Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Albino Troll
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Albino Troll Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Albino Troll
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Schule: HTBLuVA Abteilung / Zweig: Elektronik / Technische Informatik Lehrperson: Dipl.-Ing. Markus Tillich Jahrgang: 2005 / 06 Klasse: 4AHELI
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<strong>Elektromagnetische</strong> <strong>Verträglichkeit</strong> (<strong>EMV</strong>)<br />
Schule: HTBLuVA<br />
Abteilung / Zweig: Elektronik / Technische Informatik<br />
Lehrperson: Dipl.-Ing. Markus Tillich<br />
Jahrgang: 2005 / 06<br />
Klasse: 4AHELI
1 Anmerkung<br />
Rechenbeispiele sind mit einem Strich auf der Seite gekennzeichnet.<br />
2 Inhaltsverzeichnis<br />
1 Anmerkung......................................................................................................................... 2<br />
2 Inhaltsverzeichnis............................................................................................................... 2<br />
3 Störmodell .......................................................................................................................... 4<br />
4 Frequenzbereiche ............................................................................................................... 5<br />
5 Gleichtakt und Gegentaktstörungen................................................................................... 6<br />
6 Kopplungsarten .................................................................................................................. 7<br />
6.1 Galvanische Kopplung ............................................................................................... 7<br />
6.2 Kapazitive Kopplung (E-Feld-Kopplung).................................................................. 8<br />
6.2.1 für niedrige Frequenzen ( R L > (jω(C 12 +C 2M )) -1 ): ........................................... 8<br />
6.3 Induktive Kopplung (H-Feld-Kopplung) ................................................................... 9<br />
6.3.1 Magnetfeld eines Leiters .................................................................................. 10<br />
6.3.2 Magnetfeld einer Leiterschleife ....................................................................... 10<br />
6.4 Strahlungskopplung (EM-Feld-Kopplung) .............................................................. 11<br />
6.4.1 lineare kurze Antenne l < λ/10 ........................................................................ 11<br />
6.4.2 Rahmenantenne d*π < λ10............................................................................. 12<br />
6.4.3 Schlitzantenne (Aperturstrahler) ...................................................................... 12<br />
6.4.4 Doppelleitung................................................................................................... 13<br />
7 Störmechanismen ............................................................................................................. 13<br />
7.1 Geschaltete Induktivität............................................................................................ 13<br />
7.2 Funken...................................................................................................................... 13<br />
7.3 Netzrückwirkungen .................................................................................................. 14<br />
7.4 Elektrochemische Störungen.................................................................................... 14<br />
8 Elektrostatische Entladung............................................................................................... 15<br />
8.1 Speicherung der Ladung........................................................................................... 16<br />
9 Signalspektren .................................................................................................................. 16<br />
9.1 Periodische Signale .................................................................................................. 16<br />
9.1.1 Sinusspannung mit f 0 ........................................................................................ 16<br />
9.1.2 Rechteckspannung (symmetrisch).................................................................... 17<br />
9.1.3 Rechteckspannung (unsymmetrisch)................................................................ 17<br />
9.1.4 Dreieckspannung.............................................................................................. 17<br />
9.1.5 Trapezförmige Spannung ................................................................................. 18<br />
9.2 Einmalige (transiente) Signale ................................................................................. 18<br />
9.2.1 einmaliges Rechteck......................................................................................... 18<br />
9.2.2 Trapezförmiges einmaliges Signal................................................................... 18<br />
9.2.3 Abschätzung des Frequenzgehaltes von einem ESD-Impuls........................... 19<br />
9.3 Ringing..................................................................................................................... 19<br />
10 <strong>EMV</strong>-relevante Eigenschaften elektronischer Bauelemente........................................ 19<br />
10.1 Leiter ........................................................................................................................ 19<br />
10.2 Runddrähte ............................................................................................................... 20<br />
10.3 Interne Selbstinduktivität ......................................................................................... 20<br />
