Der richtige Steckverbinder kann sowohl abgestrahlte als auch leitungsgebundene EMI zähmen.

Elektromagnetische Interferenzen (EMI) sind eine frustrierende und oft unvermeidbare Realität in vielen Systemdesigns. Sie sind allgegenwärtig und schädlich, und ihre Auswirkungen verschlimmern sich mit steigender Betriebsfrequenz. Sie kann durch die Luft ausgestrahlt oder über Signal- und Stromleitungen geleitet werden, die sie dann in den Stromkreis einspeisen oder als Antennen zur Übertragung dienen.

Wenn ein Produkt elektromagnetische Störungen verursacht oder ausstrahlt (der „Aggressor“), kann es die Funktion benachbarter Systeme beeinträchtigen, zum Versagen von Konformitätsprüfungen beitragen und sogar die Markteinführung verhindern. Im Gegensatz dazu kann ein Produkt, das in der entgegengesetzten Rolle als beabsichtigter oder unbeabsichtigter Empfänger von EMI (als „Opfer“) auftritt, unter unerklärlichen und sporadisch auftretenden Störungen, Ausfällen und Inkonsistenzen leiden.

Diese Probleme können lebensbedrohlich sein, wie beispielsweise in einem Flugzeug oder Krankenhaus, kostspielig, wie beispielsweise in einer Produktionslinie, oder leicht humorvoll, wie im Fall meines drahtlosen Fahrradtachos. Der Tachometer arbeitet im 432-Megahertz-Band (MHz) und zeigt aus irgendeinem Grund auf einer 100-Yard-Strecke zwischen einem abgelegenen Haus und den nahe gelegenen Amtrak-Gleisen mit 20-Kilovolt-Oberleitungen durchweg 65 bis 85 Meilen pro Stunde (MPH) an.

Minimierung der Auswirkungen von EMI

Die Reduzierung oder Beseitigung der EMI-Quelle oder ihrer Auswirkungen kann sowohl einfach als auch schwierig sein. Die grundlegenden Schritte umfassen eine ausreichende Erdung, eine gründliche Abschirmung, eine ordnungsgemäße Überbrückung und natürlich die Verwendung von Filtern. Über diese Schritte hinaus gilt oft die übliche „80/20“-Regel: Die Beseitigung von 80% erfordert 20% des Aufwands; die Beseitigung der verbleibenden 20% kann leicht 80% der Arbeit ausmachen.

Jede Öffnung in einem Gehäuse, wie beispielsweise die für einen Stecker und eine Buchse erforderliche Öffnung, ist eine Lücke, durch die EMI-Energie in beide Richtungen hindurchtreten kann. Wenn die EMI jedoch ausschließlich auf abgestrahlte Energie zurückzuführen ist, lässt sich das Problem mit einem abgeschirmten Steckverbinder lösen.

Dieses Problem wurde bereits vor Jahrzehnten gelöst, beginnend mit der Verwendung von Koaxialkabeln und den klassischen SO-239- und PL-259-Buchsen und -Steckern sowie der BNC-Serie. Diese vollständig abgeschirmten HF-Steckverbinder können jedoch nur ein Signal pro Steckverbinder übertragen und sind nicht für Gleichstrom und Nicht-HF-Signale geeignet.

Eine gute Alternative ist die Rückkehr zu einem Steckverbindertyp, der einst für Kommunikationsverbindungen und andere Schnittstellen vorherrschend war: der D-Subminiatur-Steckverbinder (D-Sub) (Abbildung 1) von Unternehmen wie Molex. Vor der Einführung von USB- und Parallelanschlüssen verwendeten Ingenieure und viele Verbraucher diesen Stecker in seiner 9-poligen Version (als DB-9 bezeichnet) als Verbindung für das serielle RS-232-Protokoll.

Abbildung 1: Die weit verbreitete, robuste D-Sub-Steckverbinder- und Adapterserie ist in einer Vielzahl von Kontaktpositionen, elektrischen Nennwerten, EMI-Filterbandbreiten und physikalischen Anschlüssen erhältlich; Pi-Filter dienen zur Unterdrückung leitungsgebundener EMI. (Bildquelle: Molex)

USB und Ethernet haben die Rolle von RS-232 weitgehend übernommen, sodass das Protokoll heute vor allem in älteren Systemen zu finden ist und in neuen Designs nur noch selten verwendet wird. Der D-Sub-Stecker wird jedoch immer noch genutzt. Es gibt viele Gründe für seine Langlebigkeit:

• Das lückenlose Metall-auf-Metall-Design bietet eine 100%-Abschirmung um die Drähte herum.
• Er ist mechanisch robust und ermöglicht die Verwendung von Pfosten und Nivellierschrauben für eine sichere Verriegelung zwischen den zusammenpassenden Paaren.
• Versionen mit 9, 15, 25, 37 und 50 Kontakten sind erhältlich.
• Er wird mit einer Vielzahl von Anschlüssen angeboten, darunter Lötkelchen und gerade oder rechtwinklige Pins.

Wenn Abschirmung allein nicht ausreicht

Die Abschirmung des D-Sub-Steckverbinders behebt das Problem der abgestrahlten EMI-Energie, löst jedoch nicht das Problem der leitungsgebundenen EMI. Hier kommt die Molex-Produktfamilie der EMI-gefilterten, leistungsstarken D-Sub-Pi-Adapter und -Steckverbinder (siehe Abbildung 1) als attraktive Lösung ins Spiel.

