EMV: Warum UTP im Auto und in der Industrie nicht funktioniert

| Autor / Redakteur: Dr. Helmut Katzier * / Kristin Rinortner

Signalübertragung: Ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP) führen zu vagabundierenden Strömen und Antennenstrukturen und beeinträchtigen so die Störsicherheit (EMV) in Auto und Industrie.
Signalübertragung: Ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP) führen zu vagabundierenden Strömen und Antennenstrukturen und beeinträchtigen so die Störsicherheit (EMV) in Auto und Industrie. (Bild: ©SianStock - stock.adobe.com)

Twisted-Pair-Kabel werden häufig zur Übertragung digitaler differenzieller Signale verwendet. Ungeschirmte Kabel (UTP) führen zu vagabundierenden Strömen und Antennenstrukturen. Wir zeigen, warum das so ist.

Bei der Entwicklung elektronischer Systeme müssen zwei Aufgaben bewältigt werden: Entwickler und Systeminte­gratoren müssen die erforderliche Signalintegrität und ein EMV-gerechtes Design des elektronischen Systems sicher stellen. Was bedeutet das? Einerseits muss der Empfänger die Signale richtig erkennen können und andererseits dürfen sich die Schaltkreise nicht gegenseitig stören (innere EMV), sie dürfen keine störenden Signale aussenden und durch Strahlungsfelder von außen nicht gestört werden (äußere EMV).

Die praktische Erfahrung zeigt, dass es bei der Entwicklung einfacher ist, eine zuverlässige Signalintegrität zu bewerkstelligen als den notwendigen Störschutz (EMV) zu garantieren.

Twisted-Pair-Kabel und differenzielle Signale

Twisted-Pair-Kabel werden in sehr vielen Anwendungen zur Übertragung digitaler differenzieller Signale verwendet. Sie stellen besonders bei mittleren Frequenzen und geringen bis hohen Datenraten eine kostengünstige Alternative zu Koaxialkabeln, Twin­axialkabeln und Glasfasern dar.

Twisted-Pair-Kabel bestehen aus zwei definiert gegeneinander verseilten Adern. Sie zeichnen sich durch positive Übertragungseigenschaften wie einen konstanten und präzisen Abstand zwischen den beiden Adern, sehr präzise geometrische Gleichlänge der beiden Adern, verringertes Nebensprechen zwischen Paaren mit gleichem Drall und zusätzlich noch einmal zwischen Paaren mit unterschiedlichem Drall sowie eine Schirmwirkung gegenüber magnetischen Federn auch bei sehr niedrigen Frequenzen aus. Resultat sind konstante Wellenwiderstände und konstante elektromagnetische Koppelfaktoren entlang der Leitung. Eine Schirmung gegenüber elektrischen Feldern findet nicht statt!

Differenzielle Signale mit Twisted-Pair-Kabeln übertragen

Bei der differenziellen Signalübertragung werden zwei Spannungspegel mit gleicher Amplitude aber entgegengesetzter Polarität übertragen. Darüber hinaus werden die beiden Spannungspegel gleichphasig gesendet, übertragen und kommen gleichphasig am Empfänger an. Im Idealfall (entgegengesetzt gleiche Spannungspegel und gleichphasige Laufzeit) kann der Empfänger ein Signal erkennen, obwohl kein Massestrom fließt.

Diese theoretische Überlegung hat dazu geführt, dass in den Anfangsjahren der Rechennetzwerke ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (Unshielded Twisted-Pair – UTP) verlegt wurden. Weil die Kabel nicht geschirmt wurden, konnten Kosten eingespart werden.

Zum Verständnis der physikalischen Vorgänge bei der differenziellen Übertragung ist es sinnvoll, den Stromfluss in den Leitern und zwischen den Leitern zu untersuchen. Dazu wird der Stromfluss zwischen zwei metallischen Drähten ohne Verseilung betrachtet (Bild 1). Zunächst erkennt man Ströme in den metallischen Leitern, die Leitungsströme. Diese Leitungsströme werden oft als Hin- und Rückströme bezeichnet, die vom Sender zum Empfänger bzw. vom Empfänger zum Sender fließen. Tatsächlich ist dies nur bei Gleichströmen der Fall.

