Einführung in das Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)
Das Thema EMV ist in den letzten Jahren zu einem immer wichtigeren Gesichtspunkt bei der Entwicklung von elektrischen Geräten und Anlagen geworden. Gerade im PC-Bereich, wo sich die Taktraten ständig erhöhen herrscht zudem ein enormer Kostendruck. Genau dieser Kostendruck verhindert jedoch oft eine vollständige Realisierung unter Beachtung aller EMV-relevanten Kriterien. Dennoch müssen bestimmte geltende Richtlinien und Gesetze eingehalten werden, was oft einen Kompromiss aus Kosten und EMV-Maßnahmen bedeutet. Gerade um solche kostengünstige Lösungen finden zu können, ist an dieser Stelle ein tiefgehendes physikalisches Verständnis über die Ursachen auftretender Probleme nötig. Besonders wichtig ist, in diesem Zusammenhang die genauen Mechanismen der Beeinflussung, die sogenannten Koppelmechanismen zu kennen.
Als Einstieg und zum besseren Verständnis werden zunächst einige in der Literatur häufig zu findende Begriffe geklärt und eine kurze Einführung in das Gebiet der EMV gegeben.
a) Häufig benutzte Begriffe in der EMV
Die elektromagnetische Verträglichkeit wird nach der internationalen Norm IEC 61000-1-1 oder nach der deutschen Norm DIN VDE 0870 definiert:
„Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung – Anlage, Gerät, Baugruppe – in einer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne diese Umgebung unzulässig zu beeinflussen.“[2]
Dies beinhaltet sowohl, dass die betrachtete Einrichtung gegenüber der Umgebung unempfindlich genug ist, um nicht selbst in ihrer Funktion gestört zu werden, als auch andere Einrichtungen oder Lebewesen nicht unzulässig zu beeinflussen.
In der deutschsprachigen Literatur findet man in Verbindung mit EMV die in Abbildung 1 dargestellten Begriffe. Einige dieser Begriffe sind aus dem Englischen Sprachgebrauch übernommen worden, besitzen aber gegenüber ihren ursprünglichen deutschen Inhalten teils unterschiedliche Bedeutungen [1].
Abbildung 1 : Wichtige Begriffe der EMV
Als Immunität bezeichnet man die grundsätzliche Fähigkeit eines Gerätes, der Einwirkung einer Störung ohne Funktionsminderung standzuhalten. Der Begriff Immunität wird in diesem Zusammenhang auch als Störfestigkeit bezeichnet und ist ein Qualitätsmerkmal, das erst durch begleitende Parameter einen quantitativen Inhalt erhält.
Im Gegensatz dazu wird die Unfähigkeit eines Gerätes, einer bestimmten Störgröße ohne Verminderung der Funktionsweise zu widerstehen als elektromagnetische Suszeptibilität bezeichnet und bezeichnet somit einen Mangel an elektromagnetischer Immunität.
Unter dem Begriff elektromagnetische Interferenz versteht man die Verminderung der Funktionsweise der betrachteten Einrichtung durch eine elektromagnetische Einwirkung. Darin ist jedoch keine Aussage über das Ausmaß der auftretenden Fehlfunktion enthalten.
Der Begriff der elektromagnetischen Beeinflussung bezeichnet allgemein die Einwirkung elektromagnetischer Größen auf Stromkreise, Geräte, Systeme oder Lebewesen.
Die elektromagnetische Verträglichkeit Umwelt bezieht sich auf die Gesamtheit der Probleme, die durch die Einwirkung elektromagnetischer Felder auf Flora, Fauna und den Menschen entstehen.
Als elektromagnetische Emission bezeichnet man allgemein Störgrößen, die auf verschiedenen Wegen aus dem Gerät austreten und so wiederum andere Geräte beeinflussen können.
Wie bereits erwähnt, haben ähnliche Begriffe in der englischen Literatur teils unterschiedliche Bedeutungen, die an dieser Stelle aber nicht näher erläutert werden, vielmehr soll auf die entsprechende englischsprachige Fachliteratur (z.B.[8]) bzw. das Abkürzungsverzeichnis verwiesen werden.
b) Elektromagnetische Verträglichkeit, Elektromagnetische Beeinflussung
In Abbildung 2 sind verschiedene Arten elektromagnetischer Beeinflussung dargestellt.
