EMV-Konformität meistern! Filterung

Elektromagnetische Verträglichkeit EMV-Konformität meistern! Filterung – Teil 5

18.09.2024 Von Heinz Zenkner* 2 min Lesedauer

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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 5 geht es um die Filterung.

EMV-Basics: Der EMV von Geräten und Produkten kommt ein immer höherer Stellenwert zu. In unserer Serie analysieren wir die wichtigsten Ursachen.(Bild: Michael J. Müller / / Würth Elektronik) — EMV-Basics: Der EMV von Geräten und Produkten kommt ein immer höherer Stellenwert zu. In unserer Serie analysieren wir die wichtigsten Ursachen.
(Bild: Michael J. Müller / / Würth Elektronik)

Sowohl Schnittstellenfilter als auch Filter an integrierten Schaltkreisen (ICs) tragen dazu bei, die Leistung, Zuverlässigkeit und Funktion elektronischer Systeme zu verbessern, indem sie unerwünschte Signale herausfiltern, EMV-Kompatibilität sicherstellen und den Schutz vor Schäden erhöhen. Diese Aufgaben eines Filters können jedoch nur dann sichergestellt werden, wenn einige Voraussetzungen erfüllt werden, die Teil 5 unserer Serie aufzeigt.

Was ist ein Filter?

Bild 8 zeigt die prinzipielle Funktion eines Filters. Aus der sogenannten Vierpoldarstellung (8a) geht hervor, dass die Impedanz eine Funktion der Frequenz ist. Im detaillierteren Schaltbild (8b) ist zu erkennen, dass die hier gewählte Tiefpasstopologie aus zwei Impedanzen besteht, von denen mindestens eine ihre Impedanz in Abhängigkeit der Frequenz ändert. Bild 8c zeigt klar das Spannungsteiler-Prinzip. Hier wird deutlich, dass für eine Funktion des Spannungsteilers die Masse als Referenz kein Störpotenzial haben darf. Jedes massebehaftete Störpotenzial wird als Anteil von Ua an den Schnittstellenausgang gelangen. Bild 8d zeigt nun einen Tiefpass zweiter Ordnung mit einer Dämpfung von 40 dB pro Dekade.

Bildergalerie

Bild 8:  Prinzipielle Funktion eines Filters.(Bild: Würth Elektronik)

Bild 9:  Rechts oben ist ein Beispiel eines CM-Filters zu sehen. Links unten werden die Kondensatoren C2 und C3 durch TVS-Dioden ersetzt, um einen Schutz gegen transiente Überspannungen zu erzielen. (Bild: Würth Elektronik)

Bild 10:  Beispiel der CM- und DM-Impedanz einer CM-Drossel, Schaltbild aus Bild 2 links.(Bild: Würth Elektronik)

Soll der Filter einen zusätzlichen Schutz zur Begrenzung von transienten Störungen auf den Signalleitungen erhalten, muss zum Kondensator C ein spannungsbegrenzendes Bauteil geschaltet werden (Varistor, TVS-Diode, …). Genügt die parasitäre Kapazität des Bauelements, um die geforderte Dämpfung zu erreichen, kann der Kondensator C entfallen.

Die obige Filterausführung ist ein asymmetrischer Filter, der eine Signalleitung gegen eine Bezugsmasse filtert. Symmetrische Signalschnittstellen, wie z.B. USB oder HDMI benötigen Gleichtaktfilter (Common-Mode – CM), damit die Nutzsignale selbst möglichst nicht beeinträchtigt werden. Bei diesen Filtern werden die Gleichtaktstörungen durch stromkompensierte Drosseln gedämpft. Die in jedem Signalpfad vorhandene Streuinduktivität der Drossel mit den nachgeschalteten Kondensatoren gegen Masse stellt wiederum einen frequenzabhängigen Spannungsteiler dar, der asymmetrische Anteile, z.B. Harmonische des Nutzsignals dämpft.

Ein Schaltungsbeispiel eines symmetrischen Filters ist in Bild 9 gezeigt: links unten wird anstelle der Kondensatoren ein TVS-Dioden-Array verwendet. Die Dioden des Arrays weisen eine parasitäre Kapazität auf, die hier anstelle von Kondensatoren verwendet wird. So lässt sich ein frequenzabhängiger Spannungsteiler als Tiefpassfilter realisieren.

Bild 10 zeigt die Impedanzkurve der Drossel aus Bild 9. Die Streuinduktivität (rot) bildet zusammen mit den parasitären Kapazitäten der Dioden des TVS-Diode-Arrays (Bild 9 links unten) jeweils pro Leitung einen Tiefpass.

Filterbauelemente: was ist zu beachten?

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. Im nächsten EMV-Tipp stelle ich die wichtigsten Parameter kurz vor. Für eine ausführliche Erklärung sei auf die zahlreichen AppNotes auf der WE-Homepage hingewiesen. (kr)

Elektromagnetische Verträglichkeit:  Der EMV von Geräten und Produkten kommt ein immer höherer Stellenwert zu. (Bild: Michael J. Müller / Würth Elektronik)

Elektromagnetische Verträglichkeit: Die EMV von Geräten und Produkten nimmt einen immer höheren Stellenwert ein. Tipps zum EMV-konformen Design. (Bild: Michael J. Müller)

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

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Stand: 08.12.2025

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