Foliensatz für den Einführungsvortrag des EMV Boot Camp 2018 mit dem Fokus "Komponenten- und Platinen-EMV" des IEEE German EMC Chapters

1. Grundlagen und Koppelwege
Dr.-Ing. Mathias Magdowski
Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit
Institut für Medizintechnik
Fakultät für Elektro- und Informationstechnik
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
07. November 2018
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 1 / 60

2. Grundlagen Definition und Aspekte der EMV
Definition
Nach dem Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit
von Betriebsmitteln vom 14. Dezember 2016 ist die EMV:
die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen Umgebung zu-
friedenstellend zu arbeiten, ohne elektromagnetische Störungen zu verursachen,
die für andere in dieser Umgebung vorhandene Betriebsmittel unannehmbar wä-
ren.
Bildquelle: http://www.iec.ch/emc/explained/intro.htm
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 2 / 60

3. Grundlagen Definition und Aspekte der EMV
Aspekte der EMV
Störfestigkeit (Immunität):
ist die Fähigkeit eines Betriebsmittels, unter Einfluss einer elektromagnetischen
Störung ohne Funktionsbeeinträchtigung zu arbeiten.
Störaussendung (Emission):
meint jede elektromagnetische Erscheinung, die die Funktion eines Betriebsmit-
tels beeinträchtigen könnte. Eine elektromagnetische Störung kann ein elektro-
magnetisches Rauschen, ein unerwünschtes Signal oder eine Veränderung des
Ausbreitungsmediums selbst sein.
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4. Grundlagen Definition und Aspekte der EMV
EMV-Störmodell
Stör-
quelle
Koppelmechanismus
Stör-
senke
Beispiel:
Bildquelle links: Linksys Rangebooster von Lalitpatanpur via openclipart, https://openclipart.org/detail/169452/linksys-rangebooster
Bildquelle rechts: TV set von Machovka via openclipart, https://openclipart.org/detail/2416/tv-set
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5. Grundlagen Definition und Aspekte der EMV
Nachweis der EMV durch Messungen
Gestrahlte
Messungen:
Leitungsgebundene
Messungen:
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6. Grundlagen Definition und Aspekte der EMV
Interne und externe EMV
Interne EMV:
Verträglichkeit innerhalb eines Gerätes oder eines Systems
Externe EMV:
Verträglichkeit an den Schnittstellen zur Umwelt
Baugruppe Interne EMV Baugruppe
System
Leitungs-
gebundene
Einwirkung
Leitungs-
gebundene
Aussendung
Strahlungs-
gebundene
Einwirkung
Strahlungs-
gebundene
Aussendung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 6 / 60

7. Grundlagen Definition und Aspekte der EMV
EMV-Arbeit
Entwicklung Prüfung Produktion
Kosten
Verbesserungsmöglichkeiten
Phasen
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 7 / 60

8. Grundlagen Störquellen
Zwischenübersicht
1 Grundlagen
Definition und Aspekte der EMV
Störquellen
Frequenzbereich und Zeitbereich
Rechnung in Decibel
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
2 Koppelmechanismen
Galvanische Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
Strahlungskopplung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 8 / 60

9. Grundlagen Störquellen
Blitze
3 Blitze in der Nähe einer Freileitung von Harald Bischoff, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16495072
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 9 / 60

10. Grundlagen Störquellen
Elektrostatische Entladung
Elektrostatische Entladung zwischen einer Person und der Umgebung, Deurowood Produktions GmbH, Hard, Österreich, Antistatik-Additive DeuroChem AS-02,
http://www.deurowood.com/de/produktkategorie/antistatik-additive/
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11. Grundlagen Störquellen
Mobilfunkstrahlung
Typisches Problem:
1 Mobiltelefon in der Nähe eines
Radios oder einer Aktivbox
2 Anruf oder SMS
3 charakteristisches Piepen oder
Knacken
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 11 / 60

