Phänomene in der EMV Elektromagnetische Kopplung und Signalzusammensetzung

Kapazitive Kopplung

Ursache für die kapazitive Kopplung ist eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Stromkreisen, die wegen gemeinsamer Koppelkapazitäten aber ohne galvanische Verbindung zwischen den Kreisen entsteht (Bild 3).

Stromkreis I koppelt kapazitiv in Abhängigkeit der Systemimpedanzen, der Spannungspegel und der Frequenz, Anteile seiner Signale in System II. System II ist ein unsymmetrisches, auf beiden Seiten geerdetes System, somit ist die Störeinkopplung symmetrisch (Common Mode), was durch die roten Pfeile im Bild angedeutet ist. Die in System II kapazitiv eingekoppelte Spannung berechnet sich gemäß Formel 3, wobei ZQ||ZE die Parallelschaltung der beiden Impedanzen darstellt. Ist die Impedanz von System II hoch, wird eine hohe Spannung vom System I eingekoppelt, ist die Impedanz von System II niedrig, ist auch die eingekoppelte Spannung niedrig.

 

Die kapazitive Kopplung kommt in der Praxis häufig vor. Zwischen Stromkreisen mit hohen Impedanzen und Signalen mit hoher Frequenz oder hochfrequenten Signalanteilen ist gegenseitige kapazitive Kopplung generell existent; es ist keine Frage ob, sondern wieviel. In den meisten Praxisfällen ist die Kopplung proportional der Frequenz, d.h.:

Kopplung (worst case) ~ f

In der Praxis tritt dieser Fall beispielsweise auf:

  • Zwischen Endstufentransistoren von DC-DC-Konvertern und dem Kühlkörper.
  • Zwischen Lagen oder Bereichen von Leiterplatten.
  • Zwischen Eingang und Ausgang von Filtern und Common-Mode-Drosseln.
  • Bei hochimpedanten Eingängen von Messgeräten und Verstärkern.

Induktive Kopplung

Fließt Strom durch einen Leiter, wird durch den Stromfluss ein magnetisches Feld verursacht. Dieses Feld wird wiederum in einem benachbarten Leiter einen Strom induzieren. So entsteht eine induktive Kopplung der beiden Stromkreise. Man findet in der Literatur zwei verschiedene Modelle, um dieses Phänomen zu betrachten; das Feldmodell (Bild 4, links) und das Netzwerkmodell (Bild 4, rechts). Das Feldmodell betrachtet die Kopplung über die Feldtheorie (Maxwell-Gleichungen), das Netzwerkmodell legt die induktive Gegenkopplung (Gegen¬induktivität M) zugrunde. In beiden Prinzipien beruht die Kopplung aufgrund des Stromes von einem Pfad (I) in einen benachbarten Pfad (II).

Im Netzwerkmodell zeigen sich so auch erste Ansätze, wie dieser im EMV-Sinne betrachtete »Störmechanismus« reduziert werden kann – Parameter sind dabei Stromstärke, Signalfrequenz und die Distanz zwischen den Koppelkreisen. Bei der Erklärung von Gleich- und Gegentaktstörungen sind diese Zusammenhänge zu beachten.

Elektromagnetische Kopplung

Die elektromagnetische Kopplung zählt zur Strahlungskopplung. Unter Strahlungskopplung zählen auch die magnetische und die kapazitive Kopplung im Nahfeldbereich. Bei der elektromagnetischen Kopplung geht man jedoch davon aus, dass die Strahlungsquelle und das die Strahlung empfangende System so weit voneinander entfernt sind, dass Fernfeldcharakter herrscht, d.h. elektrisches und magnetisches Feld miteinander auftreten. Diese Situation ist von der Frequenz bzw. Wellenlänge des Signals abhängig, in Bild 5 ist der Zusammenhang dargestellt.

Im Fernfeldbereich ist die Kopplung der elektromagnetischen Energie in das System von der gestrahlten Leistung, der Frequenz und der Wellenlänge abhängig und natürlich von den Koppelverhältnissen an dem gestörten System. In der Praxis kann man im Allgemeinen die Verhältnisse der Störquelle nicht beeinflussen, sehr wohl aber die Koppelverhältnisse des zu schützenden Systems. Parameter sind dabei vor allem Gehäuseschirmung (Material, Öffnungen), Kabelschirmung, Filtereigenschaften an den Schnittstellen und die Signaleigenschaften auf den geräteexternen Kabeln.

Unterscheidung von Gleichtakt- und Gegentaktstörungen

Störsignale können auf zwei unterschiedliche Weisen in einen zu störenden Stromkreis einwirken, ebenso können Störungen auf zwei unterschiedliche Weisen von einer Störquelle abgestrahlt werden. Die eine Art heißt Gleichtakt-Mode (Common Mode) und die andere Gegentakt-Mode (Differential Mode). Im Folgenden sind die beiden Wirkungsweisen anhand der Störemission erklärt.

