In einigen Bereichen wie in der Fahrzeugtechnik und der Raumfahrt haben Techniker mit hohem Aufwand Designs entwickelt, um unerwünschte Emissionen und Interferenzen aus anderen Quellen zu minimieren. Da inzwischen immer mehr Schaltungen auf kleinerem Raum untergebracht werden und über das Internet der Dinge (IoT) praktisch alle Geräte an das Internet angeschlossen werden können, gewinnt das Problem der elektromagnetischen Verträglichkeit in vielen Anwendungen an Bedeutung.
Je nach Frequenzspektrum der Störung (Breitband, Impuls oder Transiente, ESV usw.) und Kupplungsmechanismus (Strahlung oder Leitung) werden unterschiedliche Techniken eingesetzt, um EMV-Effekte wie Erdung, Abschirmung, Filterung zu reduzieren, und das Leiterplatten-Layout wird sehr sorgfältig geplant.
Zur Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber leitungsbedingten Störungen (z. B. durch Kabelbaum oder Stromkabel) hat es sich als wirksam erwiesen, die Störung direkt an der Stelle am Steckverbinder zu beheben, an der sie in den Schaltkreis eintritt. Ein Filtersteckverbinder ist eine Kombination aus einem Standardsteckverbinder und Komponenten zur EMS-/RFI-Unterdrückung zur Behebung von EMV-Problemen. Da sich die Filterelemente im Steckverbinder selbst befinden, wird der funktionale Leiterplattenbereich auf ein Minimum begrenzt und im Vergleich zu Standard-Steckverbindern und separaten Filterkomponenten Gewicht eingespart.
Ein Filter-Steckverbinder spart Platz, ist designtechnisch flexibel, reduziert Kosten und lässt sich bequem an vorhandene Systeme und schnelle Systemaktualisierungen anpassen. Filter-Steckverbinder haben u. a. folgende Vorteile:
- Geringe Erdimpedanz: Eine Grundplatte und eine Metallummantelung sorgen für eine minimale Erdimpedanz und herausragende Leistung im Vergleich zu auf Leiterplatten montierten Filtern.
- Vermeidung von Abstrahlung: Mit einem Filter-Steckverbinder an der Schnittstelle können Störungen den Filter nicht umgehen.
- Grundplatten-Abschirmung: Filter-Steckverbinder-Grundplatten schützen das Gehäuse, auch am Anschluss des Steckverbinders.
- Effiziente Raumnutzung: Filter am Steckverbinder sorgen für mehr Platz auf der Leiterplatte.
- Konsistente Leistung: Filter-Steckverbinder ermöglichen eine konsistentere Leistung zwischen den Stiften.
- Weniger Komponenten: Die geringere Komponentenzahl führt zu Kostenersparnissen.
Konstruktion eines Filter-Steckverbinders
Ein Filter-Steckverbinder enthält einen integrierten Filter, welcher aus zusätzlichen Kondensatoren und Ferritinduktoren besteht. Die drei gängigsten Kondensatortypen sind: der Keramikchipkondensator (siehe unten), der Röhrenkondensator um den Steckverbinderstift sowie der planare Kondensator (in Arrays).
Ein planares Kondensator-Array besteht einer Keramikscheibe oder einem Rechteck aus Bariumtitanat, ein gängiges Substrat für die Kapazität auf jeder Leitung eines Kondensators. Die Kapazitätswerte können auch auf Erdungs- und Durchführungsleitungen unterschiedlich ausfallen. Der standardmäßig verfügbare Kapazitätsbereich liegt zwischen 500 pF und 100.000 pF. Das Kondensator-Array bildet zudem eine kontinuierliche Grundplatte an der Schnittstelle des Steckverbinders.
Der Ferritinduktor kann entweder in Form einer Ferritperle um den Steckverbinder-Stift oder eines Ferritblocks vorliegen, der alle Stifte umgibt. Ferritperlen erzeugen eine Induktanz zwischen 0,5 uH und 5 uH bei 10-100 Ohm in der äquivalenten Schaltung.
Abbildung 1: “C” Konstruktion eines Filter-Steckverbinders. (Quelle: Amphenol)
In Abbildung 1 ist der innere Aufbau eines Filter-Steckverbinders im D-Subminiaturformat zu sehen. Dieser Steckverbinder enthält einen Filter des Typs “C”. Hierbei handelt es sich einfach um einen Kondensator mit Verbindung zu Stift und Masseverbinder.
Filterauswahl
Die Auswahl einer bestimmten Filterschaltung hängt von den erforderlichen Einfügungsdämpfungseigenschaften, der Systemquelle und den Lastimpedanzen ab. Die einfachste Lösung ist der Typ mit einem Element wie der “C” oder “L”-Filter; sogenannte C2-Filter mit zwei parallelen Kondensatoren sind ebenfalls geläufig.