Abbildung 2: Elektromagnetische Beeinflussung in/an einem Gerät [10]
Generell unterscheidet man zwischen interner und externer Beeinflussung. Die interne Beeinflussung besteht im allgemeinen aus unerwünschter Kopplung von einzelnen Bauteilen oder einzelnen Systemkomponenten.
Die externe Beeinflussung beinhaltet
· Leitungsgebundene Einwirkung und Aussendung (z.B. durch Spannungspulse bei Schaltvorgängen auf der Leitung)
· Strahlungsgebundene Einwirkung und Aussendung (z.B. durch hochfrequente Störquellen)
· Elektrostatische Entladung am Gerät (z.B. durch geladene Körper)
Ein einfaches Beeinflussungsmodell ist in Abbildung 3 zu sehen. Die Störquelle (Sender) ist hierbei der Erzeuger einer Störung. Diese von der Störquelle (Sender) erzeugte Störung gelangt über einen definierten Kopplungsweg zur Störsenke (Empfänger), dessen Betriebsverhalten durch die Störung beeinflusst werden kann.
Abbildung 3: Beeinflussungsmodell (vergl.[10])
Besonders wichtig ist es hierbei, die genauen Kopplungswege für elektromagnetische Störungen zu kennen, um geeignete Gegenmaßnahmen treffen zu können. Diese Maßnahmen greifen an verschiedenen Stellen des Beeinflussungsmodells an, um die Beeinflussung des Empfängers so weit wie möglich zu verringern bzw. ganz auszuschalten. Die verschiedenen Maßnahmen an den Angriffspunkten sind in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4: Beeinflussungsmodell mit EMV-Maßnahmen (vergl.[10])
Dieses Modell ist jedoch stark vereinfacht. In der Praxis treten oft sehr komplexe Zusammenhänge zwischen verschiedenen Störquellen und Störsenken auf. Des weiteren existieren z.B. in einem System mehrere Störquellen und Störsenken, wobei eine Störsenke auch gleichzeitig als Störquelle wirken und mit anderen Störquellen/-senken innerhalb oder außerhalb des Systems in Wechselwirkung stehen kann. Auch können sich mehrere Kopplungswege überlagern. Abbildung 5 deutet einen solchen möglichen Zusammenhang an. Dabei unterscheidet man zwischen den Kopplungswege K1 bis K8, die eine Intrasystem-Beeinflussung bilden und den Kopplungswegen K9/K10, die man als Intersystem-Beeinflussung bezeichnet.
Abbildung 5: Komplexes Beeinflussungsmodell (vergl. [2])
In der Praxis sind die Kopplungswege oft beliebig komplex und es ist große Erfahrung nötig, um diese hinreichend genau analysieren zu können. Dagegen können Störquellen und Störsenken leicht durch Messung ihrer Emissionen bzw. Störschwellen identifiziert werden .
c) Kopplungsmechanismen
(vergl. [1])
Als Kopplungsmechanismen werden diejenigen Mechanismen bezeichnet, durch welche eine von der Störquelle erzeugte Störung zur Störsenke gelangt. Abhängig von Ausbreitungsmedium und Entfernung zur Störquelle können Störgrößen über unterschiedliche Wege bzw. über eine Kombination verschiedener Wege zur Störsenke gelangen. In Abbildung 6 sind die verschiedenen Kopplungsmechanismen dargestellt.
Abbildung 6: Kopplungsmechanismen elektromagnetischer Beeinflussungen
Nachfolgend werden diese verschiedenen Kopplungsmechanismen kurz erläutert.
Galvanische Kopplung
Galvanische Kopplung tritt auf, wenn zwei Stromkreise miteinander leitend verbunden sind. Beide Stromkreise haben dadurch eine gemeinsame Impedanz, meist in Form eines gemeinsamen Leitungsstückes, die als Übertragungsweg wirkt. Eine solche galvanische Kopplung ist in Abbildung 7 zu sehen.
Abbildung 7: Galvanische Kopplung zweier Stromkreise
über eine gemeinsame Impedanz [1]
Durch den Strom im Stromkreis I tritt an der Impedanz Z ein Spannungsabfall auf, der sich mit dem Nutzsignal in Stromkreis II überlagert. Die Störung kann selbstverständlich auch in umgekehrter Richtung erfolgen. Die Galvanische Kopplung tritt häufig auf, wenn Ströme verschiedener Verbraucher über gemeinsame Versorgungs- oder Masseleitungen fließen. Dabei bildet die Selbstinduktivität der Leitungen die Hauptursache für eine Galvanische Kopplung.