12. Grundlagen Störquellen
Weitere Störquellen
Klassifizierung:
natürlich ↔ künstlich
schmalbandig ↔ breitbandig
periodisch ↔ nichtperiodisch
systemeigen ↔ systemfremd
Bildquelle links: Sonnenfleckenaktivität im September 2011 via Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16800815
Bildquelle mitte: Radarantenne, von Bukvoed, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4840831
Bildquelle rechts: Bürstenfeuer am Kommutator eines elektrischen Schlagschraubers, http://www.fingers-welt.de/
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 12 / 60

13. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Zwischenübersicht
1 Grundlagen
Definition und Aspekte der EMV
Störquellen
Frequenzbereich und Zeitbereich
Rechnung in Decibel
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
2 Koppelmechanismen
Galvanische Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
Strahlungskopplung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 13 / 60

14. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Zeit- und Frequenzbereich
Zeitbereich:
sehr anschaulich für dynamische Prozesse
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 14 / 60

15. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Zeit- und Frequenzbereich
Zeitbereich:
sehr anschaulich für dynamische Prozesse
Frequenzbereich:
Betrachtung des Spektrums und des Resonanzverhaltens
Messung ist meist exakter
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 14 / 60

16. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Zeit- und Frequenzbereich
Zeitbereich:
sehr anschaulich für dynamische Prozesse
Frequenzbereich:
Betrachtung des Spektrums und des Resonanzverhaltens
Messung ist meist exakter
Arten von Störsignalen:
harmonisch (sinusförmig)
periodisch, aber nicht sinusförmig
aperiodisch, impulsförmig
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 14 / 60

17. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Sinusförmige Störgrößen
Zeitfunktion:
T = 2π/ω 2T
−A0
A0
Zeit, t
Amplitude, a(t) = A0 · cos(ωt)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 15 / 60

18. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Sinusförmige Störgrößen
Spektrum:
ω
A0
Frequenz, ω = 2πf
Spektrum, |A(ω)|
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 16 / 60

19. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Nichtsinusförmige periodische Funktionen
Zeitfunktion:
T
−A0
A0
T/2
Zeit, t
Amplitude, a(t)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 17 / 60

20. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Nichtsinusförmige periodische Funktionen
Spektrum:
ω0 3ω0 5ω0
A0
Frequenz, ω = 2πf
Spektrum, |A(ω)|
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 18 / 60

21. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Aperiodische, impulsförmige Störgrößen
Zeitfunktion:
A0
τ
Zeit, t
Amplitude, a(t)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 19 / 60

22. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Aperiodische, impulsförmige Störgrößen
Spektrum:
2π
τ
4π
τ
6π
τ
A0 · τ
Frequenz, ω = 2πf
Spektrum, |A(ω)|
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 20 / 60

23. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Aperiodische, impulsförmige Störgrößen
Spektrum in doppelt-logarithmischer Skalierung:
10−1
100
101
10−2
10−1
100
Frequenz, ωτ/2π
Spektrum,|A(ω)|/A0τ
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 21 / 60

24. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
EMV-Tafel
Zweck:
einfache grafische Bestimmung der Einhüllenden (Worst Case) der Amplitudendichte
eines gegebenen Standardstörimpulses
für einen trapezförmigen Puls
grafische Transformation Zeitbereich −→ Frequenzbereich
Parameter eines trapezförmigen Pulses:
ˆu
τ
tr
Zeit
Amplitude
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 22 / 60

25. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
EMV-Tafel
Amplitudenspektrum (Einhüllende):
1
πτ
1
πtr
2ˆuτ
konstant
−20 dB pro Dekade
−40 dB pro Dekade
Frequenz (log.)
Spektraldichte in dB
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 23 / 60

26. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
EMV-Tafel
Ergebnis für dreieckförmige und rechteckige Pulse:
1
πτ
1
πtr
2ˆuτ
Frequenz (log.)
Spektraldichte in dB
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 24 / 60

27. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Spektrale Relevanz von Pulsspektren
Annahme:
Zunahme der Kopplung proportional zu f
1
πτ
1
πtr
2ˆuτ
∼ 1/f
∼ 1/f2
∼ f ∼ 1/f
∼ f
Frequenz (log.)
Spektraldichte in dB Störquelle
Kopplung
Störsenke
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 25 / 60

