Vier Möglichkeiten, elektromagnetische Störungen zu verringern

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Bereits beim Design-in von Steckverbindern sollten Sie auf EMV-relevante Eigenschaften achten. Das betrifft vor allem die Gehäuse der Steckverbinder, aber auch die Anbindung der Kabel. Wenn Sie einige Grundregeln beachten, können Sie die EMV des Systems schnell verbessern.

Die Welt war noch nie so drahtlos und die Luft noch nie so voll mit elektromagnetischen Signalen. Dies ist zwar für viele Anwendungen ideal, aber nicht ohne Folgen, weil elektronische Geräte generell anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen sind. Steckverbinder sind in dieser Hinsicht keine Ausnahme. Ich stelle in diesem Artikel einige Überlegungen für die Konstruktion störfester Steckverbinder vor.

Wenn Sie jemals Radio gehört haben, während Ihr Auto Hochspannungsleitungen unterquert, dann haben Sie ein EMV-Problem bereits hautnah erlebt. Das ohrenbetäubende 50-Hertz-Brummen, das das Radiosignal vollständig übertönt, ist eine direkte Folge der starken elektromagnetischen Wellen, die vom Wechselstrom in den Überlandleitungen verursacht werden.

Während dies für autofahrende Radiohörer lediglich ärgerlich ist, stellt es in fast allen Anwendungsgebieten, bei denen die Signalintegrität von entscheidender Bedeutung ist, ein ernstes Problem dar. Beispiele sind Kommunikation, Fly-by-Wire-Avionik und medizinische Anwendungen. Hier führen Störsignale dazu, dass Steueranweisungen oder medizinische Daten falsch übermittelt werden, was potenziell tödliche Folgen haben kann.

Deswegen muss sicher gestellt werden, dass elektronische Geräte vor Störstrahlung geschützt sind – so dass sie einerseits selbst keine Störungen verursachen und andererseits vor anderen Störquellen geschützt sind.

Sichere Gehäuse sind Pflicht für eine gute EMV

Das vielleicht wichtigste Element für die EMV-Festigkeit ist das Gehäuse – sowohl in Bezug auf seinen Werkstoff als auch seine Topologie.

Das Gehäusematerial ist somit die erste „Verteidigungslinie“ gegen elektromagnetische Störungen. Elektrisch leitfähige Metallgehäuse sind hier ideal, da alle ein- oder abgehenden elektromagnetischen Wellen einen Strom im Gehäuse induzieren, der die Energie der Wellen reduziert. Das Gehäuse wirkt also quasi als Abschirmung isolierend. Im Gegensatz dazu lassen Gehäuse aus elektrisch nicht-leitenden Werkstoffen wie Kunststoff die Störungen ungehindert passieren.

Beim Gehäusewerkstoff kann schon eine geringe Veränderung einen großen Unterschied machen. Beispielsweise wurden herkömmliche EMV-konforme Gehäuse früher mit Cadmium beschichtet, um die Korrosion zu verringern. Da Cadmium ein Übergangsmetall ist, wird die Schirmwirkung des Metallgehäuses verringert.

Da Cadmium toxisch auf Nieren, Knochen und die Atemwege wirkt, wurden in letzter Zeit Gehäuse zunehmend mit einer RoHS-konformen Zink-Nickel-Legierung beschichtet. Zink-Nickel bietet ähnliche Abschirmeigenschaften und Korrosionsbeständigkeit wie Cadmium, jedoch ohne die damit verbundenen Gesundheitsgefahren.

Die zweite „Verteidigungslinie“ gegen elektromagnetische Störungen ist die Form eines Steckverbindergehäuses. Stellen Sie sich ein rechteckiges Gehäuse vor. Hier wirken die scharfen Kanten als Schwachpunkte, an denen Störstrahlung in den Steckverbinder eindringen und aus ihm heraustreten kann. Die flachen Gehäuseoberflächen erzeugen darüber hinaus Wellenleiter, die Störungen sammeln, bis sie sich selbst stören und noch mehr elektromagnetische Interferenzen generieren.

Störungen einfach herausfiltern: Koax-Kabel und Filter

Mit einem topologisch glatten Gehäuse aus verzinktem, vernickeltem Edelstahl können wir die Ausbreitung von Störstrahlung, den ein Steckverbinder emittiert und absorbiert, stark einschränken. Endgehäuse wie das M85049 von Amphenol, die Serie Polamco 35 und das M85049 von Sunbank wurden mit einer 360-Grad-Verbindung zum Kabelschirm entwickelt, was den besten Störschutz für das Kabel selbst bietet.

Auf diese Weise können Störungen nirgendwo aus der Verbindung heraustreten. Doch wie sieht es mit den Interferenzen aus, die das Kabel selbst erzeugt oder die über es einkoppeln?

Dies kann über zwei Ansätze angegangen werden: Der erste ist die Verwendung von Koaxialkabeln mit Schirmgeflechten. Genau wie elektrisch leitfähige Steckverbindergehäuse verfügen Koaxialkabel über eine elektrisch leitfähige Ummantelung, die die Signalleitung vor Störungen schützt. Für bestmöglichen Schutz sollte die Koaxialummantelung am Endgehäuse geerdet werden, um einen Ausgang für den EMV-induzierten Strom bereitzustellen.

Der zweite Ansatz besteht darin, Filter in die Steckverbinder zu integrieren, die so eingestellt sind, dass sie Strom- und Signalfrequenzen passieren lassen, aber Störfrequenzen entfernen. Der Gebrauch von Filtern ist sehr praktisch, da sie auch rückwirkend auf stör­intensive Netzwerke angewendet werden können, ohne dass eine Überarbeitung oder Neukonstruktion von Geräten erforderlich ist.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 24/2020 (Download PDF)

Wie bereits erwähnt, ist die Welt so kabellos wie nie zuvor, und dieser Trend wird in Zukunft nur zunehmen. Dabei ist es jedoch wichtig, dass der Verkabelung und den Anschlüssen genauso viel Aufmerksamkeit gewidmet wird, wie den aktuellen drahtlosen Entwicklungen. Und wenn Sie wissen wollen, warum dies so ist, dann schalten Sie einfach Ihr Autoradio ein, wenn Sie das nächste Mal unter Hochspannungsleitungen hindurchfahren.

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* Jakub Kosinski arbeitet als Produktmanager bei PEI-Genesis in Southampton / UK.

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