Kapazitive Kopplung
Die Kapazitive Kopplung, wird oft auch als Elektrische Kopplung bezeichnet, da die Kopplung zwischen nahe zusammenliegenden Leitungen durch deren Potentialunterschied und des damit verbundenen elektrischen Feldes zustande kommt. Abbildung 8 zeigt das Feldmodell bzw. Leitungsmodell der kapazitiven Kopplung.
Abbildung 8: Beispiel für die elektrische Kopplung zweier Stromkreise [1]
Der störende Stromkreis ist hierbei das 220 V Netz, der gestörte Stromkreis II ein einfacher Messstromkreis. Im Netzwerkmodell wird die beeinflussende Wirkung durch die Annahme von Kapazitäten nachgebildet, welche einen Verschiebungsstrom zur gemeinsamen Masseverbindung bewirken. Generell besitzt die kapazitive Kopplung Hochpasscharakteristik, jedoch überwiegen ab einer höchsten Frequenz andere Kopplungsmechanismen.
Induktive Kopplung
Die Induktive Kopplung wird auch als magnetische Kopplung bezeichnet, da sie durch ein von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugtes magnetisches Wechselfeld zustande kommt. Die induktive Kopplung tritt genau wie die kapazitive Kopplung bei nahe zusammenliegender Quelle und Senke auf. Abbildung 9 zeigt das Feld- bzw. Netzwerkmodell zweier magnetisch gekoppelter Leiterschleifen.
Abbildung 9: Beispiel für die magnetische Kopplung zweier Stromkreise [1]
Das durch Stromkreis I erzeugte magnetische Wechselfeld induziert hierbei eine Spannung in den Stromkreis II. Im Netzwerkersatzschaltbild wird die magnetische Kopplung durch eine Gegeninduktivität M dargestellt.
Induktive Kopplungen sind oft relativ schwer an der Störquelle zu bekämpfen, da ein Magnetfeld im Gegensatz zu einem elektrischen Feld nicht so leicht z.B. durch dünne Schirmbleche abgeschirmt werden kann. Vielmehr sind hier Maßnahmen wie Lageänderung zur Unterbrechung der Kopplungswege zu treffen.
Wellenleiterkopplung
Die Wellenleiterkopplung wird oft auch als Elektromagnetische Leitungskopplung bezeichnet, da es sich hierbei um eine gleichzeitig vorliegende gekoppelte elektrische und magnetische Beeinflussung zwischen zwei oder mehreren elektrisch langen Leitungen handelt. Auf diesen elektrisch langen Leitungen sind Spannungen und Ströme nicht mehr, wie bei rein kapazitiver oder induktiver Kopplung unabhängig voneinander wählbar, sondern über den Wellenwiderstand miteinander verknüpft.
Ob eine Leitung elektrisch lang oder kurz ist, wird im Zeit und Frequenzbereich durch unterschiedliche Kriterien bestimmt [1]:
- Im Zeitbereich gilt eine Leitung als elektrisch lang, wenn die Anstiegszeit des auf ihr übertragenen Impulses in die Größenordnung der Laufzeit kommt oder sie gar unterschreitet und damit Spannung und Strom einer Leitung vom Ort abhängen, das heißt u=u(t,x) und i=i(t,x).
- Im Frequenzbereich gilt eine Leitung als elektrisch lang, wenn die komplexen Amplituden von Strom und Spannung vom Ort auf der Leitung abhängen, d.h. U=U(x) und I=I(x). Dieser Effekt tritt ein, wenn die Wellenlänge in die Größenordnung der Leitungslänge kommt oder sie gar unterschreitet.
Zur Abschätzung lassen sich nach [2] folgende Kriterien verwenden:
Längen der Signalleitungen von Quelle und Senke sind größer als 1/10 der übertragenen Wellenlänge:
Daneben muss für den Abstand a zwischen den koppelnden Leitungen gelten:
In Abbildung 10 ist das Feldmodell und Netzwerkmodell eines elektromagnetisch gekoppelten Zweileitersystems mit gemeinsamer Rückleitung und den entsprechenden Leitungsbelägen zu sehen.