28. Grundlagen Frequenzbereich und Zeitbereich
Konflikt zwischen Leistungselektronik und EMV
Schalter offen Schaltvorgang Schalter geschlossen
Zeit
Amplitude
Verlustenergie im Schalter
Strom durch den Schalter
Spannung über dem Schalter
Verlustleistung im Schalter
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 26 / 60

29. Grundlagen Rechnung in Decibel
Zwischenübersicht
1 Grundlagen
Definition und Aspekte der EMV
Störquellen
Frequenzbereich und Zeitbereich
Rechnung in Decibel
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
2 Koppelmechanismen
Galvanische Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
Strahlungskopplung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 27 / 60

30. Grundlagen Rechnung in Decibel
Dämpfungs- und Übertragungsmaße
Definition:
logarithmiertes Verhältnis zweier elektrischer Größen
kennzeichnet ein Zweitor oder eine Übertragungsstrecke
1 −→ Eingang, 2 −→ Ausgang
Leistungsdämpfungsmaß (engl. attenuation) eines Zweitors:
AP = 10 · lg
P1
P2
dB (1)
Spannungsdämpfungsmaß eines Zweitors:
AU = 10 · lg
P1
P2
dB = 10 · lg
U2
1/R
U2
2/R
dB = 20 · lg
U1
U2
dB (2)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 28 / 60

31. Grundlagen Rechnung in Decibel
Nicht zu verwechseln mit:
Bildquelle: Augustiner Biergarten von Martin Ortmann, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=863876
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 29 / 60

32. Grundlagen Rechnung in Decibel
Ursprung des Einheitennamens Bel
Alexander Graham Bell (1847–1922)
Sprechtherapeut, Erfinder und
Großunternehmer
machte das Telefon kommerziell
erfolgreich
nach seinem Tod ruhte in den USA
für eine Minute der gesamte
Telefonverkehr
Bildquelle: Moffett Studio – Library and Archives Canada, Public Domain,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1559
Abbildung: Alexander Graham Bell (ca.
zwischen 1914–1919)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 30 / 60

33. Grundlagen Rechnung in Decibel
Einige Zahlen, die man sich merken sollte
Tabelle: Umrechnung dB – lineare Werte
Maß Leistungsverhältnis Spannungsverhältnis
in dB ungefähr exakt ungefähr exakt
0 1 1 1 1
3 2 1,995 1,4 1,412
6 4 3,98 2 1,995
10 10 10 3 3,162
20 100 100 10 10
40 10 000 10 000 100 100
60 1 000 000 1 000 000 1000 1000
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 31 / 60

34. Grundlagen Rechnung in Decibel
Einige Zahlen, die man sich merken sollte
Tabelle: Umrechnung dB – lineare Werte
Maß Leistungsverhältnis Spannungsverhältnis
in dB ungefähr exakt ungefähr exakt
0 1 1 1 1
−3 0,5 0,501 0,7 0,798
−6 0,25 0,25 0,5 0,501
−10 0,1 0,1 0,3 0,316
−20 0,01 0,01 0,1 0,1
−40 0,0001 0,0001 0,01 0,01
−60 0,000 001 0,000 001 0,001 0,001
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 32 / 60

35. Grundlagen Rechnung in Decibel
Pegel
Definition:
logarithmiertes Verhältnis zweier elektrischer Größen
Nennergröße −→ festgelegte Bezugsgröße mit gleicher Dimension der Zählergröße
Definition für Leistungen:
LP/1 mW = 10 · lg
P
1 mW
dBm (3)
Definition für Spannungen:
LU/1 V = 20 · lg
U
1 V
dB V (4)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 33 / 60

36. Grundlagen Rechnung in Decibel
Nicht zu verwechseln mit:
Bildquelle: Pegelhaus Magdeburg von Mathias Magdowski, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=57396653
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 34 / 60

37. Grundlagen Rechnung in Decibel
Zusammenfassung der Rechenregeln
Summe oder Differenz zweier Maße ist ein Maß:
20 dB + 30 dB =
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 35 / 60

38. Grundlagen Rechnung in Decibel
Zusammenfassung der Rechenregeln
Summe oder Differenz zweier Maße ist ein Maß:
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 35 / 60

