Elektromagnetische Interferenzen (EMI) sind bei vielen Systemdesigns ein problematisches, aber oft unvermeidbares Problem. Dieses Problem ist allgegenwärtig und äußerst schädlich, und seine Auswirkungen werden mit zunehmender Arbeitsfrequenz gravierender. EMI kann durch die Luft abgestrahlt, über Signal- und Stromleitungen geleitet und in Schaltkreise eingespeist oder als Antennen verwendet werden, um sie wieder auszusenden.
Wenn ein Produkt EMI (dh eine „Störquelle“) erzeugt oder ausstrahlt, kann es den normalen Betrieb benachbarter Systeme beeinträchtigen, die Konformitätsprüfung nicht bestehen und von der Markteinführung ausgeschlossen werden. Im Gegenteil, wenn ein Produkt die entgegengesetzte Rolle spielt und absichtlich oder unbeabsichtigt elektromagnetische Störungen empfängt (z. B. ein „gestörtes Objekt“), kann es zu unerklärlichen, zeitweiligen Fehlern, Ausfällen und einer instabilen Leistung kommen.
Die Auswirkungen dieser Probleme sind weitreichend und reichen von etwas Komischen wie bei meinem kabellosen Fahrradtacho über potenziell lebensbedrohliche Situationen wie in Flugzeugen oder Krankenhäusern bis hin zu enormen Verlusten in Produktionslinien. Mein Tacho arbeitet im 432-MHz-Frequenzband, und aus irgendeinem Grund zeigt der Messwert auf einem 100 Meter langen Straßenabschnitt zwischen einem abgelegenen Haus und nahegelegenen Amtrak-Gleisen (mit einer 20-kV-Oberleitung über den Gleisen) konstant zwischen 65 und 85 MPH an.
So minimieren Sie die Auswirkungen von EMI
Die Reduzierung oder Eliminierung von EMI-Quellen und deren Auswirkungen kann sowohl einfach als auch komplex sein. Zu den grundlegenden Schritten gehören eine ausreichende Erdung, eine umfassende Abschirmung, ein sinnvoller Bypass und natürlich der Einsatz von Filtern. Zusätzlich zu diesen Schritten gibt es normalerweise das „Pareto-Prinzip“: Die Beseitigung von 80 % der Störungen erfordert nur 20 % des Aufwands, während die Beseitigung der verbleibenden 20 % der Störungen möglicherweise 80 % des Aufwands erfordert.
Jeder Spalt im Gehäuse, beispielsweise der Spalt, der für Anschlussstecker und -buchsen erforderlich ist, ist wie eine Tür, die elektromagnetische Energie in beide Richtungen durchlässt. Wenn elektromagnetische Störungen jedoch nur durch abgestrahlte Energie verursacht werden, können abgeschirmte Steckverbinder das Problem lösen.
Schon vor Jahrzehnten begann man, sich mit diesem Problem zu befassen, zunächst mit Koaxialkabeln und klassischen SO-239- und PL-259-Buchsen- und -Steckern sowie Steckverbindern der BNC-Serie. Allerdings können diese vollständig abgeschirmten HF-Anschlüsse jeweils nur ein Signal unterstützen und sind nicht für die Verwendung mit Gleichstromnetzteilen und Nicht-HF-Signalen geeignet.
Eine gute Alternative besteht darin, „zurück in die Zukunft“ zu gehen und einen Steckverbindertyp zu verwenden, der einst Kommunikationsverbindungen und andere Schnittstellen dominierte: den ultrakleinen D-Typ-Steckverbinder (D-Sub), der von Unternehmen wie Molex hergestellt wird (Abbildung 1). Vor dem Aufkommen von USB- und parallelen Anschlüssen verwendeten Ingenieure und viele Verbraucher diesen 9-poligen Anschluss (bekannt als DB-9) als Verbindungsgerät für das serielle RS-232-Protokoll.
Abbildung 1: Die weit verbreitete und langlebige D-Sub-Stecker- und Adapterserie mit mehreren Kontaktnummern, elektrischen Nennwerten, EMI-Filterbandbreite und physischen Anschlussmethoden; Pi-Filter können das Problem der leitungsgebundenen elektromagnetischen Störungen lösen. (Bildquelle: Molex)
USB und Ethernet haben RS-232 weitgehend ersetzt, sodass dieses Protokoll heute hauptsächlich in älteren Systemen vorhanden ist und in neuen Designs nur noch selten verwendet wird. Der D-Sub-Stecker ist jedoch erhalten geblieben. Es gibt viele Gründe, warum dieser Steckverbindertyp langlebig ist:
Das nahtlose Metall-auf-Metall-Design sorgt für eine 100-prozentige Abschirmung der Drähte.