Abbildung 10: Feldmodell (links) und Netzwerkmodell (rechts) eines elektromagnetisch gekoppelten Zweileitersystems mit gemeinsamer Rückleitung; Leitung 1: störendes System, Leitung 2: gestörtes System;[1]
Strahlungskopplung
Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Kopplungsmechanismen erfolgt die Strahlungskopplung durch den nichtleitenden Raum in großem Abstand bezogen auf die Abmessungen von Quelle bzw. Senke. Wie in Abbildung 11 zu sehen, wird vom Sender eine elektromagnetische Welle in den freien Raum abgestrahlt und im Fernfeld von einer Störsenke empfangen.
Abbildung 11: Strahlungskopplung [1]
Im Gegensatz zu Verkopplungen im Nahfeldbereich sind Kopplungen im Fernfeld für den Sender nahezu rückwirkungsfrei.
Strahlungskopplung tritt nach [2] immer dann auf, wenn für den Abstand a zwischen Störquelle und Störsenke folgende Bedingung erfüllt ist:
d) Gegentakt- und Gleichtaktstörungen
(vergl. [1],[2])
Generell kann man bei Störquellen zwischen Gleichtakt- und Gegentaktstörquellen unterscheiden. Diese sind im gestörten Stromkreis nicht als physikalisches Bauelement erkenntlich, sondern zeigen sich nur anhand ihrer Wirkung. In Ersatzschaltbildern werden sie als ideale Spannungsquellen dargestellt.
Gegentaktstörungen
Gegentaktstörungen (Differential mode) werden von Gegentaktstörquellen erzeugt. Diese Gegentaktstörquellen UGg haben ihren Ursprung in magnetischer Kopplung, galvanischer Kopplung oder können durch Gleichtakt/Gegentakt-Konversion entstehen. In Abbildung 12 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild zu sehen, in welchem diese Gegentaktstörquellen in Reihe mit der Nutzsignalquelle UNutz zu sehen ist.
Abbildung 12: Gegentaktstörungen a) in nicht geerdeten Stromkreisen, b) in symmetrisch betriebenen Stromkreisen, c) in unsymmetrisch betriebenen Stromkreisen [1]
Gegentaktstörungen treiben Gegentaktstörströme IGg, die in gleicher Richtung fließen wie die Nutzsignalströme d.h. im Hin- und Rückleiter eines Signalkreises entgegengesetzte Richtung besitzen. Die Gegentaktstörströme rufen an einer Empfängerimpedanz ZE einen Störspannungsabfall hervor, der bei nicht geerdeten Schaltungen als Gegentaktstörspannung (Abbildung 12 a) ), im Fall symmetrisch betriebener Stromkreise als symmetrische Störspannung (Abbildung 12 b) ) und in unsymmetrischen Stromkreisen als unsymmetrische Störspannung in Erscheinung tritt (Abbildung 12 c) ). Eine symmetrische Störspannung stellt damit einen Spezialfall einer Gegentaktstörung dar, bzw. ist in symmetrisch betriebenen Schaltungen gleichbedeutend mit ihr.
Gleichtaktstörungen (Common mode) werden von Gleichtaktstörquellen verursacht, deren physikalischer Ursprung in kapazitiver Kopplung, Potentialanhebungen von Masse oder Erdungspunkten oder in Potentialdifferenzen räumlich auseinander liegender Masse- und Erdklemmen bzw. Schutzleiterkontakte liegt. Die Gleichtaktstörquellen treten wie in Abbildung 13 zu sehen im elektrischen Ersatzschaltbild zwischen einem Stromkreis und Erde auf.
Abbildung 13: Gleichtaktstörquellen, UGl 0 a) in symmetrisch betriebenen Stromkreisen, b) in unsymmetrische betriebenen Stromkreisen [1]
Gleichtaktstörquellen treiben Gleichtaktströme IGL, die in allen Leitern eines Signalkerns gleichsinnig zum Empfänger fließen. In erdfrei betriebenen Stromkreisen können sich mangels eines geschlossenen Strompfades zunächst gar keine Gleichtaktströme ausbilden. Somit entstehen auch keine Spannungsabfälle an der Empfängerimpedanz. Die unsymmetrische Störspannungen sind somit nur gegen Masse, nicht aber an der Empfängerimpedanz zu messen. Diese idealisierte Betrachtungsweise gilt nur für niedrige Frequenzen in guter Näherung. Mit steigender Frequenz machen sich Leitungsimpedanzen und insbesondere Streukapazitäten deutlich bemerkbar. Das elektrische Ersatzschaltbild für hohe Frequenzen ist in Abbildung 14 zu sehen.
