Steckverbinder - Grund für EMV-Probleme. Burst-Test am Bus-Interface System

In diesem Video wird die Störfestigkeit eines Steckverbinders für ein Bus-Interface getestet. Besonders die Übertragung von empfindlichen Datensignalen soll heutzutage ohne Fehler erfolgen. Hier sind die Schwachstellen meist die verwendeten Steckverbinder. 4:33 min

Zum Produkt: MP CI set - Koppelinduktivitätsmessplatz
Der Koppelinduktivitätsmessplatz MP CI set dient zur Ermittlung der EMV-Eigenschaften von Steckverbindern und Kabeln. Die Koppelinduktivität beschreibt die Stärke der Verkopplung von externen Störgrößen auf der Schirmung oder der Masse mit den Nutzsignalen.

Zusammenfassung

Der Steckverbinder des Bus-Interfaces ist ein Pfostensteckverbinder im Rastermaß 2,5mm. Er befindet sich auf einer Testbaugruppe. In die Testbaugruppe wird mit einem Burst-Generator 2 kV Burst-Spannung eingespeist. Diese Burst-Spannung entspricht dem Normwert für Automatisierungsanlagen. Zur Auswertung sind ein Oszilloskop und ein Laptop angeschlossen. Das Oszilloskop ist über eine 50 Ohm Leitung und über Lichtwellenleiter mit dem Bus-Interface verbunden.
An die Signalleitung des Bus-Interfaces ist ein Sensor angeschlossen. Im Sensor befindet sich ein VHC-IC. Er empfängt die Signale des Bus-Interfaces. Das Signal wird ebenfalls durch einen Messteiler gemessen und einer 50 Ohm Leitung zum Oszilloskop übertragen.
Das Ausgangssignal des VHC-ICs wird in Lichtsignale umgewandelt und mit LWL zum Oszilloskop übertragen. Der VHC-IC bildet die Störschwelle im Bus-Interface. Wenn Störspannungen im Bus-Interface die Störschwelle des VHC-ICs überschreiten, wandelt der IC die Störungen in ein Störsignal.

Die Testbaugruppe befindet sich auf einer Massefläche, damit die Störauskopplung in die Umgebung in Grenzen gehalten wird. Der Burstgenerator ist über ein Kabel mit der Testbaugruppe verbunden. Die Testbaugruppe ist auf der linken Seite mit der Massefläche kontaktiert. Der Stromkreis wird über den Masseanschluss des Burstgenerators mit der Massefläche geschlossen.
Die Signalübertragung wird über den Lichtwellenleiter entkoppelt. Die Ferrite auf der massiven 50-Ohm Leitung entkoppeln die Leitung. Die 50 Ohm Leitung wird zum Schutz des Oszilloskops durch die Filterplatte geführt. Das Oszilloskop und der Laptop stehen auf der Filterplatte.
Man kann das Schirmzelt über der Filterplatte schließen, wenn die Störungen aus dem Testaufbau zu groß werden sollten. In diesem Fall ist die Beeinflussung nicht so groß. Das Schirmzelt kann geöffnet bleiben.

Testablauf:

Der Störimpuls des Generators fließt durch die Baugruppe über den Bus-Steckverbinder (Pfostensteckverbinder) zur Massefläche ab. Als einfachste Anordnung befindet sich im Pfostensteckverbinder ein Signalstift und ein Massestift. Der Abstand beträgt 6 Raster (2,5 mm) vom Massestift zum Signalstift. Der Störstrom fließt über den Massestift. Am Massestift des Pfostensteckverbinders entsteht ein Magnetfeld. Es induziert im Signalstift eine Spannung. Diese Spannung gelangt an den Eingang des VHC-Schaltkreises im Sensor. Als Nutzsignal wird im Signalstift des Pfostensteckverbinders ein 0,5 MHz Taktsignal übertragen. Das Signal hat eine Periodendauer von 2 µs. Das heißt die Datenphase high hat die Zeitdauer von 1 µs und die Datenphase low hat ebenfalls die Zeitdauer von 1 µs.
Wenn der Störimpuls des Burst-Generators in die Baugruppe eingespeist wird, sehen wir im Oszilloskop das Ergebnis. Der Störimpuls am Eingang des VHC-IC (Kanal gelb) trifft auf die Datenphase low. Der vordere Teil des Störimpulses ergibt einen Spannungsausschlag nach unten. Das hat keine Auswirkungen auf das Ausgangssignal des VHC-ICs (Kanal rot).
Im hinteren Teil des Störimpulses steigt die Spannung an und überschreitet die Störschwelle des VHC-Schaltkreises. Für die Zeitdauer der Störschwellenüberschreitung wird am optischen Ausgang des VHC-Systems ein Fehlersignal erzeugt. Das Fehlersignal ist einige 10 ns breit. Bei einem 1000 ns breiten Datenbit führt das kaum zum Fehler, da das Datensystem im Normalfall mehrfach abgetastet wird. Bei einem 50MHz System würde der Fehler allerdings ein ganzes Bit überdecken und das System könnte durch die Störspannung beeinflusst werden. Einzelbitfehler können durch Fehlererkennungs- und Korrekturmechanismen leicht beherrscht werden. Bei Mehrbitfehlern und hohen Fehlerdichten können diese Mechanismen versagen.

Fazit:

Bei der Entwicklung von Bus-Interface Systemen hat die EMV von Steckverbindern existentielle Bedeutung. Die Steckverbinder müssen für die Lebensdauer des Produktes kompatibel bleiben. Wenn es sich später herausstellt, dass die Steckverbinder EMV-Schwachstellen besitzen, ist aus Kompatibilitätsgründen eine Änderung des Steckers nicht mehr möglich. Das Produkt krankt für den Rest seines Lebens am EMV-Problem des Steckverbinders.

Zum Produkt: MP CI set - Koppelinduktivitätsmessplatz