In de vorige edutorial hebben we gezien hoe EMC-problemen ontstaan, namelijk door AM detectie. In deze edutorial gaan we verder in op het voorkomen van EMC-problemen. Dit is een uitgebreid gebied en daarom behandelen we hier alleen het voorkomen van EMC problemen op printkaarten (PCB's). Het voorkomen van EMC-problemen in machines en installaties komt in een volgende edutorial aan bod.

Zoals we in de vorige edutorial hebben beschreven, komen hoogfrequent elektromagnetische velden via de in- en uitgang de schakeling binnen en worden daar bij de eerste halfgeleider gelijkgericht. De aanwezige ontkoppel condensator sluit het hoogfrequent signaal kort maar het laagfrequent AM-signaal blijft achter. Het wordt als het ware gedetecteerd zoals in een eenvoudige AM-radio. Het eenmaal gedetecteerde signaal is nu in-band gekomen en kan niet meer gefilterd worden.

De oplossing van het probleem ligt er dan ook in om te voorkomen dat het hoogfrequentsignaal de eerste halfgeleider bereikt. Deze halfgeleider kan een diode of transistor maar ook een IC zijn. Een IC heeft aan de ingang ook direct een protectiecircuit welke diodes bevat. Ook deze halfgeleiders zullen het AM-gemoduleerde signaal detecteren en in-band brengen.

Om duidelijk te maken hoe we dit voorkomen, maken we gebruik van het volgende voorbeeld. We gaan uit van twee versterkers in serie. Iedere van deze versterkers bevat een schakeling vergelijkbaar met de transistorschakeling uit de vorige tutorial.

Opnieuw gaan we eerst uit van een hoogfrequent storing welke via de ingang de schakeling binnenkomt. In het vorige voorbeeld hebben we gezien hoe de hoogfrequentstroom (AM) bij de eerste PN overgang wordt gedetecteerd. Willen we dit voorkomen, dienen we het hoogfrequent stoorsignaal zo snel mogelijk om de halfgeleiders heen te leiden. We plaatsen hiertoe een condensator aan de ingang. De locatie van een dergelijke condensator is zo dicht mogelijk aan de rand van de PCB. De waarde van deze condensator wordt zodanig gekozen dat deze het gewenste signaal net niet beïnvloedt. De capaciteit wordt meestal niet groter dan 10 NF gekozen aangezien grotere waarden minder goede hoogfrequent eigenschappen bezitten. Het stoorsignaal wordt nu voor de halfgeleider van AMP 1 langs geleid. Aangezien de schakeling zwevend is, kunnen er voor lage frequenties geen stromen gaan lopen.

Parasitaire capaciteiten
We hebben echter te maken met parasitaire capaciteiten. Eén van de PCB naar de omgeving (CPCB), bijvoorbeeld de tafel waar de schakeling op ligt en één van de kabels naar de omgeving (CK). Deze laatste is veel groter dan de eerste en heeft dus een lagere impendantie. De stroom Is1, die door onze filtercondensator wordt afgevoerd, loopt via de nul (referentie) en daarna via de parasitaire capaciteit CPCB naar aarde. Hierdoor zal er over de CPCB een spanning Us vallen. Er loopt immers een stroom door een impedantie (Wet van Ohm). Als gevolg hiervan zal de nul van de PCB hoogfrequent worden opgetild ten opzichte van de omgeving. Zoals we al hadden vastgesteld is de impedantie van de tweede parasitaire capaciteit, die van de kabels, kleiner dan de impedantie van de PCB naar de omgeving. Als gevolg van het hoogfrequent "optillen" van de schakeling, zal er een stroom via de uitgangskabel en CK naar de omgeving gaan lopen. De stoorstroom zal zich dus over de twee capaciteiten verdelen waarbij de grootste stroom (Is2) door CK zal lopen. Deze stroom loopt hiermee door de uitgang van de tweede versterker en veroorzaakt daar opnieuw AM detectie. We hebben nu te maken met een tweede orde probleem. De hoogste gevoeligheid ligt aan de ingang maar als dit probleem opgelost wordt met een condensator aan de ingang, wordt er een AM detectie probleem aan de uitgang merkbaar.

Voor EMC zijn uitgangen ook ingangen!
Om dit laatste probleem te lijf te gaan kunnen we ook na de tweede versterker een filtercondensator plaatsen. Hierdoor zal de stoorstroom Is2 nu niet meer via de tweede halfgeleiders van AMP2 maar via deze "uitkoppel" condensator en CK naar de omgeving wegvloeien. Beide stoorstromen IS1 en IS2 worden nu dus om de halfgeleiders in de versterkers heengeleid. Aan beide zijden kan nu dus geen AM detectie meer plaatsvinden en de schakeling is EMC-technisch alweer een stuk beter geworden. In dit voorbeeld zijn we uitgegaan van simpele condensatoren. We zullen in een volgende edutorial zien dat ook T- en Pi-filters met een combinatie van een condensator en weerstanden of spoelen gebruikt kunnen worden. Hiermee kan een nog betere demping worden verkregen. Het principe van ontstoren blijft dan echter hetzelfde.

