EMV-Probleme mit LC-Display

[Roland D. (roland_d284)]

Guten Tag.

Das Bild zeigt das innere eines Gerätes zur Erzeugung von Hochspannung, 
natürlich nur ein Ausschnitt. Dieser LCD von Sparcfun mit 20x4 Zeichen 
ist das Problem.
Die Vom Gerät erzeugt Hochspannung erzeugt Entladungen, welche als 
Nadelimpulse überall herumschmutzen. Der Hochspannungstransformator 
lebst liegt zwar außerhalb des Gehäuses, aber via Kabel kommt der 
Schmutz trotzdem rein.

Was funktioniert ist der Controller auf dem nucleo-Board. Auch die 
Datenübertragung von diesem zur Display-Platine geht inzwischen 
fehlerfrei (mittels Testsoftware überprüft) (die machte auch Probleme, 
aber mit UART und Push-Pull-Ausgängen anstatt Pullup ging es dann).

Der Display stürzt aber dennoch gelegentlich ab. Bootet neu oder hängt 
sich komplett auf.

Ich habe versucht, mit Nahfeldsonden die Quelle zu finden, bringt aber 
keinerlei Erkenntnisse. Störsignale überall im E-Feld. Die M-Feldsonde 
zeigt nichts, zumindest nichts, was von der Amplitude reichen könnte, 
einen Microcontroller abstürzen zu lassen. Auch drehen an der 
E-Feld-Sonde bringt keine Erkenntnisse, man kann den Störungen keine 
Richtung zuordnen.

Ein einfaches Schirmungsblech parallel zur Display-Platine bringt auch 
nichts - wenn dieses Blech derzeit auch nur da ist und nirgendwo 
angeschlossen ist. Wenn ich wüsste, dass es sich lohnte, würde ich ja 
Befestigungslöcher in die Frontplatte bohren.

Aber eine These, bitte korrigieren, falls falsch: Das Blech parallel zur 
Platine sollte E-Felder in der Ebene der Platine verhindern, selbst wenn 
dieses Blech nicht angeschlossen ist. E-Felder senkrecht zur Platine 
dürfte die Elektronik jedoch nicht stören.

Magnetfelder senkrecht zur Platine konnte ich nicht messen und würden 
von diesem Blech ebenfalls via Wirbelströmen unterdrückt werden.

Um das Kabel (9V, GND, Data) ist ein Klappferrit drum.
Die Displayplatine ist nicht unbedingt sicher elektrisch mit der 
Frontplatte verbunden.

Bemerkenswert ist ja, das auf der Displayplatine sehr wohl die üblichen 
100nF-Stützkondensatoren verbaut sind. Wie kann ein Nadelimpuls - der 
mit der Feldsonde nur einen Betrag von 200mV erzeugt - einen Black- oder 
Brownout bewirken?

Da das nucleo-Board ja problemlos läuft, würde ich sagen, ich bräuchte 
einen anderen Display mit 4-Layer-Platine. Kennt jemand so etwas?

Oder würde es sich doch lohnen, einen Blechkäfig um die Display-Platine 
herum zu bauen, welcher wirklich leitfähig mit der Frontplatte verbunden 
ist? Dann sind der Display selbst und die Kabel aber immer noch Löcher 
im Faradyschen Käfig.

Wie gesagt, ein anderer robusterer Display wäre schön, einer bei dem die 
Platine durchgehende Kupferfläche hat. Aber ich kann leider keinen 
finden. Es gibt zwar Alternativen, aber nichts mit hilfreichen Angaben 
bezüglich EMI-Festigkeit.

Ach ja, mit Ferriten die Störungen draußen halten, dürfte kaum 
erfolgreich sein. Da bräuchte ich Ferrite, welche bei 100MHz Impedanzen 
im 6-stelligen Bereich haben müssten, Störsignalquelle ist schließlich 
die Entladung einer Kapazität mit 1pF bei 20kV in etwa 10ns. Dagegen 
sind die 100V/A von so einem Ferrit eher lächerlich.

