Der Begriff „Gleichtaktstörung“ taucht in EMV-Unterlagen und Normen ständig auf. Dennoch verwenden ihn viele, ohne je ein klares Gefühl dafür bekommen zu haben, „worin er sich vom Gegentakt unterscheidet“ oder „warum sich Gleichtakt leicht entfernen lässt“.
In diesem Artikel ordnen wir die beiden Moden von ihrer Definition her und erklären mit Filter- und Ersatzschaltungen, wie ein Gleichtaktfilter funktioniert.
- Ein Signal läuft immer über „zwei Leitungen“
- Definitionen von Gegentakt und Gleichtakt
- Das „gewünschte Signal“ ist Gegentakt; Störungen liegen in beiden
- Wann Gleichtaktstörungen schädlich werden
- Der „Filterunterschied“ zwischen Gleichtakt und Gegentakt
- Entfernung mit einem Differenzempfänger
- Zusammenfassung
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Ein Signal läuft immer über „zwei Leitungen“
Beginnen wir mit den Grundlagen. Ein elektrisches Signal läuft immer, indem es mit einer Hin- und einer Rückleitung eine Schleife bildet. Auch wenn im Schaltplan nur eine Linie gezeichnet ist, existiert stets eine Masseleitung als gemeinsame Rückleitung.
Diese Tatsache — „es gibt zwei Leitungen“ — ist der Ausgangspunkt, um über Gleichtakt und Gegentakt nachzudenken.
Definitionen von Gegentakt und Gleichtakt
Vor den Formeln denken wir mit einem konkreten Bild. Nehmen wir an, aus einem IC führen zwei Leitungen (D+ und D−), die ein Signal zu einem entfernten Empfänger übertragen.
Das Signal, das der Entwickler absichtlich sendet, legt gegenläufige Wellenformen auf die beiden Leitungen. In dem Moment, in dem D+ auf High steigt, fällt D− auf Low. Subtrahiert man die beiden Spannungen am Empfänger, erhält man ein sauberes Signal mit doppelter Amplitude. Das ist der Gegentakt (Differenzmodus).
Externe Störungen dagegen legen sich zur gleichen Zeit und in gleicher Richtung auf beide Leitungen, weil die beiden Leitungen dicht nebeneinander parallel verlaufen. Auf D+ wie auf D− überlagert sich genau die gleiche Störform. Das ist der Gleichtakt (Gleichphasenmodus).
Als Spannungsgleichungen ausgedrückt ergibt sich Folgendes. Wenn die beiden Leitungen (Leitung A und Leitung B) die Spannungen EA und EB gegenüber Masse haben:
Der Gegentakt (Differenzmodus) ist die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen:
EN = EA − EBDies ist die als „Signal“ genutzte Spannung. Sie entsteht durch das Paar von Strömen, die auf Hin- und Rückleitung in entgegengesetzte Richtungen fließen.
Der Gleichtakt (Gleichphasenmodus) ist die Spannung, die gemeinsam auf beiden Leitungen liegt:
EC = (EA + EB) / 2Es ist der Modus, in dem beide Leitungen in gleicher Richtung und mit gleicher Größe schwanken. In der obigen Abbildung entspricht der gegenphasige Wellenformanteil EN und der gleichphasig überlagerte Störanteil EC.
In Strömen ausgedrückt:
- Gegentaktstrom: der (hin- und zurücklaufende) Strom, der auf den beiden Leitungen in entgegengesetzte Richtungen fließt
- Gleichtaktstrom: der Strom, der auf beiden Leitungen in dieselbe Richtung fließt
Das „gewünschte Signal“ ist Gegentakt; Störungen liegen in beiden
Das Signal, das ein Entwickler absichtlich sendet, ist immer Gegentakt. Man sendet ein Signal nie im Gleichtakt (weil der Rückweg instabil würde).
Störungen dagegen legen sich von selbst auf. Sowohl Gegentaktstörungen als auch Gleichtaktstörungen existieren.