Gegentaktstörung (Differential Mode)

Ein Gegentaktsignal erscheint in unterschiedlicher Phase und Amplitude auf einem Leiterpaar in Bezug auf die lokale Masse, die Signalverhältnisse sind in Bild 6 dargestellt.

Die meisten Signalstromkreise sind unsymmetrisch aufgebaut, d.h. das Signal läuft in einem Pfad zum Verbraucher hin und der Rückpfad ist in den meisten Fällen die Masse (Bild 7).

Bilder: 4

Gegentaktstörung / Gleichtaktstörung Bild 6 bis 9

Gegentaktstörung / Gleichtaktstörung Bild 6 bis 9

Der Signalstrom IGg erzeugt um den Leiter ein Magnetfeld. Dieses magnetische Feld wird abgestrahlt und kann im „Umfeld“ Störungen verursachen oder in andere Stromkreise einkoppeln. Welche Einflussmöglichkeiten gibt es, das abstrahlende Feld zu reduzieren? Die Abstrahlungseigenschaft dieses Magnetfeldes ist von den Parametern gemäß Formel 4 abhängig:

E equals thin space 131 comma 6 times 10 to the power of negative 16 end exponent times f squared times A times I times 1 over r times sin capital theta space space space space space space space left parenthesis 4 right parenthesis

  • E: Feldstärke im Fernfeld.
  • f: Signalfrequenz (auch Harmonische).
  • I: Signalstrom (bei best. Frequenz).
  • A: Stromschleifenfläche.
  • r: Abstand zwischen Stromschleife und Störsenke.
  • sin Θ: Winkel zwischen Stromschleife und Störsenke.

Einflussmöglichkeiten gibt es bei der Fläche der Stromschleife (A), dem Si¬gnalstrom (I) und der Signalfrequenz (f). Die Fläche ist die zwischen Signalleiter und Masse (Leiterbahn, Draht), der Si¬gnalstrom bzw. die Signalfrequenz ist die einzelne betrachtete Harmonische (Fourier) des Signalspektrums. Somit kann durch Signalanalyse geklärt werden, ob die Signalamplitude der Harmonischen im Signal notwendig ist oder nicht und so ggf. gefiltert werden kann. Die Beispiele aus der Praxis sind vielfältig – Signalharmonische auf Datenleitungen, Video- und Takt-Signale.

Gleichtaktstörung (Common Mode)

Ein Gleichtaktsignal ist in gleicher Phase und mit jeweils gleicher Amplitude auf beiden Leitungen eines Zweidrahtkabels in Bezug auf eine lokale gemeinsame Masse vorhanden. Eine Gleichtaktspannung ist die Hälfte der Vektorsumme der Spannungen zwischen jedem Leiter einer symmetrischen Schaltung und der lokalen Masse. Solche Signale können aus eingekoppelten Signalen entstehen, die sich gleichermaßen auf beide Leitungen verteilen. Die Amplituden- und Signalverhältnisse sind in Bild 8 dargestellt.

Das Störsignal ist auf beiden Signaladern (z.B. Signal zu Masse oder Signal+ zu Signal) mit gleicher Amplitude und mit gleicher Phase zu messen. Der Bezugspunkt ist z.B. die Gerätemasse oder bei symmetrischen Signalübertragungen die Baugruppenmasse (siehe auch Bild 9). Die dargestellte Kopplung in Bild 9 ist kapazitiv – also über das elektrische Feld, selbstverständlich ist auch induktive Kopplung als Gleichtaktstörung möglich.

Auch der Fall der Gleichtaktstörung lässt sich formal darstellen, um die einflussnehmenden Parameter zu erfassen. Die Abstrahlungseigenschaft der Gleichtaktstörung ist von folgenden Parametern gemäß Formel 5 abhängig:

E subscript m a x equals 1 comma 257 times 10 end subscript to the power of negative 6 end exponent times 1 subscript G I times f times L times s end subscript over r space space space space space space space space space space space space space space space space left parenthesis 5 right parenthesis

  • E: Feldstärke im Fernfeld
  • f: Signalfrequenz (auch Harmonische)
  • IGl: Signalstrom (bei best. Frequenz)
  • L: Leiterlänge
  • s: Abstand zwischen den Leitern
  • r: Abstand zwischen Leiterschleife und Störsenke

Wie bei der Gegentaktstörung gibt es auch in diesem Fall Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Höhe der Abstrahlung, indem Harmonische und dessen Ströme, oder die Fläche der Leiterschleife reduziert werden. Vergleicht man die beiden Formeln, so sind einige Aspekte besonders interessant: Die Formel zur Berechnung der Feldstärke bei der Gegentaktstörung enthält die Frequenz im Quadrat, d.h. mit zunehmender Frequenz nimmt bei der Gegentaktstörung die Emission deutlich stärker (quadratisch) zu, als bei der Gleichtaktstörung. Hingegen ist bei gleicher Frequenz im Falle der Gleichtaktstörung die Feldstärke größer, bedingt durch den deutlich größeren exponentiellen Faktor; 1,257 x 10-6 anstelle von 131,6 x 10-16.