EMI in Komponenten

Jedes EMI-Problem (elektromagnetische Interferenz) beginnt oder endet letztendlich bei einem elektronischen Schaltkreis. Und da elektronische Komponenten die Bausteine ​​von Schaltkreisen sind, ist es nur sinnvoll, auf die EMI-Auswirkungen dieser einzelnen Komponenten zu achten.

Das wohl Wichtigste, was man bei elektronischen Bauteilen im Hinterkopf behalten sollte, ist, dass nichts ideal ist. Komponenten ändern ihre Werte mit Frequenz, Strom, Spannung und sogar physikalischer Größe. Und diese Änderungen können nichtlinear sein und eine neue Ebene der Komplexität hinzufügen. Wie ein Pilot müssen Sie die Grenzen kennen, damit Sie im Rahmen einer sicheren Leistung bleiben.

Zwei wichtige EMI-Faktoren sind parasitäre Induktivität und Kapazität. Mit zunehmender Frequenz nehmen auch ihre unerwünschten Wirkungen zu. Tatsächlich kann eine parasitäre Induktivität einen Kondensator in eine Induktivität umwandeln, und eine parasitäre Kapazität kann eine Induktivität in einen Kondensator umwandeln.

Da diese Faktoren nicht in den Schaltplänen dokumentiert sind, bleiben wir oft auf der Suche nach dem „verborgenen Schaltplan“. Tatsächlich fügen wir bei der Diagnose von EMI-Problemen diese parasitären Komponenten oft dem Schaltplan hinzu, um besser zu verstehen, was passieren könnte. Einfach aber effektiv.

Ein hilfreicher Hinweis ist, Schaltkreise bei drei verschiedenen Frequenzen zu untersuchen – niedrig, mittel und hoch. Das ist so, als würde man ein Mikroskop mit unterschiedlichen Vergrößerungsstufen verwenden. Beispielsweise könnten wir uns bei einer Wechselstromversorgung auf die folgenden Frequenzen konzentrieren:

Wenn Sie spezielle EMI-Probleme haben, können Sie den Fokus natürlich wie folgt verfeinern:

Ein weiterer hilfreicher Hinweis besteht darin, die Eigenresonanzfrequenzen Ihrer Komponenten zu berücksichtigen. Manchmal sind diese Daten von den Komponentenherstellern erhältlich. Wenn diese nicht verfügbar sind, müssen Sie möglicherweise auf technisches Urteilsvermögen zurückgreifen, um Schätzungen vorzunehmen. Wir werden in dem Artikel einige allgemeine Beispiele bereitstellen.

Passive Bauteile

Beginnen wir mit den einfachen passiven Komponenten – Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und Transformatoren. Wir werden auch die niedrige Leiterbahn berücksichtigen. Ja, für EMI-Zwecke müssen wir Verbindungen oft auch als Komponenten betrachten.

Abbildung 1 zeigt den Frequenzgang mehrerer passiver Komponenten. Bei niedrigen Frequenzen verhalten sich die Komponenten wie erwartet. Induktivitäten induzieren, Widerstände leisten Widerstand, Kondensatoren kapazitieren usw. Doch mit steigenden Frequenzen verhalten sich die Komponenten möglicherweise nicht mehr wie die Lehrbuchmodelle, die wir alle in der Schule gelernt haben. Dies ist häufig auf parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten in den Komponenten zurückzuführen oder hängt mit der Art und Weise ihrer Installation zusammen.

Abbildung 1: Hochfrequenzverhalten realer Komponenten

Aber ist es nicht nur die Häufigkeit, die das Verhalten verändert? Erschwerend kommt hinzu, dass auch hohe Ströme und Spannungen auf Komponenten einwirken können. In extremen Fällen kann das Verhalten sogar nichtlinear werden, beispielsweise durch Induktorsättigung.

