Grundlagen der Elektromagnetischen Verträglichkeit

Grundlagen der Elektromagnetischen Verträglichkeit
Dr.-Ing. Mathias Magdowski
Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit
Institut für Medizintechnik
Fakultät für Elektro- und Informationstechnik
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
06. November 2019
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen der EMV 06. November 2019 1 / 39

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.

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.

EMV-Störmodell
Stör-
quelle
Koppelmechanismus
Stör-
senke
Abbildung: Allgemeines Kopplungsmodell
Beispiel:

Nachweis der EMV durch Messungen
Gestrahlte
Messungen:
Leitungsgebundene
Messungen:

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

EMV-Arbeit
Entwicklung Prüfung Produktion
Kosten
Verbesserungsmöglichkeiten
Phasen

Störquellen
Zwischenübersicht
1 Deﬁnition und Aspekte der EMV
2 Störquellen
3 Frequenzbereich und Zeitbereich
4 Rechnung in Decibel
5 Gleichtakt- und Gegentaktsignale

Störquellen
Blitze

Störquellen
Elektrostatische Entladung

Störquellen
Mobilfunkstrahlung
Typisches Problem:
1 Mobiltelefon in der Nähe eines
Radios oder einer Aktivbox
2 Anruf oder SMS
3 charakteristisches Piepen oder
Knacken

Störquellen
Weitere Störquellen
Klassiﬁzierung:
natürlich ↔ künstlich
schmalbandig ↔ breitbandig
periodisch ↔ nichtperiodisch
systemeigen ↔ systemfremd

Frequenzbereich und Zeitbereich
Zwischenübersicht
2 Störquellen

Zeit- und Frequenzbereich
Zeitbereich:
sehr anschaulich für dynamische Prozesse

Zeitbereich:
Frequenzbereich:
Betrachtung des Spektrums und des Resonanzverhaltens
Messung ist meist exakter

Zeitbereich:
Frequenzbereich:
Betrachtung des Spektrums und des Resonanzverhaltens
Messung ist meist exakter
Arten von Störsignalen:
harmonisch (sinusförmig)
periodisch, aber nicht sinusförmig
aperiodisch, impulsförmig

Sinusförmige Störgrößen
Zeitfunktion:
T = 2π/ω 2T
−A0
A0
Zeit, t
Amplitude, a(t) = A0 · cos(ωt)

Sinusförmige Störgrößen
Spektrum:
ω
A0
Frequenz, ω = 2πf
Spektrum, |A(ω)|

Nichtsinusförmige periodische Funktionen
Zeitfunktion:
T
−A0
A0
T/2
Zeit, t
Amplitude, a(t)

Spektrum:
ω0
A0
Frequenz, ω = 2πf
Spektrum, |A(ω)|

Spektrum:
ω0 3ω0 5ω0
A0
Frequenz, ω = 2πf
Spektrum, |A(ω)|

Aperiodische, impulsförmige Störgrößen
Zeitfunktion:
A0
τ
Zeit, t
Amplitude, a(t)

Spektrum:
2π
τ
A0 · τ
Frequenz, ω = 2πf
Spektrum, |A(ω)|

Spektrum:
2π
τ
4π
τ
6π
τ
A0 · τ
Frequenz, ω = 2πf
Spektrum, |A(ω)|

Spektrum in doppelt-logarithmischer Skalierung:
10−1
100
101
10−2
10−1
100
Frequenz, ωτ/2π
Spektrum,|A(ω)|/A0τ

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:
û
τ
tr
Zeit
Amplitude

EMV-Tafel
Amplitudenspektrum (Einhüllende):
1
πτ
1
πtr
2ˆuτ
konstant
−20 dB pro Dekade
−40 dB pro Dekade
Frequenz (log.)
Spektraldichte in dB

EMV-Tafel
Ergebnis für dreieckförmige und rechteckige Pulse:
1
πτ
1
πtr
2ˆuτ
Frequenz (log.)
Spektraldichte in dB

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

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

Rechnung in Decibel
Zwischenübersicht
2 Störquellen

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)

Rechnung in Decibel
Nicht zu verwechseln mit:
Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Drink_augustiner_beergarden.jpg

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
Abbildung: Alexander Graham Bell (ca.
zwischen 1914–1919)

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

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 0,708
−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

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 µV = 20 · lg
U
1 µV
dBµ (4)

Rechnung in Decibel
Nicht zu verwechseln mit:
Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pegelhaus_Magdeburg.jpg

Rechnung in Decibel
Zusammenfassung der Rechenregeln
Summe oder Differenz zweier Maße ist ein Maß:
20 dB + 30 dB =

Rechnung in Decibel
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)

Rechnung in Decibel
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
Summe von Maß und Pegel ist ein Pegel:
0 dB (mW) + 50 dB =

Rechnung in Decibel
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)

Rechnung in Decibel
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)
Differenz zweier Pegel ist ein Maß:
50 dB (mW) − 0 dB (mW) =

Rechnung in Decibel
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)
50 dB (mW) − 0 dB (mW) = 50 dB (7)

Rechnung in Decibel
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)
50 dB (mW) − 0 dB (mW) = 50 dB (7)
Summe zweier Pegel ist nicht sinnvoll:
20 dB (mW) + 30 dB (mW)

Rechnung in Decibel
20 dB + 30 dB = 50 dB (5)
0 dB (mW) + 50 dB = 50 dB (mW) (6)
50 dB (mW) − 0 dB (mW) = 50 dB (7)
Summe zweier Pegel ist nicht sinnvoll:
20 dB (mW) + 30 dB (mW) falsch! (8)

Rechnung in Decibel
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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 der EMV 06. November 2019 36 / 39

Gleichtakt- und Gegentaktsignale
Zwischenübersicht
2 Störquellen

Symmetrisch betriebener Stromkreis
Re
Ug2
Rg2
I2
Cs2
Ug1
Rg1
I1
Cs1
Rl1
Rl2
U2
Ucm
U12 = Udm
U1

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)

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