Diese Steckverbinder verfügen über EMI-Filter in ihren Kontakten, sodass kein zusätzlicher Platz oder Komponenten auf der Leiterplatte erforderlich sind. Sowohl geerdete als auch isolierte Leitungen befinden sich im selben Steckverbinder, um weiteren Platz zu sparen. Sie sind in einer Vielzahl von mechanischen Konfigurationen und Anschlüssen erhältlich.

Die integrierten Filter verhindern, dass leitungsgebundene EMI durch das Steckverbinderpaar gelangen, und dämpfen so EMI in kritischen Situationen, beispielsweise bei Triebwerkssteuerungen in Flugzeugen, Bordfunkgeräten, Bildgebungsgeräten, Computern und vielen anderen Anwendungen.

Die wichtigsten Merkmale der Adapter und Steckverbinder sind:

• Konstruktion: Die einteilige Druckgussschale und die vollständig verlötete Innenstruktur verstärken sowohl die mechanische als auch die elektrische Leistung und verhindern Ausfälle in Umgebungen mit starken Vibrationen. Die Steckverbinder sind mit dem Standard M24308 (MIL-DTL-24308) kompatibel. Ihr glasgefüllter Polyesterkörper erfüllt außerdem die Brandschutznorm UL 94 V-0.
• Elektrische Robustheit: Die Steckverbinder halten Blitzschlägen und Wechselstrom-Transienten bis zum DO-160-Level IV für Umweltprüfungen von Luftfahrtausrüstung stand.
• Elektrische Filterung: Mithilfe einer Dreielement-Pi-Konfiguration (Kondensator, Induktivität und Kondensator) absorbieren die Filter hochfrequente Störsignale in Stromversorgungs- und Signalleitungen. Ihre steile Dämpfungskurve unterstützt die Unterdrückung breitbandiger EMI.
• Durchgangskondensatoren: Um unerwünschte Signalübertragungen an Verbindungspunkten zu verhindern, bieten Durchgangskondensatoren einen niederohmigen Pfad zur Erde. Sie reduzieren leitungsgebundene Emissionen wirksam, insbesondere in abgeschirmten Gehäusen, wo herkömmliche Kondensatoren versagen.
• Induktive Elemente (Ferrite, Ringkerne): Diese Elemente absorbieren hochfrequente Energie und leiten sie als Wärme ab, wodurch ungewollte Kopplungen minimiert werden.

Die EMI-Filter-Grenzfrequenz wird vom Anwender ausgewählt, da diese Steckverbinder mit einer Vielzahl von Kapazitäten und damit Grenzfrequenzen sowie den dazugehörigen Einfügungsverlusten angeboten werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Anwender der EMI-gefilterten, leistungsstarken D-Sub-Pi-Adapter und -Steckverbinder können aus einer Reihe von Parametern wählen, um die Anforderungen ihrer Anwendung zu erfüllen. (Bildquelle: Molex)

Die Kontakte haben einen maximalen Widerstand von 10 Milliohm (mΩ) und sind für bis zu 5 Ampere (A) (HF-Strom von 0,3 A) ausgelegt, mit einer Nennbetriebsspannung von 50 oder 100 Volt, je nach Modell.

Zwei Beispiele aus vielen Möglichkeiten

Um den Anforderungen von Entwicklern hinsichtlich einer bestimmten Anzahl von Kontaktpositionen, Grenzfrequenzen und Befestigungsoptionen gerecht zu werden, umfasst diese Molex-Produktfamilie Steckverbinder und Adapter mit 9 bis 50 Kontaktpositionen, mehreren Kapazitäten und verschiedenen Anschlussarten.

Beispielsweise ist der 0732843041 (Abbildung 3, links) ein 9-poliger Buchsensteckverbinder mit Kapazitätsoptionen von 100 bis 4000 Picofarad (pF) und Lötkelchanschlüssen für den direkten Drahtanschluss. Eine weitere Option ist der 0732840290 (Abbildung 3, rechts), ein 25-poliger Stecker mit denselben Kapazitätsoptionen, jedoch mit zwei Reihen rechtwinkliger Pin-Anschlüsse zum direkten Löten auf eine Leiterplatte.

Abbildung 3: Der 9-polige Buchsensteckverbinder 0732843041 (links) verfügt über Lötkelche zum Anschluss einzelner Drähte; der 0732840290 ist ein 25-poliger Stecker (rechts) mit zwei Reihen rechtwinkliger Pin-Anschlüsse zum Löten auf eine Leiterplatte. (Bildquelle: Molex)

Fazit

Erfahrene Ingenieure wissen, dass Steckverbinder für den Erfolg eines Produkts genauso wichtig sind wie alle anderen aktiven oder passiven Komponenten. Die EMI-gefilterten, leistungsstarken D-Sub-Pi-Adapter und Steckverbinder von Molex bieten mehr als nur Kontinuität. Sie können eine erhebliche Dämpfung von abgestrahlten und leitungsgebundenen elektromagnetischen Störungen bewirken. Auf diese Weise reduzieren sie Designunsicherheiten und unerwünschte EMI-Überraschungen.

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2: Eindämmung von EMI und RFI

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3: Was sind EMV und EMI?

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4: Eine Einführung in die EMI- und EMV-Vermessung von Stromversorgungen - Teil 1: Geleitete EMI

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5: Eine Einführung in die EMI- und EMV-Vermessung von Stromversorgungen - Teil 2: Abgestrahlte EMI

https://www.digikey.de/de/blog/an-intro-to-emi-and-emc-measurement-of-power-supplies-pt-2