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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
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
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.
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 3 / 60
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
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 4 / 60
Grundlagen Definition und Aspekte der EMV
Nachweis der EMV durch Messungen
Gestrahlte
Messungen:
Leitungsgebundene
Messungen:
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 5 / 60
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
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
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
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
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/
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 10 / 60
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 57 / 60
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
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 58 / 60
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
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
Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 60 / 60

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Grundlagen und Koppelwege der Elektromagnetischen Verträglichkeit

  • 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. Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 3 / 60
  • 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 Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 4 / 60
  • 5. Grundlagen Definition und Aspekte der EMV Nachweis der EMV durch Messungen Gestrahlte Messungen: Leitungsgebundene Messungen: Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 5 / 60
  • 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/ Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 10 / 60
  • 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 Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 57 / 60
  • 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 Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 58 / 60
  • 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 Magdowski (Lehrstuhl für EMV) Grundlagen und Koppelwege 07. November 2018 60 / 60