Elektromagnetische Interferenzen (EMI) oder elektrisches Rauschen werden von allem möglichen erzeugt, von Mobiltelefonen bis zu Sonneneruptionen, und können eine genaue Signalübertragung genauso erschweren wie den Versuch, ein klares Gespräch in einem lauten Raum zu führen. Um die Signalklarheit in elektronischen Schaltkreisen zu verbessern, greifen Geräteentwickler auf EMI-Unterdrückungsfilter zurück.

Eine effektive EMI-Filterung ist für fast jedes moderne elektronische Gerät erforderlich, einschließlich Geräten, die ihre eigenen EMI erzeugen, sowie Geräten, die empfindlich auf EMI in ihrer Umgebung reagieren. Dies ist besonders wichtig bei hochzuverlässigen Anwendungen, die Signale mit geringerer Leistung verwenden und strenge Anforderungen an die Signaltreue stellen. Hochzuverlässige EMI-Filter sind darauf ausgelegt, die Leistungsanforderungen konstant zu erfüllen oder zu übertreffen, und sind für alle Branchen mit hohen Ausfallkosten von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise sind viele medizinische, militärische und Verteidigungsanwendungen auf hochzuverlässige Filter angewiesen, um die Signale genau zu senden und zu empfangen, die zur Gewährleistung der Sicherheit von Patienten und Soldaten oder zum Erfolg von Missionen erforderlich sind. Hochzuverlässige Filter spielen auch bei einer Reihe kommerzieller Anwendungen eine entscheidende Rolle, z. B. in der Instrumentierung, bei der Empfindlichkeit gegenüber Signalen mit geringer Leistung in einer lauten Umgebung erforderlich ist.

FILTEREIGENSCHAFTEN

Der Hauptzweck eines EMI-Filters besteht darin, die Übertragung ausgewählter Frequenzen eines bestimmten Signals zu unterdrücken. In den meisten Fällen reicht ein einfacher Tiefpassfilter aus, der ein niederfrequentes Signal durchlässt und unerwünschtes Rauschen mit höheren Frequenzen blockiert. Die Grenzfrequenz ist die Frequenz, bei der ein Filter beginnt, einen Teil des Signals zu dämpfen. Sie wird normalerweise als der Punkt definiert, an dem die Signalamplitude 3 Dezibel (dB) unter dem nominalen Durchlassbereichswert liegt. Die Kapazitäts- und Induktivitätswerte eines Filters werden sorgfältig ausgewählt, um die gewünschte Grenzfrequenz und Frequenzantwort zu erreichen.

Einfügungsdämpfungswerte, die sich auf das Verhältnis der Stärke eines eingefügten Signals zur Stärke des übertragenen Signals beziehen und normalerweise in Dezibel ausgedrückt werden, sind ein Hauptmerkmal der Filterwirksamkeit. Die ideale Einfügungsdämpfung für den betreffenden Frequenzbereich beträgt 0 dB und ist für alle anderen Frequenzen unendlich. Filter sind jedoch komplexe Geräte, die externen Einflüssen wie parasitärer Induktivität, parasitärer Kapazität, Komponentenresonanz und Schaltungsresonanz unterliegen, die eine optimale Leistung unmöglich machen. Sobald ein Filter entworfen und hergestellt wurde, können Benutzer seine Einfügungsdämpfung über einen weiten Frequenzbereich analysieren, um eine genaue Darstellung seiner Leistungshülle zu erhalten.

Weitere Eigenschaften, die die Filterwirksamkeit beeinflussen, sind der äquivalente Serienwiderstand (ESR), der Verlustfaktor (DF) und der Q-Faktor. Ein niedriger ESR ist ein Hinweis auf einen gut konzipierten Filter, der während seines Betriebs nicht viel Energie verliert. Ein niedriger DF, der sowohl den ESR als auch die Reaktanz des gefilterten Kondensators berücksichtigt, ist ein weiteres Merkmal, ebenso wie sein Kehrwert: der Q-Faktor, der in einigen Branchen ebenfalls zur Bezeichnung der Filterqualität verwendet wird.

