Eine Schaltung, die auf dem Labortisch funktioniert, ist noch nicht fertig. Sie darf andere Geräte nicht stören – kein Rauschen im Radio, keine Aussetzer im WLAN – und sie muss selbst unempfindlich genug sein, um neben einem Handy, einem Motor oder nach einer elektrostatischen Entladung weiterzulaufen. Beides zusammen nennt man elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Viele EMV-Probleme entstehen schon beim Entwurf – und lassen sich dort am billigsten vermeiden.
Zwei Seiten der EMV
- Störaussendung (Emission): Wie viel Störenergie gibt das Gerät über Leitungen und als Strahlung ab?
- Störfestigkeit (Immunität): Wie gut verträgt das Gerät Störungen von außen – etwa Funkfelder, schnelle Transienten auf Leitungen, Spannungseinbrüche oder ESD?
In der EU regelt die EMV-Richtlinie 2014/30/EU, dass elektrische Geräte beide Anforderungen erfüllen müssen. Verantwortlich ist der Hersteller: Er führt die Konformitätsbewertung durch – selbst oder mit einem externen Prüflabor –, erstellt eine technische Dokumentation als Nachweis und bestätigt die Konformität mit der CE-Kennzeichnung. Geprüft wird nach harmonisierten Normen, etwa EN 55032 (Störaussendung von Multimediageräten), EN 55035 (deren Störfestigkeit, Nachfolgerin der EN 55024) und der Reihe EN 61000 – darin zum Beispiel EN 61000-3-2 mit Grenzwerten für Oberschwingungsströme von Geräten bis 16 A je Leiter. Die Pflicht endet nicht mit der ersten Prüfung: Auch spätere Serien und geänderte Versionen müssen die Anforderungen erfüllen.
Quelle, Kopplung, Senke
Jedes EMV-Problem besteht aus drei Teilen: einer Störquelle (etwa ein Schaltregler mit schnellen Flanken), einem Kopplungsweg und einer Störsenke (etwa ein empfindlicher Analogeingang). Um das Problem zu lösen, setzt du an mindestens einem der drei an.
Es gibt vier Kopplungswege:
| Kopplung | Ursache | typisches Beispiel | Abhilfe |
|---|---|---|---|
| galvanisch | gemeinsamer Leitungsabschnitt | Laststrom erzeugt Spannungsabfall auf gemeinsamer Masse | getrennte Rückleiter, niederohmige Massefläche |
| kapazitiv | elektrisches Feld | Taktleitung neben hochohmigem Eingang | Abstand, Masse dazwischen, Schirmung |
| induktiv | magnetisches Feld | große Stromschleife eines Schaltreglers | kleine Schleifenflächen, Abstand |
| Strahlung | elektromagnetische Welle | Kabel wirkt als Antenne | Filter, Schirmung, kurze Leitungen |
Warum schnelle Flanken stören
Ein digitales Signal ist nicht nur „ein Rechteck mit 10 MHz“. Entscheidend für das Störspektrum ist die Anstiegszeit tr der Flanken. Eine grobe Faustformel für die höchste nennenswerte Frequenz lautet:
Daraus folgt eine der einfachsten EMV-Maßnahmen: Flanken nicht schneller machen als nötig. Viele Mikrocontroller erlauben, die Treiberstärke der Ausgänge zu reduzieren; ein kleiner Serienwiderstand (22 bis 100 Ω) direkt am Ausgang verlangsamt die Flanken und dämpft Reflexionen.
Maßnahmen im Platinenentwurf
Die meisten EMV-Eigenschaften werden im Layout festgelegt. Bewährt haben sich:
- Durchgehende Massefläche. Eine ungeteilte GND-Lage unter den Signalen bietet jedem Signal einen Rückweg direkt unter der Leiterbahn. Bei hohen Frequenzen sucht sich der Rückstrom genau diesen Weg mit der kleinsten Schleifenfläche. Schlitze in der Massefläche zwingen ihn zu Umwegen und machen die Schleife groß.
- Kleine Stromschleifen. Die abgestrahlte Leistung wächst mit der Fläche der Schleife, die Hin- und Rückstrom aufspannen. Das gilt besonders für den Schaltknoten von Schaltreglern: Eingangskondensator, Schalter und Diode gehören eng zusammen.
- Abblockkondensatoren. Jeder IC-Versorgungspin bekommt einen Kondensator (typisch 100 nF, oft ergänzt durch 1 bis 10 µF), so nah wie möglich am Pin und mit kurzer Verbindung zur Masse. Er liefert die kurzen Stromspitzen beim Schalten lokal, statt sie über lange Leitungen zu holen.
- Filter an Schnittstellen. Ferritperlen, Gleichtaktdrosseln und RC-Glieder an Steckern halten Störungen auf beiden Wegen auf – hinein und hinaus. ESD-Schutzdioden gehören direkt hinter den Stecker.
- Leitungsführung. Schnelle Signale kurz halten, nicht an der Platinenkante entlangführen und nicht parallel zu empfindlichen Analogleitungen.
Abschirmung, Erdung und Gehäuse
Reicht das Layout nicht, helfen Abschirmungen: Metallgehäuse, Schirmbleche über HF-Teilen oder geschirmte Kabel. Ein Schirm wirkt nur, wenn er niederohmig und großflächig mit Masse verbunden ist – ein Kabelschirm, der über eine lange „Sauschwanz“-Litze angeschlossen ist, verliert bei hohen Frequenzen viel von seiner Wirkung. Ebenso wichtig ist ein durchdachtes Erdungs- und Massekonzept: Gehäuse, Schirme und Filter brauchen einen definierten, niederohmigen Bezug, über den Störströme und elektrostatische Ladungen abfließen können, ohne durch die empfindliche Schaltung zu laufen. Öffnungen im Gehäuse müssen klein gegen die Wellenlänge der Störfrequenz sein (siehe Wellen und Spektrum).
Selbsttest
Welche zwei Anforderungen umfasst die EMV?
Geringe Störaussendung und ausreichende Störfestigkeit.
Warum sollte ein Abblockkondensator möglichst nah am Versorgungspin sitzen?
Damit die Stromschleife für die schnellen Schaltströme klein bleibt – kleine Schleifen strahlen weniger ab und haben weniger Induktivität.
Bis zu welcher Frequenz reicht das Spektrum eines Signals mit 1 ns Anstiegszeit ungefähr?
Etwa 0,35 / 1 ns = 350 MHz.