Puh, ich wollte mich eigentlich kürzer fassen:-)

Besten Dank, Güße, Roland Damm

[Vanye R. (vanye_rijan)]

Warst du mit deinem Geraet schonmal im EMV-Labor? Ich glaube irgendwie 
nicht so ganz das dein Display das Problem ist. :-D

Ueblicherweise sind solche LCDs sehr hochohmig und energiesparend. Wenn 
du Probleme machen dann bedeutet das normalerweise das du dafuer ein 
Loch im Gehaeuse brauchst wo deine EMV rauskommst. Wenn die aber 
abstuerzen dann ist eher deine restliche Kiste der Uebeltaeter und nicht 
umgekehrt.

Vanye

[Falk B. (falk)]

Roland D. schrieb:

> Die Vom Gerät erzeugt Hochspannung erzeugt Entladungen, welche als
> Nadelimpulse überall herumschmutzen. Der Hochspannungstransformator
> lebst liegt zwar außerhalb des Gehäuses, aber via Kabel kommt der
> Schmutz trotzdem rein.

Eben. Da kommt viel kabelgebunden durch.

> Ein einfaches Schirmungsblech parallel zur Display-Platine bringt auch
> nichts - wenn dieses Blech derzeit auch nur da ist und nirgendwo
> angeschlossen ist.

Fehler!

> Wenn ich wüsste, dass es sich lohnte, würde ich ja
> Befestigungslöcher in die Frontplatte bohren.

Nicht so schnell.

> Aber eine These, bitte korrigieren, falls falsch: Das Blech parallel zur
> Platine sollte E-Felder in der Ebene der Platine verhindern, selbst wenn
> dieses Blech nicht angeschlossen ist.

Falsch! Ein potentialfreies Blech wirkt als verdammt guter 
Koppelkondensator, denn er ist eine riesige Elektrode, die ggf. die 
Störungen noch BESSER einkoppeln läßt. Gegen E-Felder muss ein 
Schirmblech HF-tauglich geerdet sein, sprich, sehr gut an die Masse der 
Störsenke (hier dein Display) angeschlossen sein.

> E-Felder senkrecht zur Platine
> dürfte die Elektronik jedoch nicht stören.

So einfach ist es nicht, zumal du die Ausrichtung des Felds weder weißt 
noch so einfach ändern kannst.

> Magnetfelder senkrecht zur Platine konnte ich nicht messen und würden
> von diesem Blech ebenfalls via Wirbelströmen unterdrückt werden.

Das stimmt, ist hier aber vermutlich nicht das große Problem.

> Um das Kabel (9V, GND, Data) ist ein Klappferrit drum.

Der übliche Ansatz. Kann reichen, muss nicht. Ne geschirmte Leitung wäre 
gut. Aber die Störung kann auch rein feldgebunden ins Display kopplen. 
Ist bei LCDs oft so, die haben viel Fläche und eher schlechten 
EMV-gerechten Aufbau (Metallteile nicht mit Masse verbunden etc.).

> Die Displayplatine ist nicht unbedingt sicher elektrisch mit der
> Frontplatte verbunden.

Dort geht es weiter.

> Bemerkenswert ist ja, das auf der Displayplatine sehr wohl die üblichen
> 100nF-Stützkondensatoren verbaut sind.

Reicht nicht.

> Wie kann ein Nadelimpuls - der
> mit der Feldsonde nur einen Betrag von 200mV erzeugt - einen Black- oder
> Brownout bewirken?

Weil ein HF-Puls direkt in Signalleitungen einkoppelt.

> Da das nucleo-Board ja problemlos läuft, würde ich sagen, ich bräuchte
> einen anderen Display mit 4-Layer-Platine. Kennt jemand so etwas?

Nö.

> Oder würde es sich doch lohnen, einen Blechkäfig um die Display-Platine
> herum zu bauen, welcher wirklich leitfähig mit der Frontplatte verbunden
> ist?

Ja. Aber auch mit der Masse vom Display. An mehreren, räumlich 
verteilten Punkten!

> Dann sind der Display selbst und die Kabel aber immer noch Löcher
> im Faradyschen Käfig.

Kann trotzdem reichen.