39. Grundlagen Rechnung in Decibel
Zusammenfassung der Rechenregeln
Summe oder Differenz zweier Maße ist ein Maß:
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
Summe von Maß und Pegel ist ein Pegel:
0 dB (mW) + 50 dB =
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 35 / 60

40. Grundlagen Rechnung in Decibel
Zusammenfassung der Rechenregeln
Summe oder Differenz zweier Maße ist ein Maß:
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
Summe von Maß und Pegel ist ein Pegel:
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 35 / 60

41. Grundlagen Rechnung in Decibel
Zusammenfassung der Rechenregeln
Summe oder Differenz zweier Maße ist ein Maß:
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
Summe von Maß und Pegel ist ein Pegel:
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)
Differenz zweier Pegel ist ein Maß:
50 dB (mW) − 0 dB (mW) =
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 35 / 60

42. Grundlagen Rechnung in Decibel
Zusammenfassung der Rechenregeln
Summe oder Differenz zweier Maße ist ein Maß:
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
Summe von Maß und Pegel ist ein Pegel:
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)
Differenz zweier Pegel ist ein Maß:
50 dB (mW) − 0 dB (mW) = 50 dB (7)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 35 / 60

43. Grundlagen Rechnung in Decibel
Zusammenfassung der Rechenregeln
Summe oder Differenz zweier Maße ist ein Maß:
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
Summe von Maß und Pegel ist ein Pegel:
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)
Differenz zweier Pegel ist ein Maß:
50 dB (mW) − 0 dB (mW) = 50 dB (7)
Summe zweier Pegel ist nicht sinnvoll:
20 dB (mW) + 30 dB (mW)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 35 / 60

44. Grundlagen Rechnung in Decibel
Zusammenfassung der Rechenregeln
Summe oder Differenz zweier Maße ist ein Maß:
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
Summe von Maß und Pegel ist ein Pegel:
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)
Differenz zweier Pegel ist ein Maß:
50 dB (mW) − 0 dB (mW) = 50 dB (7)
Summe zweier Pegel ist nicht sinnvoll:
20 dB (mW) + 30 dB (mW) falsch! (8)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 35 / 60

45. Grundlagen Rechnung in Decibel
Empfehlungen
Produkte: Signalgeneratoren, Spektrumanalysatoren, Messempfänger, Netzwerkanalysatoren,
Leistungsmesser, Audioanalysatoren
dB or not dB ?
Was Sie schon immer zum
Rechnen mit dB wissen wollten…
Application Note 1MA98
30 dBm + 30 dBm = 60 dBm – stimmt das oder stimmt´s nicht? Warum ist 1 % einmal -40 dB, ein anderes
Mal 0,1 dB bzw. 0,05 dB? Auch erfahrene Ingenieure kommen bei diesen Fragen gelegentlich ins Grübeln.
Egal ob es um Leistungen, Spannungen, Reflexionsfaktor, Rauschzahl, Feldstärke und und und geht,
immer taucht der Begriff dB auf. Was bedeutes das, wie rechnet man damit? Diese Applikationsschrift hilft
Ihnen, früher Gelerntes wieder ins Gedächtnis zu holen.Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 36 / 60

46. Grundlagen Gleichtakt- und Gegentaktsignale
Zwischenübersicht
1 Grundlagen
Definition und Aspekte der EMV
Störquellen
Frequenzbereich und Zeitbereich
Rechnung in Decibel
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
2 Koppelmechanismen
Galvanische Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
Strahlungskopplung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 37 / 60

47. Grundlagen Gleichtakt- und Gegentaktsignale
Symmetrisch betriebener Stromkreis
Re
Ug2
Rg2
I2
Cs2
Ug1
Rg1
I1
Cs1
Rl1
Rl2
U2
Ucm
U12 = Udm
U1
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 38 / 60

48. Grundlagen Gleichtakt- und Gegentaktsignale
Gleichtakt- und Gegentaktströme
I1
Icm/2 Idm
I2
Gleichtaktstrom (engl. common mode):
führen zu Abstrahlung (antenna mode)
heben sich am Ende symmetrischer Stromkreise auf
wechseln über Streukapazitäten auf andere Leiter
Gegentaktstrom (engl. differential mode):
nur sehr geringe Abstrahlung
berechenbar mittels Leitungstheorie (transmission line mode)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 39 / 60