Bild 1: 
Ströme bei der idealen differenziellen Signalübertragung.
Bild 1: 
Ströme bei der idealen differenziellen Signalübertragung. (Bild: Katzier)

Bei Wechselströmen gibt es noch einen weiteren Stromfluss zwischen den Leitern im Isolationsmedium, den Verschiebungsstrom, der erstmalig von James Clerk Maxwell postuliert wurde. Dabei fließen Ströme im Isolationsmedium, obwohl keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Die Verschiebungsströme bilden zusammen mit den Leitungsströmen „Stromwirbel“. Diese Stromwirbel breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit entlang der beiden Leiter aus. Die Länge von zwei Stromwirbeln entspricht genau der Wellenlänge λ des Signals.

Die Stromrichtungen der hintereinander her laufenden Stromwirbel sind jeweils entgegengesetzt zueinander ausgerichtet. Betrachtet man einen festen Punkt auf einem Leiter, fließt abhängig von der Ausbreitung der Stromwirbel an diesem Punkt der Strom abwechselnd in unterschiedlichen Richtungen. Daher gibt es bei Wechselströmen keine Hin- und Rückströme. Der Energiefluss erfolgt ausschließlich im Isolator und nicht in den Leitern. Dies ist eine wesentliche Ursache für das Auftreten von Störungen (EMV-Problemen).

Bild 2: Störströme bei der realen differenziellen Signalübertragung.
Bild 2: Störströme bei der realen differenziellen Signalübertragung. (Bild: Katzier)

In der Praxis sind jedoch bereits die Quellensignale nicht entgegengesetzt gleich groß und nicht in Phase (Bild 2). Die Übertragungskomponenten, Leiterplatten, Steckverbinder und Kabel, führen durch ihre unvermeidbare Unsymmetrie und die unterschiedlichen elektrischen Längen der beiden Leiter zu weiteren Störungen der Amplituden und zur Vergrößerung der Laufzeitunterschiede.

Durch diese unvermeidbaren Störungen der digitalen Signale kommt es am Empfänger zu störenden Strömen. Die Störwirkung dieser Ströme ist abhängig von den Pegelübergangszeiten, der Amplituden- und Laufzeitdifferenz. Bereits die Sender senden keine idealen differenziellen Signale. Von Zwillich wurde in [1] gezeigt, dass bereits die „langsamen“ Can-Bus-Treiber durch ihre nicht idealen Sendesignale signifikante Störungen verursachen können.

Diese Störungen können in zwei Kategorien unterteilt werden:

  • Durch die unvermeidbaren Pegelunterschiede ergeben sich auf der Übertragungs-strecke Störströme mit gleichem Pegel auf beiden Leitungen. Diese Störungen werden als Common-Mode-Ströme bezeichnet.
  • Durch den Laufzeitunterschied der Signalpegel ergeben sich am Empfänger hochfrequente Störströme. Die Frequenzen sind abhängig von der Pegelübergangszeit der Signale. Da mit den schnelleren Datenraten die Pegelübergangszeiten immer kleiner werden, werden die Hochfrequenzanteile dieser Ströme ebenfalls immer höher.

Bild 3: 
Verlauf der Störströme bei der realen differenziellen Signalübertragung.
Bild 3: 
Verlauf der Störströme bei der realen differenziellen Signalübertragung. (Bild: Katzier)

Beide Störströme können sich nur als Stromwirbel ausbreiten (Bild 3). Die Stromwirbel können sich jedoch nicht zwischen den Leitern ausbilden, da in beiden Leitern die Leitungsströme jeweils in die gleiche Richtung fließen. Befindet sich in der Nähe der beiden Leiter eine metallische Schirmung, so bilden sich die Stromwirbel zwischen den Leitern und der Schirmung aus. Über die Schirmung können sich die Stromwirbel schließen und sie verursachen keine EMV-Störungen.

Eine Schirmung dient daher nicht nur zur Unterdrückung der störenden Ein- und Ausstrahlung sondern auch zur Führung der in der Praxis unvermeidbaren Störströme. Die Störwirkung der Störströme auf die Signalintegrität und die EMV-Eigenschaften ist sehr unterschiedlich. Während die Em­pfänger auch Signale mit sehr großen Störströmen einwandfrei erkennen können, bewirken bereits kleinste Störströme signifikante EMV-Probleme.

