Elektromagnetische Verträglichkeit EMV-Konformität meistern! Filterbauelemente – Teil 6

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EMV gehört zu den meistunterschätzten Themen im Entwicklungsprozess elektronischer Geräte. Diese Artikelserie behandelt die wichtigsten Punkte, um eine konforme elektromagnetische Integrität von Produkten zu gewährleisten. In Teil 6 geht es um die Filterbauelemente – Kondensatoren, TVS-Dioden und Varistoren.

Bei hohen Frequenzen werden die physikalischen Eigenschaften von Bauelementen relevanter, denn parasitäre Effekte wie parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten in den Bauelementen können zu unerwünschten Effekten führen. Die Auswahl dieser Bauelemente muss darauf abzielen, dass sie bei den Frequenzen, für die das Filter ausgelegt ist, effektiv arbeiten. In diesem EMV-Design-Tipp wollen wir die wichtigsten Parameter kurz vorstellen.

Kondensatoren: Wir wollen uns hier auf das Filtern von Signalen und „Onboard“-Schaltungen beschränken, d.h. Netzfilter sollen hier nicht behandelt werden. Entsprechend dieser Applikationen soll folgende Übersicht (Tabelle 4) zeigen, welche Kondensatoren wo verwendet werden sollten.

Bei allen Kondensatoren in Tabelle 4 handelt es sich um SMD-Bauformen. Kleinere und kürzere Bauformen haben eine geringere parasitäre Induktivität und somit eine höhere Resonanzfrequenz, was für den Einsatz in HF-Applikationen im Frequenzbereich über 500 MHz relevant sein kann. In Filterapplikationen, in denen eine hohe Filtergüte wichtig ist, sollten vorwiegend Klasse-I-Kondensatoren (NP0) eingesetzt werden.

In Schaltungen über 1 GHz und bei der Beschaltung von hochfrequenten Taktsignalen (CLK) sollten ausschließlich Kondensatoren des Typs WCAP-CSRF High Frequency Anwendung finden, da diese die höchste Güte und niedrigste Toleranz aufweisen. Zusätzlich gilt es zu beachten, dass bei Filterschaltungen für High-Speed-Signale (USB3.x, HDMI,CLKs > 50 MHz, GB-Ethernet, …) die parasitären Kapazitäten von anderen Komponenten (z.B. TVS-Dioden, Steckverbinder) und dem Layout mitberücksichtigt werden müssen.

Spannungsbegrenzende Bauelemente: Im Allgemeinen beschränkt sich die Auswahl der spannungsbegrenzenden Bauelemente auf TVS-Dioden (Arrays) und Varistoren. Beide Bauelemente schützen elektronische Komponenten vor transienten Spannungsspitzen oder Überspannungen, indem sie einen Pfad mit niedriger Impedanz bilden, um übermäßige Spannungen von den zu schützenden Komponenten abzuleiten.

Das setzt voraus, dass entweder ein niederimpedanter Pfad zur Bezugsmasse der Störsignalquelle vorhanden ist oder die zu schützende Schaltung unmittelbar zu ihrer Bezugsmasse geschützt werden muss. Zur Verdeutlichung sind in Bild 11 die zwei grundsätzlichen Schutzprinzipien dargestellt. Das Konzept 1, verdeutlicht mit der roten TVS-Diode, schützt unmittelbar den Ein-/Ausgang des Controllers. Die Bezugsmasse muss dementsprechend die des Controllers sein, die Diode wird unmittelbar am Eingang des Controllers platziert.

Das Konzept 2 mit der grünen TVS-Diode schützt direkt an der Schnittstelle den Eingang/Ausgang, d.h. unmittelbar am Signal-Pin vor dem Einkoppeln von transienten Überspannungen in die Elektronik. Dementsprechend ist hier der Massebezug der des Gehäuses unmittelbar an der Schnittstelle. Über die Board-Verschraubung und über die Schnittstellen-Steckverbinder ist die Board-Masse (GND) mit der Gehäusemasse (SGND) verbunden.

TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor) und Varistoren weisen einige Unterschiede in ihrer Konstruktion und Funktionsweise auf. TVS-Dioden sind so gestaltet, dass sie die Spannung über dem geschützten Stromkreis auf einen bestimmten Wert, die so genannte Klemmspannung, begrenzen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Spannung einen sicheren Schwellenwert nicht überschreitet und die empfindlichen Bauteile nicht beschädigt werden.

Varistoren begrenzen ebenfalls die Spannung im Stromkreis, aber ihre Begrenzungsspannung kann in Abhängigkeit von Faktoren wie der Amplitude und Dauer der transienten Überspannung variieren. Sie begrenzen die Spannung effektiv auf ein bestimmtes Niveau, aber die genaue Klemmspannung lässt sich nicht so präzise steuern wie bei TVS-Dioden. Die Wahl zwischen den beiden hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen und dem gewünschten Schutzniveau ab. Mehr dazu im EMV-Design-Tipp 8 – Filter an Schnittstellen. (kr)

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* Dr.-Ing. Heinz Zenkner ist öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für EMV.

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