die Steckverbinder

Jedem Steckverbinder läßt sich eine EMV-Kenngröße zuordnen. Diese Kenngröße ist die Koppelinduktivität. Sie ist eine allgemeingültige Konstante, die in ihrem Wert nur von der Metallkonstruktion des Steckverbinders abhängig ist. Für jede Bauform eines Steckverbinders lässt sich diese Konstante ermitteln. Die verschiedenen Datenübertragungssysteme besitzen auf Grund ihrer unterschiedlichen Schaltschwellen, Störschwellen und Sicherungsmaßnahmen entsprechend unterschiedliche Anforderungen an den Wert dieser Konstante.

Wenn sowohl die notwendigen Induktivitätswerte für die Anforderungen und die Induktivitätswerte der infrage kommenden Steckverbinder vorliegen, ist eine zielsichere EMV-Dimensionierung möglich. Basis der Anwendung wird eine entsprechende Datensammlung [1] sein, die über einen entsprechenden Zeitraum aufgebaut und ständig ergänzt werden muss. In der Datensammlung sollten ebenfalls Werte für die typabhängige Störfähigkeit von Störgeneratoren enthalten sein.

Diese Zusammenhänge werden am Beispiel eines LVDS-System erläutert.

Die geltenden Wirkmechanismen aus EMV-Sicht

Die Beeinflussung von Interface-Systeme erfolgt im wesentlichen in den Steckverbindern. Sie erfolgt über klare physikalische Wirkmechanismen, die den Beeinflussungsvorgang beschreiben. Demzufolge kann man aus ihnen die elektromagnetisch verträgliche Konstruktion der Steckverbinder ableiten. Leider sind heutzutage die Konstruktionsprinzipien nicht an diesen Wirkprinzipen ausgerichtet.

Der daraus folgende Stand der Technik sind Steckverbinder mit mangelhaften Eigenschaften in Bezug auf Störfestigkeit und Störaussendung. Für die Störfestigkeit wurde das in Vergangenheit durch entsprechend redundante Elektroniksysteme ausgeglichen. Die Anforderungen an Schnelligkeit und Sicherheit sind gestiegen, so das Steckverbinder mit höherer EMV-Qualität erforderlich sind.

Die Beeinflussung von Signalleitungen im Steckverbinder erfolgt nach dem Induktionsgesetz (1).

Der magnetische Fluß Φ, der zwischen den Masse-(Schirm-)Kontakten und dem Signalstift hindurchtritt, induziert die Spannung uind in dem Signalstift. Der Fluß Φ wird vom Störstrom iStör erzeugt, der vom Kabelmantel kommt und über die Massekontakte des Steckverbinders fließt. Die Induktivität L ist der Parameter für die EMV-Qualität des Steckverbinders. Je dichter das Massekontaktsystem konstruktiv ausgeführt ist, um so geringer ist die Induktivität L und die induzierte Spannung uind in den Signalstiften. Ziel ist es, die Induktivität so klein zu halten, dass die induzierte Spannung unter der Signalstörschwelle liegt. Wenn der Steckverbinder aus einem vollkommen geschlossenem durchgehenden Metallmantel besteht, ist die Induktivität Null. Die Induktivitätswerte von Elektroniksteckverbindern liegen im Bereich von 1 pH bis 10 nH. Der Wert der Induktivität ist fest dem Aufbau der Metallkonstruktion des Steckverbinders verbunden.

Bild 1 und 2: Induktion einer Gleichtaktspannung im symmetrischen Leitungspaar a,b (links) und einer Gegentaktspannung (rechts)
Bild 1 und 2: Induktion einer Gleichtaktspannung im symmetrischen Leitungspaar a,b (links) und einer Gegentaktspannung (rechts)

Symetrische Leitungspaare (Bild 1, 2, a, b) besitzen zwei Möglichkeiten der Spannungsinduktion.

Eine Gleichtaktspannung Bild 1, 3 und Gleichung (2)

wird in beiden Signalstiften a, b gleichermaßen induziert, wenn das Magnetfeld H zwischen ihnen und dem Massekontakt m hindurchtritt.

Bild 3 und 4: 1 GBit LVDS-System, Gleichtakt-Störeinkopplung über einen Steckverbinder mit LCOM = 1 nH. Der Strom eines 2 kV ESD- Impulses induziert die Spannung uCOM = C1, C2 (links) und Gegentakt-Störeinkopplung über einen Steckverbinder mit LDIF = 2 nH. Der Strom eines 0,5 kV ESD- Impulses induziert die Spannung uDIF = M1 = C2-C1.
Bild 3 und 4: 1 GBit LVDS-System, Gleichtakt-Störeinkopplung über einen Steckverbinder mit LCOM = 1 nH. Der Strom eines 2 kV ESD- Impulses induziert die Spannung uCOM = C1, C2 (links) und Gegentakt-Störeinkopplung über einen Steckverbinder mit LDIF = 2 nH. Der Strom eines 0,5 kV ESD- Impulses induziert die Spannung uDIF = M1 = C2-C1.

Eine Gegentaktspannung Bild 2, 4 und Gleichung (3) wird zwischen beiden Signalstiften a, b induziert, wenn das Magnetfeld H zwischen die Stifte a, b hindurchtritt. Die Spannungsinduktion im Steckverbinder wird von der Induktivität LCOM und LDIF hervorgerufen.

Beide Induktivitätswerte sind für jeden Steckverbindertyp eine konstante Größe, die fest mit seinem konstruktiven Aufbau verbunden ist. Der Anteil des Störgenerators folgt aus seinem Stromanstieg di/dt.

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