Phänomene in der EMV Elektromagnetische Kopplung und Signalzusammensetzung

Elektromagentische Störungs-Phänomene in Schaltungen.
EMV-Schutz wird häufig als Bürde für Produktentwickler empfunden - tatsächlich ist er beinahe kostenneutral implementierbar.

Welche Einfallstore für elektromagnetische Störungen gibt es in Schaltungen? Was ist der Unterschied zwischen Gleich- und Gegentaktstörungen? Und was sagt die Signalzusammensetzung über das Störpotenzial aus? Dieser Beitrag beschreibt die wichtigsten Grundlagen der EMV-Technik.

Was ist elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)? In der Literatur und auch im EMV-Gesetz ist dazu eine Definition zu finden: »Elektromagnetische Verträglichkeit bezeichnet die Fähigkeit elektrotechnischer Geräte, zufriedenstellend zu arbeiten, ohne andere Einrichtungen zu stören oder selbst durch andere Einrichtungen gestört zu werden«. Letztendlich ist EMV für den Endverbraucher als Qualitätsmerkmal zu verstehen.

Während der Produktentwicklung wird EMV häufig als eine Art »überflüssige Bürde« empfunden, die Aufwand, Geld und Zeit kostet, und das Produkt nicht schöner macht.

Im Folgenden wird dargelegt, wie EMV-technische Produkteigenschaften mit Kenntnis der Grundlagen der Elektrotechnik nahezu kostenneutral und effektiv in ein Produkt integriert werden können und in der Regel eine enge Gemeinsamkeit mit einem qualitativ hochwertigen Produktdesign haben.

Koppelarten

Die Phänomene in der EMV lassen sich auf grundlegende elektrotechnische Ansätze zurückführen. Ausgehend von der Signalquelle kann die Energie, sei es das Nutzsignal, oder seien es darin enthaltene »Störanteile«, nur in Form von elektrischer Spannung, elektrischem Strom oder elektromagnetischer Strahlung zur Störsenke gelangen (Bild 1).

Dabei ist es unerheblich, wie groß das System ist, d.h. ob der Vorgang in einem IC, auf einer Leiterplatte oder in einem Gerät stattfindet. Die physikalischen Effekte sind die gleichen. In der Elektrotechnik unterscheidet man zwischen galvanischer-, magnetischer-, kapazitiver- und elektromagnetischer Kopplung. Das Verständnis dieser Phänomene ist essenziell und zudem ein Weg, die Ursachen und Wechselwirkungen im Schaltungs- und Systemdesign von elektronischen Produkten zu verstehen.

Galvanische Kopplung

Wer mit Elektrontechnik vertraut ist, kennt eine galvanische Verbindung. Es ist auch klar, dass über eine solche Verbindung, ein Stück Draht, abhängig von der Stromstärke und der Signalfrequenz ein Spannungsabfall entsteht.

In Bild 2 ist ein Beispiel dargestellt, das die Auswirkung der galvanischen Kopplung verdeutlicht.

Die beiden Verbraucher V1 und V2 sind über eine gemeinsame Versorgungsleitung angeschlossen. Last V1 ist ein Verbraucher mit großen Lastschwankungen, die Last V2 ist eine kleine Last (geringer Stromverbrauch). Die Verbindung, d.h. die Zuleitung von der Energiequelle, z.B. dem Netzteil zu den Verbrauchern, hat einen resistiven und einen induktiven Impedanz-Anteil. Die beiden Anteile zusammen bilden die Impedanz Z der Zuleitung. Die Ströme der beiden Lasten über die gemeinsame Leitungszuführung führen zu einem Spannungsabfall. Den Zusammenhang beschreibt Formel 1.

u equals R times I plus L fraction numerator d i over denominator d t end fraction
u subscript v 1 end subscript equals U subscript 0 minus u space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space left parenthesis 1 right parenthesis
space space space space space space space equals U subscript 0 minus R times I minus L fraction numerator d i over denominator d t end fraction
m i t space space I equals I subscript v 1 end subscript plus I subscript v 2 end subscript

Die an der Leitung abfallende gesamte Spannung hat somit einen Anteil, der durch den resistiven Widerstand R und den Strom I gebildet wird und einen, der durch den induktiven Anteil L, abhängig vom „Lastsprung“ di/dt entsteht. Durch Schaltvorgänge an der großen Last und den somit entstehenden Spannungseinbruch, kann es an der kleineren Last zu Funktionsstörungen kommen. Ist die Leitung länger und damit die Induktivität größer und ist die Stromanstiegszeit entsprechend kurz, entsteht beim Ausschaltvorgang eine hohe Spannungsspitze, die aufgrund der hohen Selbstinduktionsspannung zur Zerstörung von Komponenten führen kann.

Das Berechnungsbeispiel für den Spannungsdip u (Skineffekt und frequenzabhängige Stromverteilung seien hier vernachlässigt) zeigt Formel 2:

  • Resistiver Anteil R der Leitung: 0,5
  • Leitungslänge 5 cm, entsprechend 10nH/cm = 50 nH.
  • Strom I: 10 A (z.B. Schaltregler).
  • Stromanstieg: 30 ns (typ. für SiC-MOSFET)..
u equals 0 comma 5 Ω times 10 A plus 50 n H times fraction numerator 10 A over denominator 30 n s end fraction
u equals 5 V plus 16 comma 7 V space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space left parenthesis 2 right parenthesis
u equals 21 comma 7 V
 
Es sollte noch erwähnt werden, dass unter dem Begriff »Leitung« nicht nur eine Drahtzuführung zu kompakten Komponenten zu verstehen ist, sondern auch Bahnen auf Leiterplatten. In der Praxis treten die oben geschilderten Probleme auf Leiterplatten häufig auf. Ungünstiges Layout wird dann häufig durch Stütz-Elko-Batterien kaschiert.