Bild 4: 
Die Störströme „suchen“ sich einen Weg zur Quelle.
Bild 4: 
Die Störströme „suchen“ sich einen Weg zur Quelle. (Bild: Katzier)

Wird den Störströmen kein eigener Leiter zur Verfügung gestellt, können prinzipiell zwei Arten von Störungen auftreten, die die EMV beeinträchtigen:

  • Störströme suchen sich einen Weg zurück zum Sender. Dieser Weg ist jedoch nicht definiert. Es ergeben sich vagabundierende Ströme, die in den Schaltkreisen, die zufällig auf dem Weg liegen, EMV-Probleme verursachen können (Bild 4).
  • Finden Störströme keinen geeigneten Rückweg, strahlen sie elektromagnetische Felder in die Umgebung ab und stören dadurch ebenfalls andere Schaltkreise.

Die Annahme, man müsse den Sender und Empfänger nur auf Masse legen, dann fließen die Störströme gegen Masse ab, ist jedoch falsch! Da der Strom unbedingt zur Quelle zurück möchte, sucht er sich über die Masseanbindung einen Weg zurück zur Quelle. Dieser Rückweg ist jedoch nicht klar definiert, so dass zwangsläufig andere Schaltungsteile gestört werden.

Darüber hinaus ist zu beachten, dass es in der Praxis keine Masse gibt. Jede Masseverbindung besitzt unvermeidbare Induktivitäten und Widerstände. Aufgrund dieser störenden Eigenschaften der Masseverbindungen kommt es zwischen Sender und Empfänger zu Potenzialunterschieden, die ebenfalls zu EMV-Problemen führen.

Bogatin [2] schreibt zu dem Begriff Masse (Ground) folgendes: „Forget the word ground. More problems are created than solved by using this term. Every signal has a return path. Think return path and you will train your intuition to look for and treat the return path as carefully as you treat the signal path.“

Bei der Analyse der zurückfließenden Störströme ist jedoch noch ein anderer Aspekt zu beachten: eine Grundregel des EMV-gerechten Designs besagt, dass die Leiter eines Stromkreises immer möglichst dicht beieinander liegen müssen [3].

Bild 5: 
Antenne zwischen einem Twisted-Pair-Kabel und der „Masse“.
Bild 5: 
Antenne zwischen einem Twisted-Pair-Kabel und der „Masse“. (Bild: Katzier)

Dies gilt auch für den Stromkreis der Störströme. Die Fläche zwischen den stromführenden Leitern muss möglichst klein sein (Bild 5). Die Leiterschleife zwischen einem ungeschirmten Twisted-Pair-Kabel und einer nicht definierten „Masse“ bildet eine Magnetfeldantenne. Die Strahlung dieser Antenne ist direkt proportional zur aufgespannten Fläche zwischen dem ungeschirmten Twisted-Pair-Kabel und der Masse. Da die Störströme bei fehlender Schirmung keinen definierten Weg besitzen, ist die Antennenstrahlung abhängig von dem jeweiligen Masse-Weg der Störströme.

Wie Sie elektrische und magnetische Felder schirmen

Bei der elektromagnetischen Schirmung müssen sowohl die magnetischen als auch die elektrischen Felder geschirmt werden. Beide Feldarten treten zwar immer gemeinsam auf, ihre Schirmung basiert aber auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien, die nachfolgend erörtert werden.

Bei Schirmungen aus elektrisch gut leitenden Materialien werden die Magnetfelder aufgrund der Wirbelströme (Skin-Effekt) und die elektrischen Felder aufgrund der Potenzialtrennung geschirmt.

Da der Skin-Effekt bei allen metallischen Leitern eine untere Grenzfrequenz besitzt, werden niederfrequente Magnetfelder durch metallische Materialien nicht abgeschirmt. Aufgrund der Potenzialtrennung durch die elektrischen Felder können diese auch bis zur Frequenz Null mit einfachen dünnen elektrisch leitenden Folien abgeschirmt werden.

Bild 6: 
Schirmung der Ma­gnetfelder bei Twisted-Pair-Kabeln.
Bild 6: 
Schirmung der Ma­gnetfelder bei Twisted-Pair-Kabeln. (Bild: Katzier)

Bei Twisted-Pair-Kabeln beruht die Schirmung der Magnetfelder jedoch auf einem anderen Prinzip als bei metallischen Schirmen. Störende Magnetfelder induzieren in den Leiterschleifen Ströme mit entgegengesetztem Vorzeichen, die sich gegenseitig über zwei Schleifen aufheben (Bild 6). Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die Twist-Länge deutlich kleiner ist als die Wellenlänge des störenden Magnetfeldes.