Gevolgen van een slecht referentievlak
We zijn er echter nog niet. In de voorgaande voorbeelden gaan we er namelijk vanuit dat de stoorstromen vrij door de nul (referentie) kunnen lopen. Vaak wordt bij printen gesproken over een ground plane. Deze benaming suggereert dat de nul van de PCB met aarde is verbonden. Alhoewel dit soms het geval is, hoeft dit niet voor de goede werking van een nul vlak. Een betere naam is dan ook: referentievlak. Vaak bestaat dit referentievlak alleen maar uit printsporen die ook een impedantie hebben. Over dit soort nul sporen zal ten gevolge van de hoogfrequent stoorstroom een hoogfrequent spanningsverschil optreden in dit nul spoor. Het spanningsverschil tussen de nul aansluitingen van beide versterkers kan gezien worden als "ingangsignaal" voor AMP 2 zal dienen. Dit zal leiden tot AM-detectie in de halfgeleiders aan de ingang van AMP 2. De oplossing hiervoor is te kiezen voor een goed referentievlak. Werkt een goed referentievlak nog niet afdoende, bijvoorbeeld omdat gebruik gemaakt wordt van heel gevoelige versterkers, dan kan nog een condensator (ordegrootte een paar pF) aan de ingang van AMP 2 geplaatst worden. De locatie van deze condensator is zo dicht mogelijk bij de transistor of het IC zodat de "lus antenne" zo klein mogelijk blijft.

Wat te doen bij een eenlaags print?
In het geval van enkellaags print bestaat de nul per definitie uit printsporen. In een dergelijk geval is het verstandig ervoor te kiezen de kabels aan een zijde van de print te plaatsen. Hierdoor wordt voorkomen dat de stoorstromen over de printsporen gaan lopen en er ten gevolge hiervan een spanningsverschil wordt veroorzaakt dat als stoorbron kan fungeren. De ontkoppelcondensatoren kunnen nu aan een kant van de print, vlak bij elkaar geplaatst worden zodat de stoorstroom via deze ontkoppelcondensatoren en CKnaar de omgeving weg zullen lopen. In het voorgaande voorbeeld worden de stoorstromen dus om de schakeling heengeleid terwijl in dit voorbeeld de stoorstromen geheel buiten de deur worden gehouden. In het algemeen is het vanuit EMC-oogpunt dus beter om de kabels aan een kant van de schakeling te houden. In de praktijk is het echter vaak gewenst dat de kabels aan twee zijden van het apparaat zitten. Wordt daarvoor gekozen, dan is dit echter tevens de keuze voor een referentievlak! Vanuit kostenoverwegingen wordt vaak voor een eenlaags print gekozen. Dit gebeurt bijvoorbeeld vaak in automotive toepassingen. De kabels zitten dan echter wel aan een kant! Een alternatief voor een referentievlak is een metalen plaat als referentievlak te gebruiken. Dit kan de behuizing zijn of een stuk karton met aluminiumfolie aan één kant.
De ontkoppelcondensatoren worden in een dergelijk geval via een schroef tegen het folie, de plaat of de behuizing geschroefd. De stoorstromen lopen in dit geval via deze ontkoppelcondensatoren, de schroef en het externe referentievlak, via de parasitaire capaciteit naar de omgeving zonder dat er AM-detectie plaatsvindt.

Kabels aan twee kanten bij een eenlaags print?
Wat nu als het toch gewenst is gebruik te maken van kabels aan twee zijden van de schakeling? In dat geval worden aan beide zijden ontkoppelcondensatoren gebruikt en wordt bijvoorbeeld de behuizing als referentievlak gebruikt om de stoorstromen om de schakeling met halfgeleiders heen te leiden. De stoorstromen worden in dit geval door dit externe referentievlak afgevoerd via de parasitaire capaciteiten CS en CK zodat er geen AM-detectie in de halfgeleiders kan plaatsvinden. Deze oplossing werkt wel een stuk minder goed dan een referentievlak. Het lost wel de problemen op die veroorzaakt worden door externe stromen maar de directe instraling op de print wordt niet tegen gegaan. Ook de emissie van een dergelijke oplossing zal hoger liggen. Het is dus geen vervanging van een referentievlak maar vaak wel het beste compromis als een referentievlak kostentechnisch geen optie is. Multi-layer printen zijn tegenwoordig wel een stuk goedkoper geworden maar bij grote aantallen kan het verschil toch problematisch zijn.