Widerstände

Obwohl es sich um einfachste Komponenten handelt, können selbst Widerstände EMI-Probleme aufweisen. Während sich altmodische Kohlewiderstände bis zu mehreren hundert MHz recht gut verhielten, zeigen drahtgewickelte oder bandgewickelte Widerstände bei niedrigeren Frequenzen häufig induktive Effekte, wodurch die Gesamtimpedanz ansteigt.

Bei höheren Frequenzen begrenzt jedoch die parasitäre Kapazität (zwischen Wicklungen oder Ende-zu-Ende) die Impedanz. Beispielsweise entsprechen 3 pF bei 100 MHz etwa 500 Ohm. Wenn Sie das mit etwas über ein paar Kiloohm parallel schalten, haben Sie immer noch nur 500 Ohm.

Hochspannungstransienten wie ESD können zwischen den Wicklungen oder über die gesamte Komponente hinweg einen Lichtbogen bilden. Auch wenn es sich nicht um ein gut dokumentiertes Problem handelt, ist es uns schon mehrfach passiert. Darüber hinaus können die ESD-Ströme aufgrund der Erwärmung kleine Widerstände dauerhaft beschädigen.

Kondensatoren

Alle Kondensatoren schwingen mit! Dies kann sowohl auf interne als auch externe Serieninduktivität zurückzuführen sein. Infolgedessen ist die Kondensatorimpedanz bei Resonanz tatsächlich niedrig, was als gut angesehen werden könnte. Oberhalb der Resonanzfrequenz sieht der Kondensator jedoch tatsächlich wie eine Induktivität aus, deren Impedanz mit der Frequenz zunimmt. Nicht gut, wenn Sie nach einem Hochfrequenz-Kurzschluss suchen.

Die interne Induktivität ist eine Funktion der Bauteilgröße. Daher sind die meisten Elektrolytkondensatoren im Bereich von 1–10 MHz selbstresonant. Das bedeutet, dass sie für die Netzfrequenzfilterung oder Energiespeicherung zwar geeignet sind, für die Entkopplung (Kurzschluss) bei 10 MHz und höher jedoch nutzlos sind. In Abbildung 2 finden Sie typische sichere Frequenzen für verschiedene Kondensatortypen.

Abbildung 2: Typische sichere Frequenzen für verschiedene Kondensatortypen

Für die meisten höheren EMI-Frequenzen werden Keramikkondensatoren bevorzugt. Kleine oberflächenmontierte Keramikkondensatoren allein sind typischerweise bis zu 1 GHz gut. Allerdings kann die Induktivität in externen Leiterbahnen (und sogar Vias) immer noch die Leistung einschränken.

Geht man beispielsweise von 20 nH pro Zoll für einen Draht oder eine Leiterbahn aus, schwingt ein perfekter 1000-pF-Kondensator bei etwa 70 MHz mit einer Gesamtleitungslänge von nur ¼ Zoll. Bei ½ Zoll sinkt dieser auf etwa 50 MHz. Unser ständiger Rat zu Entkopplungskondensatoren: Halten Sie die Leitungen kurz!

Welchen Kondensatorwert benötige ich zur EMI-Entkopplung? Genug, aber nicht zu viel. Da Sie versuchen, einen Hochfrequenzkurzschluss herzustellen, ist ein Wert unter einem Ohm ein gutes Ziel. Sie müssen nicht zu viel nach unten gehen, da Sie durch den Innenwiderstand des Kondensators eingeschränkt werden.

Sie können Kondensatorwerte für verschiedene Frequenzen berechnen, wir verwenden jedoch die „Einerregel“. Wenn das Produkt aus MHz x uF eins ist, beträgt Xc 0,16 Ohm. Somit sind bei 100 MHz 0,01 uF geeignet. Sie können dies sogar auf 0,001 uF reduzieren und haben immer noch eine Reaktanz von 1,6 Ohm. Bei 1 MHz müssen Sie auf 0,1 bis 1 uF skalieren, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.