49. Koppelmechanismen
Zwischenübersicht
1 Grundlagen
Definition und Aspekte der EMV
Störquellen
Frequenzbereich und Zeitbereich
Rechnung in Decibel
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
2 Koppelmechanismen
Galvanische Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
Strahlungskopplung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 40 / 60

50. Koppelmechanismen
Koppelmechanismen
(a) galvanisch (b) kapazitiv (c) induktiv (d) elektromagnetisch
Bildquelle links: Schutzkontakt-Steckdosenleiste von Santeri Viinamäki, CC-BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49505060
Bildquelle mitte-links: Demonstation von elektrostatischer Aufladung im Musée de la découverte (Discovery Museum) in Paris von Jean-noël Lafargue,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3279587
Bildquelle mitte-rechts: Hufeisenmagnet von Oguraclutch, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6972066
Bildquelle rechts: Logarithmisch-periodische Dipolantenne für EMV-Messungen von BAZ Spezialantennen,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18365457
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 41 / 60

51. Koppelmechanismen Galvanische Kopplung
Zwischenübersicht
1 Grundlagen
Definition und Aspekte der EMV
Störquellen
Frequenzbereich und Zeitbereich
Rechnung in Decibel
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
2 Koppelmechanismen
Galvanische Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
Strahlungskopplung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 42 / 60

52. Koppelmechanismen Galvanische Kopplung
Galvanische Kopplung
uG1(t)
RG1
RL1
RKoppel
LKoppel
uG2(t)
RG2
RL2
Abbildung: Galvanische Kopplung von Stromkreisen über eine gemeinsame Koppelimpedanz
bestehend aus einem parasitären Widerstand RKoppel und einer parasitären Induktivität LKoppel
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 43 / 60

53. Koppelmechanismen Galvanische Kopplung
Galvanische Kopplung
Formale Beschreibung im Zeitbereich:
u(t) = RKoppel · i(t) + LKoppel ·
di(t)
dt
(9)
Im Frequenzbereich:
U = RKoppel · I + jωLKoppel · I (10)
Gegenmaßnahmen:
1 Auftrennung der Rückstrompfade („separate“ Bezugsleiter für Digital-, Analog- und
Versorgungssignale)
2 Verringerung der Koppelimpedanz (z. B. Masseflächen auf PCBs)
3 galvanische Entkopplung (z. B. Übertrager oder Optokoppler)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 44 / 60

54. Koppelmechanismen Galvanische Kopplung
Massefläche auf einer Leiterplatte
Bildquelle: TerraTec-Leiterplatte von Hoikka1, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15585032
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 45 / 60

55. Koppelmechanismen Galvanische Kopplung
Strom wählt den Weg der geringsten . . .
Abgewinkelter Leiter über einer Massefläche:
Bildquelle: EMV für Geräteentwickler und Systemintegratoren, Karl Heinz Gonschorek, https://www.springer.com/de/book/9783540234364
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 46 / 60

56. Koppelmechanismen Galvanische Kopplung
Strom wählt den Weg der geringsten Impedanz
Stromverteilung in der Massefläche:
(a) bei 1 kHz (b) bei 10 kHz
(c) bei 100 kHz (d) bei 1 MHz
Bildquelle: EMV für Geräteentwickler und Systemintegratoren, Karl Heinz Gonschorek, https://www.springer.com/de/book/9783540234364
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 47 / 60

57. Koppelmechanismen Galvanische Kopplung
Vermeidung von „Umwegen“ des Stromes
Masseebene
Via Via
Leiterbahn
Hinstrom
Schlitz
Rückstrom
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 48 / 60

58. Koppelmechanismen Kapazitive Kopplung
Zwischenübersicht
1 Grundlagen
Definition und Aspekte der EMV
Störquellen
Frequenzbereich und Zeitbereich
Rechnung in Decibel
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
2 Koppelmechanismen
Galvanische Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
Strahlungskopplung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 49 / 60