SCHALTKREISAUSWAHL

Für die EMI-Filterung werden verschiedene Schaltungskonfigurationen verwendet, von einem einzelnen geerdeten Kondensator bis hin zu einer Schaltung mit bis zu drei Elementen. Die ideale Auswahl hängt von den einzigartigen Merkmalen und Eigenschaften des Geräts ab, in dem der Filter eingesetzt wird, beispielsweise der Geräteimpedanz.

SPANNUNGSWERTE

Für eine effektive Filterung muss die Leistung des EMI-Filters an die Leistung des Kondensators angepasst werden. Keramikkondensatoren, die sehr dünne Schichten keramischen Dielektrikums verwenden, um leitende Schichten voneinander zu trennen und den freien Stromfluss zu verhindern, können so ausgelegt werden, dass sie Spannungen von über 1,600 VDC standhalten. Filterdesigner müssen daher die geeigneten dielektrischen Materialien und Abmessungen auswählen, die für die individuellen Leistungsanforderungen jedes Kondensators am besten geeignet sind.

Filter müssen außerdem für die Wechsel- oder Gleichspannungsbedingungen jedes Schaltkreises ausgelegt und getestet werden. Gleichstromfilterwerte sind nicht dasselbe wie Wechselstromfilterwerte. Die Fähigkeit eines Filters, hoher Gleichspannung standzuhalten, lässt also nicht unbedingt auf seine Leistung bei hoher Wechselspannung schließen und umgekehrt. Beispielsweise haben Wechselstromfilter häufig niedrigere Kapazitätswerte, um Überhitzung und Schäden durch Blindstromerhitzung zu verhindern. Gleichstromfilter, bei denen kurze, unregelmäßige Spannungsstöße zu erwarten sind, wie sie in implantierbaren Kardioverter-Defibrillatoren verwendet werden, werden wahrscheinlich einem Impulsspannungstest unterzogen, um die Kondensatorintegrität sicherzustellen.

Gut konzipierte Filter halten nicht nur den entsprechenden Spannungen stand, sondern widerstehen auch dem Stromverlust über den Kondensator. Es ist unmöglich, einen Kondensator zu konstruieren, der diesen Stromfluss vollständig verhindert, aber Filterdesigner können den Leckstrom durch die richtige Materialauswahl verringern und so dessen Auswirkungen auf die Geräteleistung minimieren.

MEHRERE GEFILTERTE LINIEN

Komplexe elektronische Geräte erfordern häufig eine Filterung mehrerer Signal- oder Stromleitungen. Eine Möglichkeit, sie voneinander zu isolieren, besteht in der Verwendung einer speziellen Metallhülse, die mehrere Filter enthält und als gemeinsame Masse für sie fungiert. Sie verbindet ihre Gehäuse miteinander, während die Pins isoliert bleiben.

Ein einzelner EMI-Durchführungsfilter ist typischerweise als ringförmiger Kondensator (Discoidal) konstruiert, dessen Innen- und Außendurchmesser als Verbindungspunkte für das Gehäuse und die Leitung dienen und als Pole des Kondensators fungieren. Bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot können mehrere Discoidalkondensatoren in ein einzelnes Keramikstück (ein sogenanntes Kondensatorarray) integriert und zur Geräteintegration in eine Durchführung eingebaut werden. Diese Arten von gefilterten Durchführungsbaugruppen bieten die höchste Filterkonzentration im kleinsten physikalischen Volumen und werden häufig in implantierbaren medizinischen Geräten verwendet, bei denen eine hohe Dichte und ein minimales Volumen einen echten Wettbewerbsvorteil bieten, sowie für die Filterung kommerzieller und militärischer Steckverbinder.

Erfahrene Filterhersteller können außerdem vollständig getestete und montierte Durchführungs- und Kondensator-Arrays in kundenspezifischen Formen und Größen entwickeln, um eine nahtlose, einstufige Integration in anspruchsvollere Gerätedesigns zu ermöglichen und so die Möglichkeit von Komponentenschäden oder Installationsfehlern zu verringern. Es gibt keine feste Grenze für die Anzahl der Kondensatoren, die in ein Array integriert werden können, aber die Kosten steigen mit der Menge.