> Ach ja, mit Ferriten die Störungen draußen halten, dürfte kaum
> erfolgreich sein. Da bräuchte ich Ferrite, welche bei 100MHz Impedanzen
> im 6-stelligen Bereich haben müssten,

Unsinn.

> Störsignalquelle ist schließlich
> die Entladung einer Kapazität mit 1pF bei 20kV in etwa 10ns. Dagegen
> sind die 100V/A von so einem Ferrit eher lächerlich.

So einfach ist die Rechung nicht. Da fehlt die Dämpfung des unbekannten 
Koppelpfades. Du entlädst ja nicht 1pF mit 20kV direkt galvanisch in 
dein LCD.

Einfacher Test. Ne Kupferfolie auf der Rückseite des LCDs isoliert 
anbringen und an allen 4 Ecken gut mit GND verbinden.

[Falk B. (falk)]

Vanye R. schrieb:
> Ueblicherweise sind solche LCDs sehr hochohmig und energiesparend.

Was hat das mit der EMV zu tun?

> Wenn
> du Probleme machen dann bedeutet das normalerweise das du dafuer ein
> Loch im Gehaeuse brauchst wo deine EMV rauskommst.

Lies mal den Beitrag nochmal GENAU! Der hat einen 
Hochspannngsimpulsgenerator angeschlossen!

> Wenn die aber
> abstuerzen dann ist eher deine restliche Kiste der Uebeltaeter

Der HV-Generator ist die Störquelle, das LCD die Störsenke. Es ist zu 
empfindlich.

[Roland D. (roland_d284)]

Moin,

Vanye R. schrieb:

> Warst du mit deinem Geraet schonmal im EMV-Labor? Ich glaube irgendwie
> nicht so ganz das dein Display das Problem ist. :-D

Mit einem ähnlichen. Erzeugt ein Rauschen bei 50MHz bis 200MHz. Die 
Gesamtleistung ist heftig, aber weil es ein Rauschen ist, eben auf 
keiner Frequenz so viel, dass es einen Grenzwert reißt.

> Ueblicherweise sind solche LCDs sehr hochohmig und energiesparend. Wenn
> du Probleme machen dann bedeutet das normalerweise das du dafuer ein
> Loch im Gehaeuse brauchst wo deine EMV rauskommst. Wenn die aber
> abstuerzen dann ist eher deine restliche Kiste der Uebeltaeter und nicht
> umgekehrt.

Ich weiß ja, wer der Übeltäter ist. Ich will ja das Opfer der Übeltat - 
also den Display - schützen:-)

Gruß Roland

[Bruno V. (bruno_v)]

Roland D. schrieb:
> m das Kabel (9V, GND, Data) ist ein Klappferrit drum.

Was ist das für eine Datenschnittstelle? Wenn die nicht differentiell 
ist (z.B. 485), dann sollten die Raus.

Und wieso kann die Schnittstelle sowohl push-pull als auch pull-up? Da 
scheint mir noch was im argen.

Mache die Tests einfach mal mit Datenleitungen beidseitig abgeklemmt

[Rainer W. (rawi)]

Vanye R. schrieb:
> Wenn du Probleme machen dann bedeutet das normalerweise das du dafuer ein
> Loch im Gehaeuse brauchst wo deine EMV rauskommst.

Elektromagnetische Verträglichkeit kommt nirgendwo raus. Auch in Dosen 
kann man die nicht füllen, sonst würde das Zeugs beim Buchhändler 
bestimmt wie warme Semmeln weg gehen ;-)

Roland D. schrieb:
> Ich weiß ja, wer der Übeltäter ist. Ich will ja das Opfer der Übeltat -
> also den Display - schützen:-)

Besser ist es, die Störungen möglichst nahe an der Quelle einzugrenzen, 
damit sie sich gar nicht erst überall ausbreiten.

[Christian M. (likeme)]

wie sieht der HV Generator aus? Moderne FET sind manchmal so toll dass 
man ihnen oft die Flanken stutzen muss.

[Falk B. (falk)]

Christian M. schrieb:
> wie sieht der HV Generator aus? Moderne FET sind manchmal so toll dass
> man ihnen oft die Flanken stutzen muss.

