EMV-Messtechnik

Wie sich die EMV eines Prototypen dimensionieren lässt

| Autor / Redakteur: Gunter Langer * / Hendrik Härter

Bild 1: Wenn eine Flachbaugruppe entwickelt wird, muss dabei die EMV aller beteiligten Teile berücksichtigt werden.
Bild 1: Wenn eine Flachbaugruppe entwickelt wird, muss dabei die EMV aller beteiligten Teile berücksichtigt werden. (Langer EMV)

An kritischen Bauteilen eines Prototypen sollten unbedingt die EMV-Anforderungen ermittelt werden. Bei großen Projekten ist es ratsam, den Hersteller mit ins Boot zu holen.

Die EMV-Ziele bei der Geräte- oder Komponentenentwicklung zu erreichen wird schwieriger, da die Integrationsrate steigt, die Strukturbreiten von ICs kleiner werden und die Verarbeitungsgeschwindigkeiten steigen. Das macht sich vor allem bei der Pulsstörfestigkeit gegenüber ESD-Impulsen bemerkbar. Die Entwicklungsziele in der Störfestigkeit werden nur mit mehr oder weniger hohem Entwicklungsaufwand und Zeitverlust erreicht.

Es gibt Entwicklungen, bei denen die Entstörung über viele Monate läuft und bei denen man glauben könnte, überhaupt nicht mehr zum Ziel zu kommen. Die Modifikationen und Messungen an den Entwicklungsmustern laufen ins Uferlose. Mehrere aufeinanderfolgende Layoutstände der Flachbaugruppen haben nicht zum Erreichen der EMV-Ziele geführt. Die Ursache für die Missstände liegt in der Vorgehensweise.

Für die Entwicklung technischer Systeme haben sich allgemeingültige Strategien herausgebildet. Am Beispiel der Entwicklung einer Flachbaugruppe wie sie in Bild 1 zu sehen ist, wird das veranschaulicht. In der Elektrotechnik werden die Eigenschaften von Schaltungen durch das Dimensionieren von elektrischen Netzwerken aus Leitungen und Schaltelementen erreicht. Die Schaltelemente sind Widerstände R, Induktivitäten L, Kondensatoren C, Dioden oder Transistoren. Die Eigenschaften der Schaltelemente werden durch ihre Werte genau beschrieben. Wenn der Entwickler dieser Herangehensweise folgt, erhält er auf Basis von theoretischen Berechnungen eine praktisch funktionierende Schaltung.

Ergänzendes zum Thema
 
Die EMV kritischer Bauteile ermitteln

In der EMV-Technik sind die Bauteile R, L, C ebenfalls klar definiert. Der Wirkungsweg einer Störgröße führt jedoch nicht wie in der Elektrotechnischen Anwendung über die angelegten Leitungsnetze. Die Störungen, die ebenfalls aus Strom und Spannung bestehen, folgen anderen Wegen. Sie führen über Kabelmäntel, Steckverbinder, die Layoutstruktur der Flachbaugruppe, ICs und Konstruktionsteile.

Für die Störungen gibt es wenige prinzipielle Wege zur Störsenke. Die Störsenke ist meist ein IC. Er hat die höchste Empfindlichkeit und kann Funktionsfehler erzeugen. Diese können durch magnetische oder elektrische Kopplungen hervorgerufen werden. Am Beispiel der Flachbaugruppe aus Bild 2 nimmt die Störung einen anderen Weg, als wir es aus der Schaltungstechnik kennen:

  • Weg 1: Der von außen eindringende Störstrom i1 erzeugt ein Magnetfeld B1, das Magnetfeld induziert eine Spannung in einer äußeren Leitung des ICs. Über diese Leitung und die IC-Pins wird von der induzierten Spannung ein Störstrom i2 in den IC getrieben. In Bild 2 erfolgt diese Induktion im Steckverbinder, sie kann aber auch im Layoutsystem der Baugruppe erfolgen.
  • Weg 2: Der von außen eindringende Störstrom i1 erzeugt das Magnetfeld B1. Das Magnetfeld durchdringt den IC und induziert in seinen Leitungsnetzen Störspannung. Die über die Pins führenden Schleifen sind am größten und damit am wirkungsvollsten. Meist werden die Versorgungsschleifen Vdd und Vss gestört.
  • Weg 3: Durch den Störvorgang bzw. durch den Störstrom i1 entstehen Spannungsdifferenzen auf Konstruktionsteilen, die elektrische Felder bewirken. Diese Felder können auf den IC einwirken und ihn beeinflussen.
  • Weg 4: Die elektrischen Störfelder aus Weg 3 können auch auf eine äußere Leitung des IC auftreffen und über diese Störungen in den IC einleiten (nicht dargestellt).

Aus den Wirkungswegen und Wirkmechanismen ist erkennbar, das die Bauteile: 1. Steckverbinder, 2. Layoutstruktur der Baugruppe und 3. IC entscheidenden Einfluss auf die EMV des gesamten Systems nehmen. EMV-Probleme lassen sich ingenieurtechnisch nur lösen, wenn Bauteile klare, relevante EMV-Parameter zugewiesen bekommen. Bis jetzt ist für Spezifikation von Steckverbindern oder IC nicht einmal eine Beschreibungsgröße definiert, geschweige denn enthalten. Ein EMV-technischer Dimensionierungsprozess beim Entwicklungsbeginn einer elektronischen Schaltung ist deshalb unmöglich.

Eine Elektronikentwicklung wird heutzutage aus Bauteilen aufgebaut, deren relevante EMV-Eigenschaften völlig unbekannt sind. In der Praxis wird dann am Prototypen so lange probiert, bis er einigermaßen EMV-technisch funktioniert. Das Ergebnis ist bei dieser Herangehensweise mehr oder weniger Zufall. Die Katastrophen im Entwicklungsverlauf sind vorprogrammiert.

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