SYSTEMINTEGRATION UND INSTALLATION

Für bestimmte Anwendungen sind verschiedene Gehäusegrößen und Anschlusslängen erhältlich. Beispielsweise sind Miniaturfilter für Anwendungen mit Platz- und Gewichtsbeschränkungen erhältlich, und wenn vorhandene Gehäusegrößen nicht ideal passen, sind kundenspezifische Designs erhältlich. Einige Systeme erfordern auch Filter, die eine robuste Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen aufweisen, luftdichte Dichtungen verwenden, die das Austreten von Gasen verhindern, oder Umgebungsvariablen wie die normale Verringerung des Isolationswiderstands berücksichtigen, die auftritt, wenn sich Keramik erhitzt. Eine durchdachte Materialauswahl und Installationsmethoden können diese Eigenschaften erreichen und dazu beitragen, Leistungseinbußen während der Lebensdauer der Komponente zu vermeiden.

Obwohl Filter für eine optimale Leistung in einer EMI-Abschirmung, beispielsweise einem gut geerdeten leitfähigen Gehäuse, installiert werden müssen, können Gerätedesigner aus einer Vielzahl von Installationsoptionen wählen. Einlötfilter sind eine der kompaktesten Optionen, sie sind so konzipiert, dass sie der Hitze beim Einlöten in eine Endbaugruppe standhalten und können außerdem ein ausgezeichnetes Maß an Hermetizität bieten. Weitere Optionen sind bolzenförmige Filter, die mit Gewinde versehen sind und einen sechseckigen Kopf haben können; zylindrische Filter, die das größte Innenvolumen haben und komplexe Schaltkreise in einem einzigen Gehäuse unterbringen können, wie beispielsweise ein Pi- oder T-Filter; und schraubenförmige Filter. Alle Filterarten bieten die Option einer hermetischen Abdichtung an beiden Enden der Komponente, um Ausgasungen zu verhindern.

Um die Integrität des Filters während und nach der Installation zu schützen, können zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden. So kann beispielsweise das Vorwärmen einer Lötstelle, bevor sie der vollen Löttemperatur ausgesetzt wird, die Anwendung unnötiger thermischer Belastungen vermeiden, und ein vorsichtiger Umgang mit Filtergehäusen kann dazu beitragen, mechanische Verformungen zu vermeiden.

PRÜFUNG UND INSPEKTION

Wenn die Filterleistung von entscheidender Bedeutung ist, sollte die Auswahl auf Filter beschränkt werden, die zu 100 % auf relevante Eigenschaften getestet wurden. Standardteile mit hoher Zuverlässigkeit werden elektrischen und visuellen Inspektionen sowie zusätzlichen Testreihen unterzogen, um die Filterzuverlässigkeit weiter zu gewährleisten. Es gibt auch mehrere US-MIL-Standards, die äußerst spezifische Anforderungen an elektrische, mechanische und thermische Testverfahren und -ergebnisse stellen. Da die meisten Keramiken eine hohe Neigung zur Rissausbreitung aufweisen, versagen Keramikkomponenten mit Anzeichen mechanischer Instabilität im Allgemeinen frühzeitig. Durch Belastungstests von Filtern und Kondensatoren mit hoher Zuverlässigkeit werden minderwertige Teile ausgeschlossen, die in Zukunft Probleme verursachen könnten.

AVX Corporation bietet mehrere verschiedene Teststufen an, um die erforderliche Zuverlässigkeit für zahlreiche Anwendungen zu gewährleisten. Tests der R-Stufe sind strenger als handelsübliche Standardtests und umfassen eine Reihe von Tests, die die Filterleistung unter Belastung simulieren sollen. Tests der B- und S-Klasse umfassen umfassendere Tests als die R-Stufe, z. B. eine Röntgenprüfung – ein Verfahren, bei dem ein Teil mit Röntgenstrahlen abgebildet wird, um seine innere Struktur zerstörungsfrei zu untersuchen. Gruppe A und Gruppe B beziehen sich auf unterschiedliche Teststufen innerhalb einer Charge. Tests der Gruppe A werden an allen produzierten Chargen durchgeführt und umfassen einige Tests, die an 100 % der Teile durchgeführt werden, und andere, die nur an einer Probe durchgeführt werden. Tests der Gruppe B werden im Allgemeinen an einer Probe durchgeführt und umfassen umfangreiche Lebensdauertests. Teile der Weltraumklasse oder S-Klasse-Teile mit Tests der Gruppe B stellen eine der höchsten Zuverlässigkeitsstufen dar, die für einen EMI-Filter erreichbar sind.