59. Koppelmechanismen Kapazitive Kopplung
Kapazitive Kopplung
uG1(t)
RG1
RL1
uG2(t)
RG2
RL2
CKoppel
CMasse1 CMasse2
Abbildung: Kapazitive Kopplung von Stromkreisen über parasitäre Streukapazitäten
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 50 / 60

60. Koppelmechanismen Kapazitive Kopplung
Kapazitive Kopplung
Formale Beschreibung im Zeitbereich:
i(t) = CKoppel ·
du(t)
dt
(11)
Im Frequenzbereich:
I = jωCKoppel · U (12)
Gegenmaßnahmen:
1 Verringerung der Koppelkapazitäten
größerer Abstand zwischen Systemen („natürliche“ Schirmung)
kompakte Konstruktion der Einzelsysteme
2 Schirmung von Störquelle und/oder -senke
3 langsamere Spannungsänderung in der Störquelle
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 51 / 60

61. Koppelmechanismen Kapazitive Kopplung
Abschirmung durch zusätzliche Masseleitungen
Bildquelle links: Parallel ATA Cable von Evan-Amos, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11450019
Bildquelle rechts: Alex Hirzel in „Wire gauge of 40 pin IDE cable“,
https://electronics.stackexchange.com/questions/34867/wire-gauge-of-40-pin-ide-cable
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 52 / 60

62. Koppelmechanismen Kapazitive Kopplung
Abschirmung durch Via Fences
Bildquelle oben: Wikimedia Commons, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25992503
Bildquelle unten: Wikimedia Commons, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25992494
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 53 / 60

63. Koppelmechanismen Induktive Kopplung
Zwischenübersicht
1 Grundlagen
Definition und Aspekte der EMV
Störquellen
Frequenzbereich und Zeitbereich
Rechnung in Decibel
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
2 Koppelmechanismen
Galvanische Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
Strahlungskopplung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 54 / 60

64. Koppelmechanismen Induktive Kopplung
Induktive Kopplung
uG1(t)
RG1
MGegen
i1(t)
RL1
uG2(t)
RG2
MGegen
RL2
Φ12(t)
Abbildung: Induktive Kopplung von Stromkreisen über eine parasitäre Gegeninduktivität MGegen
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 55 / 60

65. Koppelmechanismen Induktive Kopplung
Induktive Kopplung
Formale Beschreibung im Zeitbereich:
uinduziert(t) = MGegen ·
di1(t)
dt
(13)
Im Frequenzbereich:
Uinduziert = jωMGegen · I1 (14)
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 56 / 60

66. Koppelmechanismen Induktive Kopplung
Berechnung der Koppelinduktivität
Gegeninduktivität zwischen zwei langen parallelen Leitungen:
1
2
3
4
s13
s24
s14 s23
s
h
M =
µ0l
2π
· ln
s14 · s23
s13 · s24
für r s (15)
sij: Abstand zwischen den Punkten i und j
µ0: Permittivität des Freiraums
r: Radius der Leiter
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67. Koppelmechanismen Induktive Kopplung
Magnetische Entkopplung
Bedingung:
ln
s14 · s23
s13 · s24
= 0 −→
s14 · s23
s13 · s24
= 1 −→
s14
s13
=
s24
s23
(16)
Geometrie:
1
2
3 4
(a) gut
1
2
3 4
(b) besser
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68. Koppelmechanismen Strahlungskopplung
Zwischenübersicht
1 Grundlagen
Definition und Aspekte der EMV
Störquellen
Frequenzbereich und Zeitbereich
Rechnung in Decibel
Gleichtakt- und Gegentaktsignale
2 Koppelmechanismen
Galvanische Kopplung
Kapazitive Kopplung
Induktive Kopplung
Strahlungskopplung
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 59 / 60

69. Koppelmechanismen Strahlungskopplung
Strahlungskopplung
Auftreten:
bei elektrisch großen Systemen
Näherung mit stationären oder quasi-stationären Felder unzulässig → komplizierte
mathematische Beschreibung
elektrische und magnetische Feldern sind verkoppelt
Weitere Problematik beim geschlossenen Systemen:
metallische Hülle wirkt als resonante Umgebung
starke Feldüberhöhung bei bestimmten Frequenzen möglich
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