Abbildung 14: Veranschaulichung der Gleichtakt/Gegentakt-Konversion [1]
Die Gleichtaktstörquelle kann jetzt durch die parallelen Hin- und Rückleiter gleichsinnige Ströme treiben, die über die Streukapazitäten und Erde zur Gleichtaktstörquelle zurückfließen können. Im Fall völliger Symmetrie ( ZL1=ZL2 und CStr1=CStr2) von Hin- und Rückleitung tritt keine Störspannung zwischen den Empfängerklemmen auf. Erst wenn Unsymmetrien (ZL1¹ZL2 oder CStr1¹CStr2) zwischen Hin- und Rückleiter auftreten, so fließen auch unterschiedliche Ströme, welche unterschiedliche Spannungsabfälle an den Leitungsimpedanzen hervorrufen. Hin- und Rückleiter nehmen unterschiedliche Spannungen gegenüber Masse an und es kommt zu einer Gleich/Gegentakt-Konversion. Die ungleichen Impedanzen bewirken, dass die Gleichtaktspannung ganz oder teilweise in eine Gegentaktspannung umgewandelt wird, deren Höhe sich aus der Differenz der unsymmetrischen Störspannungen ergibt.
Literaturverzeichnis
Fach- und Grundlagenbücher
[1] Schwab, Adolf J.: „Elektromagnetische Verträglichkeit“,
Springer Verlag, Heidelberg 1996
[2] Durcansky, Georg: „EMV-gerechtes Gerätedesign- Grundlagen der Gestaltung störungsarmer Elektronik“,
Franzis-Verlag, Poing 1999
[3] Wilhelm, J. u.a.: „Funk-Entstörung – Gesetzliche und physikalische Grundlagen“,
Expert Verlag, Ehningen 1982
[4] Habinger, Ernst: „Elektromagnetische Verträglichkeit – Grundzüge ihrer Sicherstellung in der Geräte- und Anlagentechnik“, Hüthig Verlag, Heidelberg 1996
[5] Meinke; Gundlach: „Taschenbuch der Hochfrequenztechnik“,
Hrsg. Lange, Löcherer, Springer Verlag, Heidelberg 1992
[6] Zinke; Brunswig: „Hochfrequenztechnik 1 – Hochfrequenzfilter, Leitungen Antennen“,
Hrsg. Vlcek, Hartnagel, Springer Verlag, Heidelberg 1995
[7] Lehner, Günter: „Elektromagnetische Feldtheorie für Ingenieure und Physiker“,
Springer Verlag, Heidelberg 1994
[8] Morgan, David: „A handbook for EMC testing and measurement“,
IEE Electrical Measurement Series 8, 1996
[9] Weber, Alfred: „EMV in der Praxis”,
Hüthig Verlag, Heidelberg 1994
Fachaufsätze, Veröffentlichungen
[10] Lindenmeier, Stefan: „Methoden zur Analyse elektromagnetischer Kopplungen“,
Habilitationsschrift, TU München 1999
[11] Okyere, Philip Fosu: „Effektivierung und Qualifizierung des EMV-gerechten Entwurfs von Schaltnetzteilen“,
Dissertation, TU Dresden 1999
[12] Lamedschwandner; Garn: „Der Einfluß von Gehäuseöffnungen auf die Schirmdämpfung von Geräten“,
Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, Tagungsband, Düsseldorf 1998
[13] Okyere; Heinemann: „Analyse und Reduzierung leitungsgebundener Störgrößen in Schaltnetzteilen“,
Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, Tagungsband, Düsseldorf 1998
[14] Öing; Eckardt: „Einfluß inhomogener Teilmasseflächen auf das abgestrahlte elektromagnetische Feld“,
Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, Tagungsband, Düsseldorf 1998
[15] Öing, Stefan: „Elektromagnetisches Strahlungsfeld elektronischer Komponenten und Systeme“,
Dissertation, Verlag Shaker, Paderborn 1994