Die tatsächlichen Testabläufe können je nach Filterhersteller und speziellen Geräteanforderungen leicht variieren, umfassen aber häufig Tests, die in MIL-PRF-28861, MIL-PRF-31033, MIL-STD-202, MIL-STD-220 und anderen Spezifikationen beschrieben sind. Erfahrene Filterhersteller ermitteln und führen die besten Testverfahren für jede Anwendung durch.

Kosten- und Herstellungsaspekte

Filterspezifikationen wie Schaltungskomplexität, Spannungs- und Stromstärke, Größe und Temperaturbeständigkeit sowie das gewünschte Zuverlässigkeitsniveau und der dafür erforderliche Testumfang wirken sich alle in unterschiedlichem Maße auf die Filterkosten aus. Während viele dieser Faktoren von den Anforderungen auf Geräteebene abhängen, gibt es einige Aspekte des Filterdesigns, bei denen erfahrene Hersteller möglicherweise die Kosten senken können, ohne die Filterfunktion merklich zu beeinträchtigen. Alle Kosten-/Leistungskompromisse sollten während der Designphase gründlich besprochen werden, um sicherzustellen, dass ein Qualitätsprodukt zu angemessenen Kosten hergestellt werden kann.

Die richtige Materialauswahl ist ein wichtiger Kostenfaktor, da Preis und Funktionalität je nach Materialoption erheblich variieren können. Beispielsweise kann die Verwendung von Palladium anstelle von Platin für Leitungen oder Kondensatoranschlüsse zu erheblichen Materialkosteneinsparungen führen, die Installation jedoch erschweren. Bestimmte Leitungskonfigurationen und Arraydichten können die Kosten ebenfalls in die Höhe treiben. Um die beste Auswahl zu treffen, ist es wichtig, die Kondensatorabmessungen wie Dicke und Form zu berücksichtigen und die Umgebung des Montageprozesses gut zu verstehen. Variablen wie die Frage, ob die Leitungen gelötet, geschweißt oder auf andere Weise in das endgültige Gerät eingesetzt werden, können die Materialauswahl beeinflussen, da bestimmte Materialoptionen für bestimmte Befestigungsmethoden am besten geeignet sind. In einigen Fällen verfügen Gerätedesigner möglicherweise auch über Erkenntnisse, die Filterdesignern fehlen, wie z. B. das Potenzial für größere Kosteneinsparungen durch vereinfachte oder optimierte Installation, die ein teureres, komplexeres Filterdesign lohnenswert machen würden.

Darüber hinaus können scheinbar geringfügige Änderungen am Kondensatordesign enorme negative Auswirkungen auf die Fertigungs- und Gerätedesignprozesse haben. Kleine Änderungen der Kapazität können beispielsweise manchmal eine vollständige Neugestaltung des Kondensators erforderlich machen. Während viele Geräte einzigartige Anforderungen haben, die vollständig benutzerdefinierte Filter erfordern, können einige neue Geräte eine vorhandene Vorlage verwenden, um kürzere Vorlaufzeiten und niedrigere Qualifizierungs- und Stückkosten für die Anfangsmengen zu erreichen.

GEWERBLICHE FILTER

Die Vorschriften für kommerzielle Filter und Geräte können je nach Land, in dem sie verkauft werden, unterschiedlich sein. Einige Länder beschränken beispielsweise die Konzentration gefährlicher Stoffe in Elektronik und verlangen möglicherweise, dass Hersteller RoHS oder ähnliche Standards einhalten. Erfahrene Filterdesigner sind mit diesen Anforderungen bestens vertraut und können mit ihren Kunden verschiedene Optionen besprechen, wie beispielsweise die Verwendung von leitfähigem Polyimid anstelle von Löt- und cadmiumfreien Anschlüssen.

