EMV – Kapazitives Übersprechen

Beim Übersprechen koppeln Signale in angrenzende Leitungen ein und können dort Probleme verursachen. Um Übersprechen zu verstehen betrachten wir die Signale auf der Leiterplatte und deren kapazitive Kopplung. Im nächsten Artikel betrachten wir die induktive Kopplung. Die Kombination aus beidem ist, was wir uns zum Schluss anschauen.

Betrachtet wird eine Stripline Konfiguration bei der die Leitungen in der der Leiterplatte liegen und eine GND als Referenzfläche darüber und darunter verläuft. Somit sind die induktiven Störeinflüsse und die kapazitiven Störeinflüsse gleich groß.

Stripline: GND auf beiden Seiten, Leiter verläuft in der Platine vergraben.

Bei der Microstrip Konfiguration liegen die Leiter auf der Außenseite der Platine, das ist die wahrscheinlichste Konfiguration bei 2 oder 4-Lagen Leiterplatten. Da hier das Dielektrikum ungleich ist, also FR4 (ɛ⁠r ≈ 4) und Luft (ɛ⁠r ≈ 1) ist die kapazitive Beeinflussung geringer.

Microstrip: GND Fläche als Referenz und Signale laufen darüber. Die Signale befinden sich an der Außenseite der Leiterplatte.

Kapazitive Kopplung

Bei der kapazitiven Kopplung werden in den beeinflussten Leiter Fehlerströme eingebracht. Leiter 1 und 2 haben eine kurze Beeinflussungsstrecke, hier mit einem C gekennzeichnet. Die beiden Leitungen haben Referenz auf GND und sind damit Kapazitiv miteinander verbunden. Leiter 1 ist der Aggressor und hat eine Signalflanke die sich von der Quelle (links) zur Senke (rechts) bewegt.

Das Signal (oben in blau) wechselt in Leiter 1 und verursacht einen Verschiebestrom durch die Kapazitäten. Dieser Strom fließt auch in Leiter 2.
Die Beeinflussung findet nur statt, wenn ein Verschiebestrom fließt, also wenn eine Signalflanke vorbei kommt.

Bei statischem Signal kommt es zu keiner Beeinflussung und die gekoppelte Störung wandert sowohl zur Quelle als auch zum Ziel. Sie bewegt sich in beide Richtungen!

Betrachten wir jetzt die Situation, wenn eine lange Koppelstrecke vorhanden ist. Hier dargestellt mit drei Kapazitäten:

Initial entspricht das Störsignal (obere grüne Kurve) dem der kurzen Koppelstrecke. Wenn jetzt die Signalflanke auf Leiter 1 weiter wandert, kombinieren sich die Störungen zu dem in der folgenden Abbildung gezeigten Störsignal

Der zur Senke wandernde Störimpuls wird mit dem neuen kombiniert und erhöht den Strom an dieser Stelle. Der zur Quelle wandernde Impuls wird länger, seine Amplitude steigt nicht. Er hat sich von der Beeinflussung bereits entfernt.

Je länger die Koppelstrecke ist, desto länger wird der zur Quelle laufende Störimpuls und desto größer wird der zur Senke wandernde Impuls.
Die nachfolgende Abbildung zeigt die wandernden Signale nachdem die Flanke in Leiter 1 die Koppelstrecke verlassen hat.

Die Störsignale wandern nun entlang der Signalleitung 2 zur Quelle (nach links) und zur Senke (nach rechts)

Im nächsten Artikel betrachten wir die induktive Kopplung und wo die Induktivität der Leitung Fehlerströme induziert.

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