"Störsignalquelle ist schließlich die Entladung einer Kapazität mit 1pF 
bei 20kV in etwa 10ns."

Wobei 1pF schon SEHR wenig ist! Alleinf as HF-Kabel der Zuleitung hat da 
DEUTLICH mehr. Koax im Bereich 100pF/m, macht 1pF/cm.

[Gerd E. (robberknight)]

Roland D. schrieb:
> Der Display stürzt aber dennoch gelegentlich ab. Bootet neu oder hängt
> sich komplett auf.

Evtl. hat der Controller auf dem Display keine richtige Pufferung für 
dessen Reset-Pin. Also z.B. nur den integrierten Pullup und sonst 
nichts. Das mag in ruhigen Umgebungen funktionieren, bei ordentlich 
Störungen kann das durchaus den Reset auslösen. Und wenn der Puls zu 
kurz ist, ists nur ein partieller Reset und das Ding hängt sich auf.

Schau also mal ob auf der Platine des Displays irgendwo der Reset 
rausgeführt wird. Meist haben solche Displays offene Lötpads etc. über 
die man einiges rekonfigurieren kann, auch wenn sie nicht direkt im 
öffentlichen Datenblatt dokumentiert sind.

[Mathias H. (mathias)]

Hatte durch Kondensatorentladung bei ca. 1kV auch so ein 
"Absturzproblem", allerdings an einem "DEM 20487 SBH-PW-N" LCD-Display.
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A500/DEM20487SBH-PW-N.pdf

Abhilfe schaffte damals unmittelbar an allen Leitungen auf dem LCD 
jeweils 100pF SMD gegen Masse und ein Klappferrit über alle Zuleitungen 
zum LCD.

Viel Erfolg.

[Roland D. (roland_d284)]

Moin,

Falk B. schrieb:

> Falsch! Ein potentialfreies Blech wirkt als verdammt guter
> Koppelkondensator, denn er ist eine riesige Elektrode, die ggf. die
> Störungen noch BESSER einkoppeln läßt. Gegen E-Felder muss ein
> Schirmblech HF-tauglich geerdet sein, sprich, sehr gut an die Masse der
> Störsenke (hier dein Display) angeschlossen sein.

Gut, habe nachgesehen. Ich werde das morgen mal basteln. Tatsächlich ist 
die Platine theoretisch über die vier Schrauben zur Frontplatte mit 
Masse verbunden, aber die Schrauben sitzen schlecht, das muss ich 
umbauen, Lack definiert abkratzen,....

>> Um das Kabel (9V, GND, Data) ist ein Klappferrit drum.
>
> Der übliche Ansatz. Kann reichen, muss nicht. Ne geschirmte Leitung wäre
> gut.

Die hilft aber nicht, wenn die Störung schon durch die Leitung von der 
anderen Platine kommt. Und wie gesagt, Störungen auf dieser Leitung 
würden die Datenübertragung betreffen - tun sie aber nicht. Oder si 
schlagen so stark in die Versorgungsspannung rein, dass das auch ein 
Kondensator vor und einer hinter dem Linearregler auf der Displayplatine 
nicht wegmachen. Das kann ich mir aber schwer vorstellen.

> Aber die Störung kann auch rein feldgebunden ins Display kopplen.
> Ist bei LCDs oft so, die haben viel Fläche und eher schlechten
> EMV-gerechten Aufbau (Metallteile nicht mit Masse verbunden etc.).

Wäre möglich. Es gibt ja sogar Metallnetze für vor das Display bauen für 
solche Problemfälle.

>> Wie kann ein Nadelimpuls - der
>> mit der Feldsonde nur einen Betrag von 200mV erzeugt - einen Black- oder
>> Brownout bewirken?
>
> Weil ein HF-Puls direkt in Signalleitungen einkoppelt.

Aber wie kann das einen Microcontroller zum Absturz bringen?

>> Ach ja, mit Ferriten die Störungen draußen halten, dürfte kaum
>> erfolgreich sein. Da bräuchte ich Ferrite, welche bei 100MHz Impedanzen
>> im 6-stelligen Bereich haben müssten,
>
> Unsinn.

Hat zumindest nicht geholfen.