Regeln und Vorschriften zur Emission elektromagnetischer Strahlung können ebenfalls die Entscheidung für den Einsatz eines Filters beeinflussen. Filter halten nicht nur schädliche elektromagnetische Störungen von einem Gerät fern, sondern können auch verhindern, dass elektromagnetische Störungen nach außen dringen und andere empfindliche Geräte in der Nähe stören. Fast jedes Land hat Vorschriften, die die zulässige Art und Menge elektromagnetischer Störungen bestimmen, die Geräte erzeugen dürfen.

Akkreditierungen wie die ISO 9001-Registrierung können dazu beitragen, sicherzustellen, dass Lieferanten ethische Herstellungspraktiken befolgen. Zusätzlich zu diesen Qualitätsstandards haben viele Länder und Unternehmen auch Vorschriften zur ethischen Auswahl von Lieferanten. Ethische Filterlieferanten halten alle Arbeitsvorschriften in ihrem Einsatzland sowie umfassendere internationale Vorschriften ein, wie den Modern Slavery Act von 2015, SA8000, den EICC-Verhaltenskodex und ILO 18000.

FILTER FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT UND VERTEIDIGUNG

Die Herstellung von Produkten für Luft- und Raumfahrt- und Rüstungsunternehmen erfordert die Einhaltung strenger Regeln und Vorschriften, die nahezu jeden Aspekt der Geräteleistung, -herstellung und -prüfung regeln. Rüstungsunternehmen müssen häufig strenge Vorschriften hinsichtlich der Auswahl und Prüfung ihrer Lieferanten befolgen. Es kann eine bestimmte Liste von Lieferanten geben, die nach bestimmten US-Militärstandards und/oder Anforderungen anderer Länder akkreditiert sind, die erfüllt werden müssen, um dort Teile verkaufen zu dürfen. Beispielsweise verlangen die Vereinigten Staaten, dass Unternehmen die geltenden Exportvorschriften einhalten, wie die Export Administration Regulations (EAR) und die International Traffic in Arms Regulations (ITAR). Luft- und Raumfahrt- und Rüstungslieferanten müssen außerdem bestimmte Vorschriften hinsichtlich der Sicherheit und Vertraulichkeit der von ihnen hergestellten Produkte sowie aller Informationen bezüglich der beabsichtigten Verwendung oder des Benutzers des Produkts befolgen. AVX ist auf der Qualified Products List (QPL) des Defense Supply Center Columbus aufgeführt, das dem US-Verteidigungsministerium untersteht.

FILTER FÜR MEDIZINISCHE GERÄTE

Die Technologie für medizinische Geräte hat sich in den letzten Jahren in erstaunlichem Tempo weiterentwickelt. Die Geräte werden immer kompakter, komplexer und in manchen Fällen sogar weniger störend für die Patienten. Aufgrund der zunehmend vernetzten Welt, in der wir leben, sind diese und andere empfindliche Geräte zunehmenden elektromagnetischen Störungen aus unserer Umgebung ausgesetzt. Jedes ungefilterte medizinische Gerät ist dem Risiko schädlicher Störungen durch verschiedene EMI-Quellen ausgesetzt. Um ein hohes Maß an Präzision und Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten, verwenden viele medizinische Geräte EMI-Filter, um das Rauschen zu minimieren und die Signaltreue aufrechtzuerhalten. Filter für medizinische Geräte haben oft die strengsten Platzanforderungen und verwenden daher häufig gefilterte Durchführungsarrays oder Miniatur-Scheibenkondensatoren, die eine hohe Leistungsdichte bei geringer Packungsgröße bieten.

Da die große Mehrheit der implantierbaren medizinischen Geräte batteriebetrieben ist, ist es wichtig, den Stromverbrauch der Filter zu minimieren, um die Lebensdauer des Geräts zu verlängern. Durch Messen und Minimieren des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) oder Verlustfaktors (DF) kann unnötige Batterieentladung auf ein Minimum reduziert werden, und ein hoher Isolationswiderstand (IR) kann dazu beitragen, Stromverluste über den Kondensator zu minimieren. Moderne implantierbare medizinische Geräte verwenden in der Regel nicht wiederaufladbare Primärzellenbatterien, die für eine Lebensdauer von 10 oder mehr Jahren ausgelegt sind. Da die Technologie für hochzuverlässige Implantatbatterien jedoch nicht mit der Miniaturisierung vieler anderer in diesen Geräten verwendeter Elektronik Schritt gehalten hat, ist die Minimierung des Stromverbrauchs entscheidend, um die angestrebte Lebensdauererwartung von Batterie und Gerät zu erreichen.