Hinsichtlich der Abschirmung gegen Mag­netfelder ist die Schirmung durch Twisted-Pair-Kabel den Schirmungen durch metallische Leiter deutlich überlegen. Sie schirmen auch die Magnetfelder bis zur Frequenz Null. Dies ist insbesondere bei Industrie- und Automotive-Anwendungen von großer Bedeutung, da dort häufig Störungen durch niederfrequente Magnetfelder auftreten.

Ungeschirmte Twisted-Pair-Kabeln schirmen jedoch keine elektrischen Felder! Kostengünstige geschirmte Twisted-Pair-Kabel mit dünnen Metallfolien schirmen die elektrischen Felder und geben den unvermeidbaren Rück- und Störströmen einen Weg zurück zur Quelle.

Störungen durch zulässige elektromagnetische Felder

Die Anzahl der zulässigen Frequenzen in unserer Umgebungen steigt kontinuierlich. Dabei werden Frequenzbereiche von wenigen Hertz bis zu mehreren Hundert GHz genutzt. Es gibt gleiche Frequenzbänder für unterschiedliche Anwendungen, zum Beispiel die ISM-Bänder (Industrial, Scientific and Medical Band). In diesen Frequenzbereichen werden Hochfrequenz-Geräte in Industrie, Wissenschaft, Medizin, in häuslichen und ähnlichen Bereichen lizenzfrei und meist genehmigungsfrei genutzt. Diesen Einstrahlungen der erlaubten elektromagnetischen Strahlungen müssen die elektronischen Systeme standhalten!

Viele Anwendungen im Industrie- und Automobilbereich sind elektromagnetisch sehr durch die Umgebung belastet. Eine Vielzahl von zulässigen elektromagnetischen Strahlungen wirken in einem engen Raum auf die elektronischen Schaltungen und ihre Verbindungen. Hinzu kommen bei vielen Anwendungen noch niederfrequente Magnetfelder durch die elektronischen Schaltungseinheiten. Diese niederfrequenten Magnetfelder sind besonders störend. Ein Automobil ist auch aufgrund seines geschlossenen metallischen Aufbaus ein Hohlraumresonator, der störende niederfrequente Resonanzen erzeugen kann [1].

Bild 7: 
Beispiele für Störquellen im Automobil.
Bild 7: 
Beispiele für Störquellen im Automobil. (Bild: Katzier)

Viele elektronische Systeme werden durch die Verbindung einzelner Systemeinheiten realisiert, zum Beispiel im Automobil. Es gibt dort eine Arbeitsteilung zwischen den Herstellern der Systemeinheiten und dem Systemintegrator. Ein EMV-gerechtes Design einer Systemkomponente ist eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für ein EMV-gerechtes Gesamtsystem. EMV-Probleme ergeben sich häufig erst durch die Wechselwirkung von verschiedenen System­einheiten, die selbst EMV-gerecht sein können.

Bauteile- und Komponentenhersteller konzentrieren sich bei ihrem Design auf die Gewährleistung der Signalintegrität. System­integratoren müssen jedoch das elektronische System für die EMV-Konformität ganzheitlich betrachten. Die scheinbare Kosteneinsparung bei Nutzung ungeschirmter Twisted-Pair-Kabel kann durch längere Entwicklungszeiten und aufwändige EMV-Maßnahmen zu höheren Kosten des gesamten elektronischen Systems führen.

Literatur

[1] Zwillich, V.: Elektromagnetische Verträglichkeit und Signalintegrität hochbitratiger Datenbussysteme im Kfz; Cuvillier Verlag, 2009.
[2] Bogatin, E.: Signalintegrity – Simplified, Prentice Hall; 2004
[3] Franz, J.: EMV – Störsicherer Aufbau elektronischer Schaltungen, Springer Verlag, 2012

* Dr. Helmut Katzier ist Inhaber des Ingenieurbüros für Aufbau und Verbindungstechnik in München.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
Prima Artikel auf fachlich hohem Nievau. Danke!  lesen
posted am 13.02.2020 um 23:20 von Unregistriert


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 46292586 / Verbindungstechnik)