Was der EMV-Parameter von Steckverbindern bringt

| Autor / Redakteur: Carsten Stange * / Kristin Rinortner

Die EMV der Steckverbinder: Derzeit gibt es keinen Parameter für Steckverbinder, der das EMV-Verhalten hinreichend charakterisiert.
Die EMV der Steckverbinder: Derzeit gibt es keinen Parameter für Steckverbinder, der das EMV-Verhalten hinreichend charakterisiert. (Bild: Langer EMV-Technik)

Durch Messen der Koppelinduktivität können die Auswirkungen der Steckverbinder auf die angeschlossenen Signale im System vorab bestimmt werden. Im Beitrag lesen Sie, wie das funktioniert.

In den letzten Jahren wurden elektrische Geräte immer kleiner und kostengünstiger. Ein Grund dafür sind die neuen Anforderungen, die unter anderem mit den Modenamen „Industrie 4.0“ oder „Internet of Things“ entstanden sind. Diese Anforderungen setzen im Gerätebau ein hohes Maß an Integration voraus. Allerdings kann dieses Maß an Integration nicht komplett mit neuen Ausbaustufen von Integrierten Schaltkreisen erreicht werden.

Mit einem modularen Aufbau der Geräte können diese aus Herstellersicht schneller und damit günstiger entwickelt bzw. weiterentwickelt werden. Weiterhin werden unterschiedliche Module der Geräte in verschiedenen Entwicklungsstandorten erzeugt.

An den Modulgrenzen kommen Steckverbinder zum Einsatz, um die Module zu einem Gesamtsystem zusammenzufügen. So entstehen Geräte, in denen sich viele Modulübergänge befinden. Die Interfaces der Module sind unterschiedlich parametrisiert bzw. ausgelegt, um ihre elektrischen Funktion zu sichern.

Bei der Auswahl der Steckverbinder fließen allerdings nur wenige Gedanken über die EMV-Charakteristik des Moduls beziehungsweise des gesamten Systems. Die Steckverbinder werden momentan nur anhand einiger elektrischer und mechanischer Eigenschaften ausgewählt. Diese sollen beispielsweise sicherstellen, dass LVDS-Signale ohne Problem übertragen oder hohe Ströme abgeleitet werden können.

Nach der Entwicklung müssen letztendlich alle Geräte EMV-Tests unterzogen werden, um ihre Einsatzfähigkeit in ihrer Einsatzumgebung zu gewährleisten. Die EMV-Gerätetests finden anhand von Prototypen statt. Somit werden alle Module erst in ihrer Kombination auf ihre EMV-Qualität untersucht. Dies birgt das Risiko, dass eventuelle Probleme erst zu diesem Zeitpunkt erkannt werden. Damit sind diese Probleme unter Umständen nur mit großen zeitlichen und finanziellen Mitteln behebbar.

Der modulare Aufbau der Geräte bietet aus EMV-Sicht die Möglichkeit, alle Unterbaugruppen der Geräte einzeln mit EMV-Tests zu überprüfen. Dazu sollten die EMV-Ziele an den Grenzflächen der Module ausreichend definiert sein. Diese Definitionen gelten dann auch für die Steckverbinder, da diese als Bindeglieder der Elektronikbausteine fungieren.

Das Problem besteht darin, dass es aktuell keinen Parameter für Steckverbinder gibt, der ihr EMV-Verhalten hinreichend charakterisiert. Zudem sollte dieser Parameter auch für beide Richtungen der EMV also für die Störaussendung und die Störfestigkeit gelten.

Aufgrund des aktuellen Standes der Technik liegen die Baugrößen der Steckverbinder deutlich über den Signalleitungsabständen, die in aktuellen Leiterkarten erreicht werden können. Damit können Signalleitungen in Leiterkarten deutlich besser vor parasitären Effekten geschützt werden als in Steckverbindern. Aus diesem Grund sind oft die Steckverbinder EMV-Schwachstellen in modularen Systemen.

Der EMV-Parameter für Steckverbinder

Aufgrund der multiphysikalischen Zusammenhänge in Steckverbindern und um die Koppelmechanismen in Steckverbindern beschreiben zu können, ist ein Modell eines Steckverbinders nötig. Das Modell besteht aus einer einfachen Anordnung aus zwei durch einen Steckverbinder verbundenen Baugruppen. Alle Elemente werden zudem auf die Basiselemente reduziert.

Bild 2 zeigt das aus dieser Vereinfachung entstandene „abstrakte Steckverbindermodell“. Es stellt eine Verbindung zweier Baugruppen (A und B) über einen vereinfachten Steckverbinder dar. In diesem sind alle Schirm bzw. Groundstifte oder Flächen auf einen Stift reduziert.

Weiterhin wird in diesem Fall nur ein Signalstift betrachtet, der auf der Baugruppe A getrieben wird und in Baugruppe B an einem Schaltkreiseingang angeschlossen ist. Fließt ein Störstrom von Baugruppe B zu Baugruppe A ab, wird dieser über die Schirm bzw. Groundverbindungen des Steckverbinders abgeleitet.

Das dabei entstehende Magnetfeld durchflutet die durch den Aufbau gebildete Schleife zwischen dem Signal und Groundstift. Diese Durchflutung induziert am Signalstift eine Spannung. Die Spannung fällt am hochohmigen Schaltkreiseingang ab und kann zu Störungen der Elektronik führen.

Die Verkopplung im Steckverbinder ist auch für die Störaussendung in gleicher Weise wirksam. Bild 2 illustriert die Verhältnisse bei Störfestigkeit (linke Grafik) und Störaussendung (rechte Grafik). Hierbei führt der Rückstrom eines getakteten Signales zu Potentialverschiebungen der Bezugsysteme von Baugruppe A und B. Dieser Potentialunterschied ist die Triebkraft der Störaussendung des Systems.

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