Induktoren

Aufgrund des Zusammenspiels von Induktivität und Kapazität zwischen den Windungen schwingen auch Induktoren mit. Dadurch entsteht ein parasitärer Parallelresonanzkreis. Bei Resonanz steigt die Impedanz also an, nimmt dann aber oberhalb der Resonanzfrequenz ab. Tatsächlich wird die Induktivität oberhalb der Resonanz zu einem Kondensator. Wieder einmal keine wünschenswerte Eigenschaft.

Als Faustregel verwenden wir 50 MHz als Standardresonanzfrequenz für kleine drahtgewickelte einschichtige Induktivitäten, die für EMI-Anwendungen üblich sind. Mit der folgenden Formel können Sie eine bessere Schätzung erhalten:

f = 200/Quadratmeter (L)

wobei f = die Eigenresonanzfrequenz in MHz und L = Induktivität in uH

Unter Verwendung dieser Formel wäre eine 1 uH-Drossel bei etwa 200 MHz selbstresonant, während eine 100 uH-Drossel bei etwa 20 MHz selbstresonant wäre. Diese Zahlen kommen den gemessenen Werten ziemlich nahe.

Bei Frequenzen über etwa 50 MHz bevorzugen wir Ferrite. Als durchlässige Materialien erhöhen sie die Induktivität gegenüber Luftkerngeräten. Mit Ferriten erhalten Sie mehr Induktivität mit weniger Windungen, was eine bessere Hochfrequenzleistung bedeutet.

Im Gegensatz zu Luftspulen sind Ferrite mit steigenden Frequenzen ziemlich verlustbehaftet. Während dies von HF-Entwicklern (Hochfrequenz) als negativ angesehen wird, befürworten wir den Verlust bei EMI-Anwendungen und ziehen es tatsächlich vor, sie in ihrem verlustbehafteten Bereich zu verwenden. Tatsächlich werden sie zu hochfrequenzabhängigen Widerständen.

Es gibt zahlreiche Ferritmaterialien, am beliebtesten für EMI-Anwendungen sind jedoch Nickel-Zink-Ferrite. Gängige Anbieternomenklaturen sind Fair-Rite-Typ 43/44 oder Steward-Typ 28/29. In Single-Turn-Konfigurationen (Perlen oder Kabelferrite) weisen diese Materialien einen relativ flachen Widerstandsverlust zwischen 100 MHz und 1 GHz auf. Tatsächlich werden sie häufig in Ohm bei 100 MHz angegeben.

Hohe Ströme können sich auf alle Induktoren, Drahtspulen oder Ferritspulen auswirken. Netzfrequenzinduktivitäten können in die Sättigung gehen, was bedeutet, dass ihre Impedanz auf etwa Null sinken kann. Auch Ferrite weisen diese Eigenschaft auf, sind aber deutlich nachsichtiger. Beispielsweise sinkt bei starken Strömen ein 100-Ohm-Ferrit (bei 100 MHz) nicht auf Null, sondern kann auf 20–25 Ohm abfallen. Daher drosseln wir EMI-Ferrite in Hochstromanwendungen typischerweise um den Faktor vier.

Transformer

Das Haupt-EMI-Problem des Transformators ist die parasitäre Kapazität zwischen den Wicklungen. Dies gilt sowohl für Leistungs- als auch für Signaltransformatoren. Glücklicherweise können Faraday-Abschirmungen zwischen den Wicklungen diese Kapazität aufbrechen. Leider beseitigen diese Abschirmungen diese unerwünschte Kopplung nicht vollständig, sie erweitern jedoch den Betriebsfrequenzbereich erheblich.

Die Erfahrung zeigt, dass die Isolierung bei Netzfrequenzen zwar sehr gut ist, ungeschirmte Transformatoren jedoch sehr lecken, wenn die Frequenz 1 MHz erreicht. Da Blitze und viele Stromtransienten in diesem Bereich äquivalente Frequenzen haben, können diese Transienten problemlos den Transformator passieren.