Die mechanische Struktur ist robust und langlebig und kann mithilfe von Stiften und Schrauben zuverlässig zwischen gepaarten Steckverbindern verriegelt werden.
Es stehen mehrere Versionen zur Auswahl, darunter 9-Pin, 15-Pin, 25-Pin, 37-Pin und 50-Pin.
Stellen Sie mehrere Anschlussmethoden bereit, einschließlich Lötkelchen und direkt einsteckbarer oder rechtwinkliger Leiterplattenstifte (PCB).
Wenn das Blockieren allein nicht ausreicht, um das Problem zu lösen
Die Abschirmung von D-Sub-Steckverbindern löst das Problem der abgestrahlten EMI-Energie, kann jedoch nicht das Problem der leitungsgebundenen EMI lösen. Daher ist die leistungsstarke D-Sub-Pi-Adapter- und Steckverbinderserie von Molex für die EMI-Filterung (siehe auch Abbildung 1) zu einer attraktiven Lösung geworden.
Diese Steckverbinder verfügen über integrierte EMI-Filter in ihren Kontakten, sodass kein zusätzlicher Platzbedarf oder das Hinzufügen von Komponenten auf der Leiterplatte erforderlich ist. Das Erdungskabel und das isolierte Kabel befinden sich im selben Anschluss, was noch mehr Platz spart. Sie bieten eine Vielzahl mechanischer Strukturen und Anschlusstypen, um den Designanforderungen gerecht zu werden.
Der eingebaute Filter kann verhindern, dass leitungsgebundene elektromagnetische Störungen durch den Steckverbinder gelangen, wodurch elektromagnetische Störungen in kritischen Szenarien wie der Steuerung von Flugzeugtriebwerken, Bordfunkgeräten, bildgebenden Geräten, Verarbeitungsgeräten und vielen anderen Anwendungsszenarien reduziert werden.
Zu den Hauptmerkmalen des Adapters und Steckers gehören:
Struktur: Das integrierte Druckgussgehäuse und die vollständig verschweißte Innenstruktur verbessern die mechanische und elektrische Leistung und verhindern Fehlfunktionen in Umgebungen mit starken Vibrationen. Diese Steckverbinder entsprechen dem Standard M24308 (MIL-DTL-24308). Seine mit Glasfasern gefüllte Polyesterschale erfüllt außerdem die Flammschutznorm UL 94 V-0.
Elektrische Beständigkeit: Diese Steckverbinder halten Blitzeinschlägen bis zu DO-160 Level IV und transienten Wechselstrom-Umgebungsbedingungen im Teststandard für Onboard-Hardwareumgebungen stand.
Elektrische Filterung: Mithilfe einer Pi-Konfiguration mit drei Elementen (Kondensator, Induktivität und Kondensator) kann der Filter hochfrequentes Rauschen von Strom- und Signalleitungen absorbieren. Seine steile Dämpfungsflanke hilft, breitbandige EMI zu unterdrücken.
Einspeisekondensatoren: Um eine unnötige Signalübertragung am Verbindungspunkt zu verhindern, sorgen Einspeisekondensatoren für einen Erdungspfad mit niedriger Impedanz. Diese Kondensatoren können leitungsgebundene Strahlung effektiv reduzieren, insbesondere in abgeschirmten Gehäusen, wo herkömmliche Kondensatoren eine schlechte Leistung erbringen.
Induktive Komponenten (Ferrit, Ringspulen): Diese Komponenten absorbieren hochfrequente Energie und geben sie in Form von Wärme ab, wodurch eine versehentliche Kopplung minimiert wird.
Die Grenzfrequenz der EMI-Filterung kann vom Benutzer ausgewählt werden, da diese Steckverbinder ein breites Spektrum an Kapazitätswerten bieten, was einem breiten Spektrum an Grenzfrequenzen und damit verbundenen Einfügungsverlusten entspricht (Abbildung 2).