Bildergalerie
Bild 1: Mit fortgeschrittenem Planungsstadium steigen die Kosten durch Nachbesserungen.
Bild 2: Relative Resistanz der verschiedenen Kernmaterialien von Drosseln über die Frequenz.
Bild 3: Thermische Energie beeinflusst die spontane Magnetisierung, bei der Curie-Temperatur wird das Material unmagnetisch.
Bild 4: Gleichtaktstörungen addieren sich, Gegentaktstörungen heben sich auf.
Bild 5: Der Tiefpass ist die häufigste Filtervariante in der EMV.
Bild 6: Übertragungsverhalten von Tiefpass erster und zweiter Ordnung.
Bild 7: Messung von abgestrahlten Emissionen. Unter anderem bei 200 MHz werden die erlaubten Grenzwerte überschritten.
Bild 8: Ausgehend vom gewünschten Dämpfungswert wird über die Systemimpedanz die Impedanz des Dämpfungsferrits ausgesucht.
Bild 9: Abgestrahlte Emissionen von Bild 6 nach Einsatz von Ferrit-Beads.
Bild 10: Hohe Systemimpedanzen resultieren in niedrigen Dämpfungswerten.
Bild 11: Je nach Quell- und Lastimpedanz empfohlene Filtertopologien.
Bild 12: Breitbandiger Dämpfungsverlauf nach Einsatz eines SMD-Ferrits.
Bild 13: Dämpfungsverlauf eines Filters mit drei parallelen Kondensatoren.
Bild 14: Dämpfungsverlauf eines LC-Filters.
Bild 15: Geleitete Emissionen am Wandlereingang.
Bild 16: Geleitete Emissionen am Wandlerausgang.
Zum zweiten Mal fand in Straubing der von Würth und EMV-Testhaus veranstaltete EMV-Labortag statt.

Zum zweiten Mal fand in Straubing der von Würth und EMV-Testhaus veranstaltete EMV-Labortag statt.Bild R. Klein

Alle kennen den §4 des EMV-Gesetzes. Aber vielen ist die Tatsache, dass die EMV bereits seit 1892 in das Gesetz „Über das Telegraphenwesen“ gegossen wurde, nicht bekannt. Ab 1928 galt dann die Vorschrift zur „Entstörung zum Schutz des Funkverkehrs“. Heute leben wir mit anderen internationalen und europäischen Gesetzen, die mit zunehmender Verbreitung der Elektronik und der Funktechnik immer wichtiger werden.

Entwickler in allen Branchen sehen sich mit der EMV konfrontiert und tun gut dran, diese von Anfang an, also bereits beim Schaltungsdesign zu berücksichtigen. Da sie aber wegen des immer kürzeren Time-to-Market vermehrt unter Druck geraten, wird dieser Ratschlag oft missachtet, was teuer werden kann (Bild 1). Das waren die ersten Aussagen des Gemeinschaftsvortrags von Markus Schubert und Frank Pihane, beide von Würth Elektronik.

Wirksame Bauteile zur Erhöhung der EMV: Induktivitäten und Ferrite

Würth ist ein bedeutender Anbieter von EMV-Komponenten wie Ferriten, Drosseln, Abschirmmaterialien und Induktivitäten. Der Vortrag konzentrierte sich auf Ferrite und Induktivitäten/Drosseln und deren Aufbau. So kommt als Kernmaterial für Entstördrosseln Eisenpulver, Mangan-Zink und Nickelzink zum Einsatz. Die Fe-Variante ist meist isolierend ummantelt, die beiden letzten sind Keramiken unterschiedlicher Permeabilität. Zur Steigerung der EMV kommt wegen der enormen Bandbreite meist die Nickel-Zink-Variante (NiZn) zum Einsatz (Bild 2).

Die Permeabilität wird von verschiedenen Größen beeinflusst. Der größte Einfluss ergibt sich durch die Temperatur (Bild 3). Wenig bekannt ist die Druckempfindlichkeit, die man zum Beispiel beachten muss, wenn die Schaltung samt Drossel vergossen wird und so eine gewisse Druckbelastung entsteht.

Je nach Anwendung von Induktivitäten/Ferriten werden unterschiedliche Anforderungen an die Verluste gestellt. Eingesetzt als Speicherinduktivität wird eine hohe Güte gewünscht, die zu geringsten Kernverlusten bei der Arbeitsfrequenz führt. Als Signalfilter eingesetzt, wird ebenfalls eine sehr hohe Güte gewünscht. Für EMV-Anwendungen als Filter oder Absorber sind hohe Verluste bei der Arbeitsfrequenz gewünscht, die Güte muss deshalb gering sein.

Mit der Filterung will man eine Reduktion der Kopplung von Störungen, eine Reduzierung der Störemission und eine Erhöhung der Störfestigkeit erzielen, ohne Beeinflussung des Nutzsignals. Sie ist aufwändig wenn Nutz- und Störsignal in der Frequenz nahe beieinander liegen.