Durch das Hinzufügen einer Faraday-Abschirmung zwischen den Wicklungen wird dieser Bereich jedoch auf mehrere zehn MHz erweitert, was einen erheblichen Schutz gegen die meisten leistungsbezogenen Transienten bietet. Dieser Schutz erstreckt sich nicht auf höherfrequente Ereignisse wie EFT oder ESD, noch auf Strahlungsemissionen und Anfälligkeit. In diesen Fällen benötigen Sie Filter und anderen Hochfrequenzschutz.

Ein sekundäres EMI-Problem bei Transformatoren ist der Spannungsdurchbruch zwischen der Primär- und Sekundärwicklung. Dies kann auf Lichtbögen bei hohen Spannungen oder auf einen Isolationsdurchbruch im Laufe der Zeit bei niedrigeren Spannungen zurückzuführen sein. Letzteres haben wir ein paar Mal gesehen, mit Ausfällen nach Monaten im Betrieb. Daher ist es sehr wichtig, die Spannungsisolationsspezifikationen des Herstellers nicht zu überschreiten, auch wenn das Gerät scheinbar funktioniert.

Schaltungsspuren

Ja, auch die kleinen Leiterbahnen (und ihre Cousins, die Verbindungsverkabelung) sind Komponenten. Bei Frequenzen über etwa 10 kHz übersteigt die induktive Impedanz den Widerstand, sodass die Leiterbahnen beginnen, wie kleine Induktivitäten zu wirken. Wenn die Länge etwa 1/20 der Wellenlänge überschreitet, zeigen die Spuren Übertragungsleitungs- und Antenneneffekte. Bei Vielfachen von ¼ Wellenlänge können Resonanzen auftreten und bei vielen Wellenlängen können die Leiterbahnen sogar wie lange Antennen mit Gewinn wirken! Sind diese Effekte schwerwiegend? In den meisten Fällen können diese Auswirkungen ignoriert werden, dennoch müssen Sie sich dieser potenziellen Probleme bewusst sein. Sogar Spuren können Teil des „verborgenen Schaltplans“ sein.

Nachdem wir uns nun die grundlegenden elektronischen Komponenten angesehen haben, werfen wir einen Blick auf zwei spezielle EMI-Komponenten – Transientenschutz und optische Isolatoren.

Transientenschutz

Diese Komponenten werden typischerweise zum Schutz von Strom- und Signalleitungen vor Spannungsspitzen verwendet. Einige sind schneller als andere, daher hängt die Wahl oft von der Art der beteiligten Transienten ab. Hier sind drei der häufigsten Arten von Transientenschutzvorrichtungen:

Arc-GeräteDiese Geräte sind recht robust, aber relativ langsam. Sobald der Lichtbogen zündet, sinkt die Spannung an der Schutzvorrichtung auf einen niedrigen Wert, was zu einem Beinahe-Kurzschluss auf der geschützten Leitung führt. Dadurch wird im Gerät nur sehr wenig Leistung verloren, vielmehr wird die Energie reflektiert. Gasröhren fallen in diese Kategorie.

Ein großer Nachteil dieser Geräte ist die Geschwindigkeit. Daher sind sie im Allgemeinen nicht schnell genug für den EFT- oder ESD-Transienten, eignen sich jedoch für Blitzeinschläge und andere langsamere Stromleitungstransienten.

MOV (Metalloxid-Varistoren) Diese Geräte sind mäßig robust und mäßig schnell. Da sie die überschüssigen Spannungen begrenzen, wird die überschüssige Energie im Gerät abgeführt. Dennoch können selbst relativ kleine MOVs viel Energie zu geringen Kosten verbrauchen. Daher werden sie häufig zum Schutz kostengünstiger Unterhaltungselektronik eingesetzt.

