Der Einsatz von Filtern und der notwendige Schutz vor EMI/RFI Störeinflüssen
Diskreter Aufbau vs. Modular-Jacks mit integrierten Filter für Ethernet-Anwendungen
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH
Über Kabel ist die Einkoppelung elektromagnetischer Störungen gängig. Diese Einkoppelung erfolgt im Allgemeinen über Schleifen, die durch die Kabel gebildet werden. Hierbei spielt die Anordnung eine große Rolle, da eine Schleife sich auch über das Kabel, die Länge und gegebenenfalls den dazwischenliegenden Kapazitäten ausbilden kann.
Die Beaufschlagung von Nutzsignalen mit Störungen führt im Allgemeinen zu einem Verlust der sogenannten Signalintegrität. Die Störungen verfälschen das Nutzsignal zu stark und können Datenverluste und Verzerrungen verursachen. Dies äußert sich in einer verminderten Übertragungsrate oder auch hörbaren Verzerrungen bei z.B. Sprachübertragungen.
Mögliche Schleifenbildung in Leitungsanordnungen (Quelle: TDK/Epcos)
Schematische Darstellung eines veränderten Signals aufgrund Rauschens (Noise, Quelle: Samtec)
Modular-Jack-Buchsen werden normalerweise mit Steckverbindern kontaktiert, an denen über Netzwerkkabel in einem Ethernet-Netzwerk Daten zugeführt werden. Netzwerkkabel sind darauf ausgelegt, die Einkoppelung elektromagnetischer Störungen weitestgehend zu vermeiden. Dazu sind die 4 Aderpaare jeweils verdrillt, um die Fläche einer Schleife zu minimieren, da sich zu der Fläche gemäß dem Induktionsgesetz die eingekoppelte Störspannung proportional verhält. Darüber hinaus sind die Aderpaare einzeln und auch alle 4 Aderpaare mit einem Drahtgeflecht geschirmt, um die elektromagnetischen Störungen weiter zu reduzieren.
Dennoch: Besonders in Industrieumgebungen können die Störpotentiale recht hoch sein. Gepaart mit der Länge und Ausbreitung von Ethernet-Netzwerken ist eine Filterung und Entstörung notwendig, um die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der Ethernet-Netzwerke zu verbessern. Es ist auch wichtig, die Verbindung galvanisch zu entkoppeln und Potentialunterschiede zu vermeiden.
Die Filterung und Entstörung wird vorrangig mit induktiven Bauelementen bewerkstelligt. Im Englischen werden diese Bauelemente auch gerne als „magnetics“ bezeichnet, da ihre Grundlage auf der Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und Elektrizität beruht. Das Filter befindet sich idealerweise unmittelbar an der Buchse auf der Platine.
Schema eines typischen Filters im Anschluss einer Modular-Jack-Buchse (Quelle: Kycon)
Ein typisches Filter besteht aus etwa 10 Komponenten. Von der Kabelseite kommend durchläuft das Signal erst einmal stromkompensierte Drosseln um Gleichtaktstörungen (common mode) zu bekämpfen (1). Anschließend wird das Signal mit einem HF-Übertrager galvanisch getrennt, wodurch ebenfalls eine weitere Dämpfung hochfrequenter Störungen erfolgt (2). Ein Kondensator, der mit der Masse verbunden ist, dämpft die Gegentaktstörungen (differential mode) (3). Eine richtige Anpassung mit Hilfe von Abschlusswiderständen (4) unterstützt die Signalintegrität. Wenn die Leitung nicht richtig angepasst ist, kann dies zu Über- und Unterschwingern im Signal führen.
Die Notwendigkeit eines Filters im Anschluss einer Modular-Jack-Buchse ist unbestritten – bleibt die Frage wie es umgesetzt wird. Hier gibt es zwei Möglichkeiten: Der diskrete Aufbau mit den einzelnen Bauelementen oder eine Modular-Jack-Buchse, in der die Komponenten integriert sind. Im Folgenden die Aspekte, die bei einer Wahl zu bedenken sind:
Diskreter Aufbau mit einzelnen Bauelementen
- Gewährleistet eine hohe Flexibilität in Design und Auswahl der Bauelemente. So können spezifische Anforderungen an jede einzelne Komponente gestellt und erfüllt werden
- Bei Ausfall einzelner Komponenten ist es möglich Reparaturen durchzuführen
- Aufwand eines eigenen Designs und in Folge Bindung von Ressourcen
- Beschaffung, Bevorratung und Bestückung der einzelnen Komponenten
Modular-Jack-Buchse mit integrierten Komponenten
- Abstimmung der Filterkomponenten auf die spezifischen Anforderungen des Modular- Jacks gewährleistet eine optimale Leistung, zu der sich die Entwicklungsabteilung des Steckverbinderherstellers schon Gedanken gemacht hat
- Konformität mit dem verwendeten Netzwerkstandards, da die Filterkomponenten bereits darauf ausgelegt sind
- Reduzierung der Anzahl der Bauelemente auf eine Komponente mit vereinfachtem Handling in Folge hinsichtlich Lagerhaltung, Bestückung und Beschaffung
- Möglicherweise ein kompakteres Design, was besonders in platzkritischen Anwendungen von Vorteil ist.
Unterschiedliche Varianten Modular-Jack-Buchsen mit integrierten Filtern (magnetics) (Quelle: Kycon)
Offener Modular-Jack-Buchse mit Filterelementen (Quelle: Kycon)
Dem Nutzen stehen auch immer die Kosten gegenüber. Welche Variante kostengünstiger ist muss abgewägt werden. In die Bilanz sollten jedoch nicht nur die Kosten der Bauelementepositionen einfließen, sondern auch die Prozesskosten des Designs, der Lagerhaltung, Bestückung und Beschaffung. Im Fall der Modular-Jacks mit integrierten Filtern fallen diese Prozesskosten günstiger aus, da nur ein Bauelement zu handhaben ist und die Entwicklungsleistung mitgeliefert wird.
Bei der Wahl zwischen diesen beiden Optionen sollten die spezifischen Anforderungen des Projekts, der verfügbare Platz und die gewünschte Flexibilität berücksichtigt werden. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, und die Entscheidung hängt letztendlich von den individuellen Bedürfnissen ab.