>> Störsignalquelle ist schließlich
>> die Entladung einer Kapazität mit 1pF bei 20kV in etwa 10ns. Dagegen
>> sind die 100V/A von so einem Ferrit eher lächerlich.
>
> So einfach ist die Rechung nicht. Da fehlt die Dämpfung des unbekannten
> Koppelpfades. Du entlädst ja nicht 1pF mit 20kV direkt galvanisch in
> dein LCD.

So natürlich nicht. Aber die Konstruktion hat sowieso einen 
Designfehler, den ich aber ohne neue Platine nicht beheben kann:
Die Störung kommt herein und geht über Folienkondensatoren auf die Masse 
der Hauptplatine. Die ist mit 20cm Kabel mit dem Netzteil verbunden und 
mit weiteren 10cm Kabel mit dem Gehäuse. Also viel Induktivität.

Andererseits gibt es im Gehäuse eine Erdungsbuchse, über die quasi die 
komplementären Störungen reinkommen und direkt ins Gehäuse geleitet 
werden.

Besser wäre gewesen, diese Hauptplatine an den Ecken über 
Metall-Distanzbuchsen mit der Bodenplatte zu verbinden, wozu die Platine 
natürlich um die Befestigungslöcher drum herum blanke Massefläche haben 
müsste, was sie nicht hat.

Gruß Roland

[Roland D. (roland_d284)]

Moin,

Bruno V. schrieb:
> Roland D. schrieb:
>> m das Kabel (9V, GND, Data) ist ein Klappferrit drum.
>
> Was ist das für eine Datenschnittstelle? Wenn die nicht differentiell
> ist (z.B. 485), dann sollten die Raus.

Der Display bietet I2C, SPI und UART.

> Und wieso kann die Schnittstelle sowohl push-pull als auch pull-up? Da
> scheint mir noch was im argen.

Weil der sendende Prozessor versehentlich auf Open-Collector 
konfiguriert war, und es wegen nicht dokumentierter Pull-Up auf dem 
Display-Board dennoch oft funktionierte. UART alleine spezifiziert die 
Sache ja nicht so genau.

> Mache die Tests einfach mal mit Datenleitungen beidseitig abgeklemmt

Gerade probiert, ändert nichts, stürzt immer noch ab.

Gruß Roland

[Roland D. (roland_d284)]

Moin,

Christian M. schrieb:
> wie sieht der HV Generator aus? Moderne FET sind manchmal so toll dass
> man ihnen oft die Flanken stutzen muss.

Daran liegt es nicht. Der Generator kann beliebig kräftig laufen, erst 
wenn die elektrischen Entladungen passieren, gibt's Ärger. Ausserdem ist 
der diesbezüglich sehr gutmütig (dicke Kondensatoren parallel zum 
IGBT).

Gruß Roland

[Roland D. (roland_d284)]

Moin,

Gerd E. schrieb:
> Roland D. schrieb:
>> Der Display stürzt aber dennoch gelegentlich ab. Bootet neu oder hängt
>> sich komplett auf.
>
> Evtl. hat der Controller auf dem Display keine richtige Pufferung für
> dessen Reset-Pin. Also z.B. nur den integrierten Pullup und sonst
> nichts. Das mag in ruhigen Umgebungen funktionieren, bei ordentlich
> Störungen kann das durchaus den Reset auslösen. Und wenn der Puls zu
> kurz ist, ists nur ein partieller Reset und das Ding hängt sich auf.
>
> Schau also mal ob auf der Platine des Displays irgendwo der Reset
> rausgeführt wird.

https://learn.sparkfun.com/tutorials/avr-based-serial-enabled-lcds-hookup-guide/hardware-overview

Stimmt, hat er.

> Meist haben solche Displays offene Lötpads etc. über
> die man einiges rekonfigurieren kann, auch wenn sie nicht direkt im
> öffentlichen Datenblatt dokumentiert sind.

Partieller Reset? Kann der auch zu komplett unsinnigem Verhalten führen?

Dann einen 1k nach Vcc? Muss ich schauen, ob irgendwo die 3,3V in der 
Nähe sind.

Gruß Roland