Frühe Herzschrittmacher und andere implantierbare Geräte waren aufgrund der starken elektromagnetischen Störungen nicht mit Magnetresonanztomographie-Scans (MRT) kompatibel. Glücklicherweise wurden viele implantierbare Geräte inzwischen so weit verbessert, dass sie einer bestimmten MRT-Belastung sicher standhalten. Die Methoden, mit denen Entwickler medizinischer Geräte die MRT-Kompatibilität ihrer Geräte sicherstellen, und die Art und Weise, wie sie getestet werden, können von jedem Unternehmen selbst festgelegt werden, erfordern jedoch immer verschiedene Filtertypen. Daher müssen Filterhersteller, die die Medizingeräteindustrie beliefern, sorgfältig prüfen, wie sich diese Testverfahren und die anschließende MRT-Belastung auf die Methoden zur Elektrodenbefestigung, die Verwendung interner oder externer Erdung und andere Eigenschaften auswirken können.

Neben den Anforderungen an eine höhere Funktionalität erlegen mehrere globale Regulierungsbehörden den Herstellern medizinischer Geräte und ihren Zulieferern strenge Vorschriften auf, die von Design über Audits bis hin zur Dokumentation reichen, um die Patientensicherheit weiter zu gewährleisten. Daher ist es wichtig, dass die Entwickler medizinischer Geräte Filterhersteller auswählen, die nachweislich die Vorschriften einhalten und zuverlässige Produkte herstellen. Die Entwickler medizinischer Geräte können auch davon profitieren, wenn möglich vorhandene Filterdesigns zu verwenden, da dies zu Qualifizierungszeit und Kosteneinsparungen für implantierbare Geräte führen kann.

Die optimale Filterkonstruktion ist zwangsläufig ein gemeinschaftlicher Prozess. EMI-Filter haben einen enormen Einfluss auf die Konstruktion der Geräte, in die sie eingebaut werden, und werden in ähnlicher Weise auch von dieser beeinflusst. Es gibt keine Universallösungen. Die meisten Filter sind entweder kundenspezifisch oder werden vollständig für eine bestimmte Anwendung maßgeschneidert, da selbst geringfügige Änderungen der elektrischen Anforderungen eines Filters, wie z. B. eine leichte Erhöhung der Betriebsspannung, potenziell katastrophale Folgen haben können, wenn der Filter nicht entsprechend modifiziert wird, um die neuen Spezifikationen zu erfüllen. Daher ist es für Gerätedesigner und EMI-Filterdesigner von entscheidender Bedeutung, zusammenzuarbeiten und klar über die Anforderungen und Einschränkungen für jeden einzelnen Aspekt jedes neuen Designs zu kommunizieren. Faktoren wie Kapazität, Nennspannung, Abmessungen, Hermetik und Kosten müssen ebenfalls sorgfältig ausgewogen werden, um ein optimales Endergebnis zu erzielen.

Generell haben die hohen Anforderungen an hochzuverlässige elektronische Geräte, insbesondere solche, die in den anspruchsvollen Märkten Luft- und Raumfahrt, Medizin und Verteidigung eingesetzt werden, zu einem Bedarf an zunehmend komplexeren EMI-Filtern geführt. Durch detaillierte Diskussionen der in diesem Artikel vorgestellten Designüberlegungen und sorgfältige Berücksichtigung der für jedes einzelne Gerät spezifischen Leistungsanforderungen können Gerätedesigner und EMI-Filterdesigner zusammenarbeiten, um die höchstmögliche Zuverlässigkeit zu erreichen.

Am November 6, 2018   /   News / Events / Presse, Ressourcen, HF-Mikrowelle / Dünnschicht, Technische Artikel / Whitepapers