Für komplexere Filteraufgaben können auch Filter aus mehreren Elementen wie “PI”- oder “T”-Filter verwendet werden. Je nach Anordnung der Komponenten sind Tiefpassfilter, Hochpassfilter, Bandpassfilter oder Bandsperr-Filter möglich.
In Abbildung 2 werden verschiedene Filtertypen und die zugehörigen Anwendungen miteinander verglichen.
Abbildung 2: Vergleich von Filtertypen (Quelle: Amphenol)
Komplexere Filter führen natürlich auch zu komplexeren Filter-Steckverbinder-Konstruktionen. Unten ist ein komplexer LC-Filter abgebildet. Es handelt sich um einen ARINC-Steckverbinder für den Einsatz in der Avionik.
Abbildung 3: ARINC-Filter-Steckverbinder. (Quelle: Amphenol)
Entscheidende Faktoren für die Leistung von Filter-Steckverbindern
Viele Betriebsfaktoren können sich auf die Leistung des Steckverbinder-Filters auswirken und sollten entsprechend während des Auswahlprozesses berücksichtigt werden:
- Betriebsspannung: Die Dielektrizitätskonstante eines Kondensators steigt in Abhängigkeit von der angelegten Wechselspannung und führt zu einer Minderung der Leistung des Kondensators und damit des Filters. Die Größe der Änderung hängt von der Art des verwendeten keramischen Materials, der dielektrischen Dicke und der angelegten Wechselspannung ab.
- Betriebsspannung: Ein Anstieg der Betriebsspannung führt zu einer magnetischen Sättigung der induktiven Elemente (Ferrite), sodass sich Filter mit Ferritinduktionen (Typen PI, LRC, CLR und T) wie “C”-Filter verhalten, wenn sich das Ferrit dem gesättigten Zustand nähert.
Betriebstemperaturbereich: Kapazität und Einfügungsdämpfung werden in der Regel bei einer Referenztemperatur von 25° C angegeben, Der Temperaturkoeffizient der Kapazität (TCC), welcher entweder in Teilen pro Million (ppm), pro °C oder als maximaler Prozentsatz angegeben wird, beschreibt die maximale Veränderung des Kapazitätswerts über einen festgelegten Temperaturbereich. Gängige dielektrische Materialien weisen zwischen -55° C und +125° C TCCs von +/-15 Prozent auf.
Filterverbinder für die Transientenunterdrückung
Während herkömmliche Steckverbinder von Entstörfilter einen effektiven Schutz vor Transienten mit niedriger Energie leisten, so bieten sie nur wenig Schutz vor Hochspannungs-/hochenergetischen Transienten, welche durch Blitzschlag, Lastschaltungen, elektrostatische Entladungen oder elektromagnetische Impulse entstehen können.
Bei Anwendungen, welche einen Schutz empfindlicher Schaltungen vor solchen Überspannungsereignissen erfordern, können in das Steckverbindergehäuse Zener-Unterdrückungsdioden oder Metalloxid-Varistoren (MOV) mit oder ohne Entstörfilterungen integriert werden.
Ein MOV ist nichtlinear, symmetrisch und bipolar. Er leitet bei geringen Spannungswerten nur sehr wenig Strom, oberhalb der Durchschlagspannung bleibt die Spannung des Geräts relativ konstant, da Energie an ein reichlich vorhandenes Metalloxid abgegeben wird. Dadurch verdampft der Varistor sowohl positive als auch negative Hochspannungstransienten.
Durch die Integration des Geräts zur Transientenunterdrückung in den Steckverbinder ergibt sich eine verbesserte Bemessungsspannung im Vergleich zu einer separaten Lösung, da hier kein parasitärer Widerstand oder eine Induktanz durch die Komponenten auf der Platine entsteht.
AC-Leitungsfilter
Eine unserer gängigen Forderungen lautet, Störungen in Verbindung mit der über die Wechselstromleitung gespeisten Ausrüstung abzuschwächen. In diesem Fall ist die EMS in beide Richtungen abzuschwächen. Die leitungsgeführten Emissionen müssen auf ein Niveau herabgesetzt werden, das den gesetzlichen Vorschriften wie FCC Part 15 entspricht, welche unbeabsichtigte Emissionen abdeckt. Die leitungsgebundenen Störungen dürfen nicht dazu führen, dass eingehende EMS unerwünschtes Betriebsverhalten verursachen.
Für diesen Zweck stehen spezielle Steckverbinder mit integrierten AC-Leitungsfiltern zur Verfügung. Dieser Filter vom Typ LRC hat meist einen IEC-Formfaktor und ist in der Lage, differentielle und Gleichtakt-EMS abzuschwächen.
Verfügbarkeit von Filter-Steckverbindern
Arrow Electronics bietet über 1.750 Filter-Steckverbinderoptionen an, darunter runde, D-Subminiatur-, Strom- und- Telekommunikationsverbinder sowie gefilterte Anschlussblöcke an.