Störarten und ihre Auswirkung

Für die Filterung müssen die Störarten in Gleichtakt- und Gegentaktstörung unterschieden werden (englisch: Common Mode oder Differential Mode), auch symmetrische oder asymmetrische Störungen genannt (Bild 4). Bei Gleichtaktstörungen lässt sich eine hohe Dämpfung der Störung erzielen, bei Gegentakt gibt es keine Beeinflussung des Nutzsignals.

Ein Common Mode Choke in Form eines Klappfilters ist vergleichbar mit einer bifilar gewickelten Drossel. Beide wirken gegen Gleichtaktstörungen. Setzt man Filter in Form von zwei Längsinduktivitäten, zum Beispiel SMD-Ferrite ein (Gegentaktstörungen), wird das Nutzsignal beeinflusst. Vorteilhaft ist der Einsatz von stromkompensierten Drosseln, da sie das Nutzsignal kaum beeinträchtigen und mit einer Art Saugwirkung verhindern, dass das Störsignal die Schaltung erreicht. Bei stromkompensierten Drosseln wird bei der Wicklung zwischen bifilar und sektionell unterschieden. Bifilar kommt wegen der geringen Gegentakt-Impedanz, der hohen kapazitiven Kopplung und der geringen Streuinduktivität als Datenleitungsdrossel oder in Sensorleitungen zum Einsatz. Die sektionelle Wicklung wird wegen der geringen kapazitiven Kopplung und der hohen Streuinduktivität in Netz- und Eingangsfiltern sowie in getakteten Stromversorgungen eingesetzt.

Wie lassen sich Gleichtakt- und Gegentaktstörungen erkennen? Indem man einen Klappferrit auf das Kabel (zum Beispiel auf Vcc und GND) klappt. Wird der Störpegel reduziert, liegt eine Gleichtaktstörung vor, wenn nicht, handelt es sich um eine Gegentaktstörung. Diese Störungen werden mit Filtern wirksam unterdrückt.

EMV-Filter und ihre Wirkung

Ein wirksamer Filter besteht aus mindesten zwei Komponenten, mit denen man einen frequenzabhängigen Spannungsteiler aufbaut. Eine davon muss deshalb frequenzselektiv sein. So lässt sich im Nutzfrequenzbereich eine Anpassung und im Störbereich eine Fehlanpassung erzielen. In der EMV werden meist Tiefpassfilter als RC- oder LC-Filter eingesetzt (Bild 5), deren Übertragungsverhalten zeigt Bild 6. RC-Filter sind Filter 1.Ordnung mit 20 dB/Dekade, LC-Filter sind Filter 2.Ordnung mit 40 dB/Dekade wie in Bild 6 zu sehen ist. Beim LC-Filter gilt zu beachten, dass es nicht in Resonanz betrieben wird, wobei die Resonanzfrequenz der Grenzfrequenz des Filters entspricht. Beim Einsatz von Filtern ist deren Einfügungsdämpfung zu berücksichtigen. Rein mathematisch ist diese das logarithmische Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsleistung und beschreibt die Abschwächung des Nutzsignals über einen definierten Signalweg, beispielsweise über einen SMD-Ferrit, eine Mikrostreifenleitung, ein Filter und so weiter. In der Realität hat man es mit praktikablen Quellen- und Senkenimpedanzen im Bereich <1 bis >150 Ω zu tun. Die Masseebene ist mit <1 Ω anzunehmen, die Spannungsversorgung mit <10 Ω, die Datentakt-, HF- und Videoleitungen mit 50 bis 90 Ω und lange Datenleitungen liegen zwischen 90 und >150 Ω. Beispielhaft wird im Folgenden die Einfügungsdämpfung in einer Spannungsversorgung betrachtet, und davon ausgegangen, dass eine Dämpfung von > 20 dB bei 200 MHz benötigt wird (Bild 7).

Ausgehend von diesen Werten sucht man die Impedanz des entsprechenden Ferrits (Bild 8) und sieht in einer nachfolgenden Messung das gewünschte Ergebnis (Bild 9). Bild 10 zeigt, dass eine wirksame Filterung nur bis zu einer gewissen Systemimpedanz möglich ist. Welche Filtertopologie zum Einsatz kommt, richtet sich nach der Höhe der Quell- und der Lastimpedanz. Bild 11 zeigt die verschiedenen Filtertopologien. Würth hat für diese und weitere Topologien ein Demoboard entwickelt, mit dem unter Zuhilfenahme von LTSpice die Stufen der Filterung unter Einsatz von SMD-Ferriten der Firma simuliert werden können. So zeigt Bild 12 die Dämpfungskurve eines L-Filters realisiert mit einem SMD-Ferrit WE-CBF und vergleicht die Simulation mit den gemessenen Werten. Zu sehen ist die breitbandige Dämpfungswirkung.