Zwei Nachteile dieser Geräte sind Geschwindigkeit und Ermüdung. Die Reaktionsgeschwindigkeiten sind mit Lichtbogengeräten vergleichbar, sodass sie im Allgemeinen für ESD und EFT ungeeignet sind, sich aber gut für Leistungstransienten eignen. Aufgrund der kumulativen Effekte nutzen sie sich im Laufe der Zeit ab und versagen oft im offenen Zustand, so dass Sie bei künftigen Überlastungen nicht mehr geschützt sind.

Diese auf der Zener-Dioden-Technologie basierenden Siliziumgeräte sind die schnellsten und einige können vor Transienten im Subnanosekundenbereich schützen. Daher sind sie für alle Transienten geeignet – Strom, EFT und ESD. Typischerweise fallen sie auch kurzzeitig aus und brennen dadurch Sicherungen oder Schutzschalter durch.

Die Nachteile sind Größe und Kosten, wir empfehlen diese Geräte jedoch normalerweise für teure elektronische Systeme, bei denen die Ausfallkosten hoch sind.

Da es sich bei Überspannungsschutzgeräten um nichtlineare Geräte handelt, können sie zu HF-Anfälligkeitsproblemen beitragen, insbesondere wenn sie die erste Komponente sind, die in Strom- oder Signalleitungen zu sehen ist. Sie wirken gewissermaßen wie ein Kristallradio und richten die HF-Energie gleich. Daher müssen möglicherweise Hochfrequenzfilter vor den Überspannungsschutzvorrichtungen installiert werden, um eine Gleichrichtung am Gerät zu verhindern.

Optische Isolatoren

Diese Geräte werden häufig in rauen Umgebungen (z. B. in Industriesteuerungen) eingesetzt, um I/O-Schaltkreise zu isolieren und vor Überspannungen zu schützen. Auch wenn es recht effektiv ist, ist nichts perfekt. Ich wünschte, wir hätten einen Dollar für jedes Mal, wenn jemand sagte: „Mach dir keine Sorgen wegen dieser Schnittstelle – sie hat Optokoppler.“

Zwei EMI-Probleme sind Leckströme über die Kapazität und Spannungsausfälle. Ersteres kann im Bereich von Hunderten von MHz ein Problem darstellen und Schleichwege für abgestrahlte Emissionen und Anfälligkeit schaffen. Letzteres kann ein Problem bei ESD oder anderen Hochspannungstransienten sein, die die Durchschlagswerte des Geräts überschreiten. Daher ist möglicherweise eine zusätzliche Filterung oder ein Transientenschutz erforderlich.

Aktive Komponenten

Nachdem wir nun die häufigsten passiven Komponenten behandelt haben, werfen wir einen kurzen Blick auf EMI-Probleme in aktiven Geräten.

Digitale ICs (Integrierte Schaltkreise)

Wichtige EMI-Treiber sind Geschwindigkeit und Größe. Vereinfacht ausgedrückt gilt: Je schneller und kleiner die Geräte, desto wahrscheinlicher sind EMI-Probleme – sowohl Emissionen als auch Immunität.

Für Emissionen sind sowohl Flankenraten als auch Taktraten entscheidend. Wenn beides zunimmt, nehmen auch die höherfrequenten EMI-Probleme zu. Beides ist seit vielen Jahren der Branchentrend und wird sich wahrscheinlich auch in Zukunft fortsetzen.

Für die Immunität spielen nur die Kantenraten eine Rolle, da diese die Bandbreite darstellen. Vereinfacht ausgedrückt: Mit steigenden Kantenraten vergrößert sich das Anfälligkeitsfenster. Dies macht digitale Schaltkreise anfälliger für Spitzen und Transienten wie ESD- oder EFT-Ereignisse.