Hier ist der wichtige Unterschied:
- Gegentaktstörung: gleicher Modus wie das Signal → vom Signal nicht zu unterscheiden. Sie lässt sich mit einem Filter entfernen, wenn ihre Frequenz weit genug entfernt liegt, ist aber prinzipiell schwer zu entfernen.
- Gleichtaktstörung: anderer Modus als das Signal → sie lässt sich durch Ausnutzen des Modusunterschieds entfernen.
Dass die Gleichtaktstörung „leichter zu behandeln“ ist, liegt genau daran, dass man diesen Modusunterschied ausnutzen kann.
Wann Gleichtaktstörungen schädlich werden
Da sich im Gleichtakt „die beiden Leitungen gleich bewegen“, sollte er einen differenziell empfangenden Empfänger theoretisch nicht beeinflussen. Wenn ein Zug mit konstanter Geschwindigkeit fährt und ein Fahrgast im Inneren hochspringt, landet er an derselben Stelle — ebenso tritt kein Fehler auf, wenn das ganze System einheitlich schwankt.
Das Problem entsteht, wenn die Größe der Gleichtaktspannung von Ort zu Ort verschieden ist.
Verbindet man zum Beispiel zwei entfernte Geräte mit einer Signalleitung und erdet jedes an einem anderen Ort, so unterscheidet sich das Erdpotenzial je nach Ort geringfügig. Diese Potenzialdifferenz wird als Gleichtaktspannung zwischen die beiden Geräte gelegt und kann sich in eine Gegentaktstörung verwandeln.
Der „Filterunterschied“ zwischen Gleichtakt und Gegentakt
Ein gewöhnlicher Tiefpassfilter (RC-Filter, LC-Filter) kann nur den Gegentakt entfernen. Warum? Weil ein Bypass-Pfad für den Gegentakt (der Kurzschlusspfad über den Kondensator) vorhanden ist, es aber keinen Pfad gibt, um den Gleichtakt zu überbrücken.
Ein Gleichtaktfilter besitzt einen Pfad, um den Gleichtakt zu überbrücken (einen Kondensator gegen Masse).
Die Gleichtaktdrossel (CMC)
Das Kernbauteil eines Gleichtaktfilters ist die Gleichtaktdrossel (CMC). Sie ist eine Induktivität, bei der die beiden Leitungen in gleicher Richtung auf denselben Kern gewickelt sind:
- Gegentaktstrom: die beiden magnetischen Flüsse heben sich auf → niedrige Induktivität → lässt das Signal durch
- Gleichtaktstrom: die beiden magnetischen Flüsse addieren sich → hohe Induktivität → wird blockiert
Entfernung mit einem Differenzempfänger
Ein weiteres Mittel neben dem Filter ist der Einsatz eines Differenzempfängers.
Ein Differenzempfänger erfasst nur die „Differenzspannung (Gegentakt)“ seiner beiden Eingänge. Da die Gleichtaktkomponente gleichmäßig auf beiden Eingängen liegt, hebt sich das Bilden der Differenz auf.
Der Grund, warum differenzielle Schnittstellennormen wie RS-422/RS-485 über lange Distanzen und in gestörten Umgebungen robust sind, liegt in diesem differenziellen Empfang. Selbst zwischen Geräten, die keine Masse teilen, kann das Signal empfangen werden, während die Gleichtaktstörung aufgehoben wird.
Zusammenfassung
- Der Gegentakt ist die „Differenzspannung“ der beiden Leitungen; der Gleichtakt ist die „gemeinsame Spannung“.
- Das gewünschte Signal ist Gegentakt. Störungen liegen in beiden Moden.
- Gleichtaktstörungen lassen sich durch Ausnutzen des Modusunterschieds entfernen — daher „leicht zu entfernen“.
- Ein Gleichtaktfilter (CMC + Y-Kondensatoren) zeigt nur gegenüber dem Gleichtakt eine hohe Impedanz.
- Ein Differenzempfänger hebt den Gleichtakt auf und extrahiert nur das Signal.
Gleichtakt und Gegentakt getrennt zu betrachten, wird zum Entscheidungskriterium für jede Art von Störunterdrückung: Filterauswahl, Platinenentwurf, Kabelwahl und mehr.
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