Erweitert man das Filter um weitere frequenzabhängige Bauteile wie zum Beispiel um drei parallele Kondensatoren, ergibt sich ein Dämpfungsverlauf wie in Bild 13 gezeigt. In diesem Falle gibt es drei Resonanzstellen. Noch deutlicher wird die Wirkung eines LC-Filters in Bild 14 dargestellt. Beim Einsatz eines pi-Filters, ergibt sich ein breitbandiger Dämpfungsverlauf. Bei einem T-Filter hingegen ist der Verlauf wie der eines LC-Filters. Wie bereits erwähnt, ist es jedoch erforderlich, die Systemimpedanz zu beachten. Hier gilt als Faustregel, dass in einem niederohmigen System ein pi-Filter einzusetzen ist und in einem hochohmigen ein T-Filter.

Praxisbeispiel: EMV-Filter am DC/DC-Wandler

Der Vortrag wurde beendet mit einem praktischen Beispiel eines DC/DC-Wandlers. Mögliche Störquellen sind in diesem Fall geleitete Emissionen am Eingang und Ausgang (Bilder 15 und 16) sowie abgestrahlte Emissionen im getakteten Schalttransistor. Eingangs- und Ausgangsstrom werden durch Spannungsripple beeinflusst, was zu geleiteten Emissionen führt. Vom Schalter und der zugehörigen Drossel gehen abgestrahlte Emissionen aus, die mit der Länge der Leitungen an Ein- und Ausgang zunehmen.

Bild 15 zeigt die Verhältnisse am Eingang, Bild 16 am Ausgang. Die empfohlene Filterlösung am Eingang ist ein breitbandiges T- Filter mit einer Drossel für die niedrige Schaltfrequenz des DC/DCs, ergänzt mit Ferriten für hohe Frequenzen und einem Kondensator zwischen 220 pF und 1 nF mit niedigem ESR, der AC-Rauschen nach Masse abführt. Für den Ausgang empfiehlt sich der Einsatz eines T-Filters mit seinem breiten Dämpfungsverlauf. Eine Drossel filtert die Schaltfrequenz des DC/DCs, Ferrite dämpfen hohe Frequenzen. Diese Art des Ausgangsfilters wird besonders dann empfohlen, wenn der DC/DC ein Radio versorgt. Es ist zu beachten, dass das T-Filter nicht geeignet ist, Gleichtaktstörungen am Ausgang zu unterdrücken, ebenso kann es keine Gleichtaktstörungen am Eingang unterdrücken.

Die Dienstleistungen von EMV-Testhaus

Gastgeber des EMV-Labortags war die Firma EMV-Testhaus mit Sitz in Straubing. Die Firma bietet ein breites Spektrum an Dienstleistungen an. Diese sind:

  • EMV (mit Messplätzen für Funk, Emissions- und Störfestigkeitsprüfungen in allen relevanten Frequenzbereiche
  • Funk (Akkreditierte Funkmessungen bis 26,5 GHz nach allen gängigen
  • ETSI Standards, für FCC Part 15 und Industry Canada Standard)
  • Produktsicherheit
  • Maschinenrichtlinie
  • Geräuschemission
  • Umweltsimulation
  • Thermografie
  • Ökodesign-Richtlinie
  • Zertifizierung weltweit
  • Service Asien

Die Vortragenden

Markus Schubert, EMC & Inductive Solutions Technischer Vertrieb / Sales bei Würth Elektronik.

Rene Schroll, Key Account Manager EMC & Inductive Solutions Technischer Vertrieb bei Würth Elektronik.

Frank Pihano, FAE EMC & Inductive Solutions Technischer Vertrieb bei Würth Elektronik.

Schlussbemerkung

Der Nachmittag der Veranstaltung wurde mit einem Vortrag von Prof. Dr. Josef Scherer, Wirtschaftsrechtskanzlei Prof. Dr. Scherer, Dr. Rieger & Partner zum Thema Produkthaftungsrecht begonnen. Gefolgt von Ausführungen über „Die Maschinenrichtlinie – Anforderung, Umsetzung, Praxisbeispiele“ von Dipl. Ing. Max Rembeck – EMV Testhaus. Abgerundet wurde die Veranstaltung mit zwei Workshops: Workshop 1 „Risikoanalyse (FMEA) mit Hilfe von Safe Expert“ gehalten von Juliane Pielmeier – EMV Testhaus und Workshop 2 „EMV im Maschinen- und Anlagenbau“ gehalten von Michael Prokisch – EMV Testhaus.

Würth bietet als Ergänzung zu dem EMV-Vortrag das im Hause verlegte Buch „Trilogie der induktiven Bauelemente“ an, dessen Rezension Sie in dieser Ausgabe der elektronik industrie finden. Des Weiteren finden Entwickler Hilfe bei der Auswahl der passenden Entstör-/HF-Bauteile und Materialien auf einem Poster. Außerdem gibt es eine Toolbox für Entwickler und Einkäufer und einen Click Selection Guide. Die Simulationssoftware LTspice, zu der die Firma ein eigenes Buch anbietet, beinhalted die Würth Bauteilebibliothek.