Viele moderne digitale ICs sind viel schneller als nötig, sodass eine Verlangsamung zu EMI-Vorteilen führen kann. Verwenden Sie keine schnelleren Takte als nötig und filtern Sie kritische Knoten wie Resets oder Steuerleitungen. Und achten Sie auf die Leistungsentkopplung – oft die Hintertür für Emissionen aufgrund der schnellen Stromimpulse aufgrund wechselnder Lasten.

Analoge ICs

Auch hier sind Geschwindigkeit und Größe die entscheidenden Faktoren. Außerdem arbeiten viele analoge Schaltkreise mit kleinen Signalpegeln und daraus resultierenden geringeren Rauschmargen als digitale Signale. Beispielsweise kann ein Sensoreingang um ein Millivolt oder weniger gestört werden, während digitale Signale normalerweise Hunderte von Millivolt tolerieren, bevor es zu Fehlfunktionen kommt.

Was Emissionen angeht, verhalten sich die meisten analogen ICs ziemlich gut, da sie bei niedrigen Frequenzen arbeiten. In den letzten Jahren ist jedoch eine Zunahme parasitärer Schwingungen zu beobachten, die häufig im VHF/UHF-Frequenzbereich auftreten. Diese freilaufenden Schwingungen sind oft groß genug, um die gesetzlichen Grenzwerte für abgestrahlte Emissionen zu überschreiten. Eine gute Hochfrequenzentkopplung kann diesem Problem vorbeugen.

Aus Gründen der Immunität sind analoge Schaltkreise besonders anfällig für hohe HF-Energiewerte. Der Fehlermodus ist Gleichrichtung, was dazu führt, dass jede Modulation jetzt im normalen Frequenzbereich der analogen Geräte auftritt. Sobald die Berichtigung erfolgt ist, besteht keine Möglichkeit, sie rückgängig zu machen. Man muss verhindern, dass es überhaupt dazu kommt. Eine gute Hochfrequenzentkopplung und Filterung der Ein- und Ausgänge kann dieses Problem verhindern.

Im Übrigen betrachten wir HF- und Leistungs-ICs (z. B. Spannungsregler) normalerweise als Sonderfälle analoger ICs, die den gleichen EMI-Problemen unterliegen. Wir empfehlen regelmäßig 1000 pF-Kondensatoren an Reglereingängen und -ausgängen. Wir achten auch auf sehr niederpegelige Eingänge, wie zum Beispiel Funkempfänger. Besonders anfällig sind GPS-Empfänger mit ihren extrem niedrigen Eingangspegeln.

Schlussfolgerungen

Wenn Sie sich mit EMI-Problemen in Komponenten befassen, müssen Sie mit dem Unerwarteten rechnen. Suchen Sie nach dem versteckten Schaltplan und achten Sie auf Ihre Leistungsbeschränkungen (Frequenz, Spannung, Strom).

Bitte bedenken Sie abschließend, dass dieser Artikel als einführender Überblick über EMI-Probleme in Komponenten gedacht ist. Über viele dieser Komponenten wurden ganze Bücher geschrieben. Obwohl wir uns kurz gefasst haben, hoffen wir, dass wir Ihr Bewusstsein geschärft, Ihr Denken angeregt und vielleicht sogar einige EMI-Probleme entmystifiziert haben, auf die Sie möglicherweise gestoßen sind.

Daryl und Bill haben Hunderte von EMI-Problemen in einer Vielzahl von Branchen verhindert oder gelöst – Computer, Militär, Medizin, Industriesteuerungen, Automobil, Avionik, Eisenbahn, Telekommunikation, Anlagen und mehr. Sie haben außerdem über 10.000 Ingenieure im Rahmen ihrer öffentlichen und internen Schulungskurse geschult. Sie haben gerade ihr 25-jähriges Vollzeitjubiläum als EMI/EMV-Beratungsingenieure gefeiert. Weitere EMI-Informationen finden Sie auf der Website unter www.emiguru.com.

Bill KimmelKapazitätSchaltungskomponentenDaryl GerkeemiInduktivität

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