10.4 Externe Kapazität und Induktivität der Leiterplatte................................................. 21<br />
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10.5 ESB für Leitungen (l < λ/10).................................................................................... 21<br />
10.6 HF – Verhalten von Bauteilen.................................................................................. 22<br />
10.6.1 ESB-Widerstand............................................................................................... 22<br />
10.6.2 ESB – Kondensatoren ...................................................................................... 22<br />
10.6.3 Parallelschalten von verschiedenen Kondensatoren ........................................ 23<br />
10.6.4 ESB - Induktivitäten......................................................................................... 23<br />
10.6.5 Ausführungsformen von <strong>EMV</strong>-Spulen ............................................................ 24<br />
11 Überspannungsableiter................................................................................................. 26<br />
11.1 Prinzipschaltbild....................................................................................................... 26<br />
11.2 Relevante Parameter:................................................................................................ 26<br />
11.3 Man unterscheidet zwischen .................................................................................... 27<br />
11.4 Gestaffelter Überspannungsschutz (dreistufig)........................................................ 28<br />
12 Designregeln für Printplattenentwurf........................................................................... 29<br />
12.1 Boardinterne Störquellen.......................................................................................... 29<br />
12.2 Entstehung von Störsignalen.................................................................................... 29<br />
12.3 Pfade beim Schalten von Gattern............................................................................. 30<br />
13 Auswahl von Bauelementen......................................................................................... 31<br />
13.1 µP-Gehäuseformen................................................................................................... 31<br />
13.2 Tiefpassfilterung am Print........................................................................................ 31<br />
13.3 Wahl von Taktfrequenzen ........................................................................................ 32<br />
14 Anordnung der Bauelemente auf dem Print................................................................. 32<br />
14.1 Minimierung der Störaussendungen von den Leiterbahnen..................................... 33<br />
14.2 Minimierung von Störungen durch Gleichtaktstörungen auf Verbindungsleitungen<br />
34<br />
14.3 Störstrahlung an Kabeln (Kabelschirmen) ............................................................... 37<br />
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<strong>EMV</strong>…<strong>Elektromagnetische</strong> <strong>Verträglichkeit</strong><br />
EMC…electromagnetic compatibility<br />
Definition:<br />
Die <strong>EMV</strong> ist die Fähigkeit eines elektrischen Gerätes in einer elektromagnetischen<br />
Umgebung zufrieden stellend zu funktionieren, ohne andere Geräte dabei zu<br />
beeinflussen.<br />
Anlass:<br />
Seit 1. 1. 1996 schreibt die EU verpflichtend vor, dass alle in der EU in den Verkehr<br />
gebrachten elektrischen Geräte der <strong>EMV</strong>-Richtlinie für die CE-Kennzeichnung<br />
entsprechen.<br />
Vorraussetzungen für die CE-Kennzeichnung:<br />
• das Gerät soll störarm und störfest sein<br />
• Anforderungen sollten messtechnisch geprüft sein<br />
• zertifizierte oder akkreditierte Prüfstelle erzeugt Prüfbericht (TÜV, Seibersdorf)<br />
Konformitätsbescheinigung (vom Erzeuger)<br />
3 Störmodell<br />
Für die Konformitätsmessung sind grundsätzlich 4 Arten von Messaufgaben zu<br />
unterscheiden:<br />
Störemissionsmessung:<br />
• Störstrahlung (Radiated Emission)<br />
• Leitungsgeführte Störungen<br />
Störfestigkeitsmessung:<br />
• Einstrahlfestigkeit (Radiated Susceptibility)<br />
• Immunität gegenüber leitungsgebundenen Störungen (Conducted Susceptibility)<br />
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4 Frequenzbereiche<br />
Grundsätzlich von 0Hz bis einige 100GHz - praktisch immer nur Teilbereiche relevant.<br />
• Netzrückwirkungen (Netzoberschwingungen)<br />
100Hz – einige kHz<br />
• Funkenentstörung (Bohrmaschine, Mixer)<br />
100kHz – 1GHz<br />
• Messung leitungsgeführter kontinuierlicher Störsignale (AM-Sender, CB-Funk)<br />
150kHz – 30MHz<br />
• Messung von Funkstörfeldstärken (VHF, UHF, GSM, UMTS)<br />
30MHz – 3GHz<br />
• Messung der äquivalenten Störstrahlungsleistung (µ-Wellenherd [2,45GHz, ISM-<br />
Band], Roadpricing[5GHz], Verkehrsradar[9/35GHz])<br />
1GHz – 20GHz<br />
In der Produktentwicklung sollte die <strong>EMV</strong> von Anfang an eingebunden werden.<br />
• Schon die Wahl ungeeigneter Bauteile (Komponenten) legt den Grundstein für spätere<br />
<strong>EMV</strong> Probleme.<br />
• Auf PCB Ebene (Printed Circuit Board) kann ein ungeeignetes Layout zu massiven<br />
Abstrahlproblemen führen.<br />
• Sogar die Software spielt eine nicht unwichtige Rolle. Eine <strong>EMV</strong> gerechte Codierung<br />
verhindert Fehleranfälligkeit.<br />
• Beim Zusammenschalten von Geräten kann obwohl beide Komponenten für sich CE<br />
konform sind ein Problem auftreten.<br />
Störquelle Kopplungspfad Störsenke<br />
galvanische<br />
Kopplung<br />
kapazitive (E-<br />
Feld) Kopplung<br />
Induktive (H-<br />
Feld) Kopplung<br />
elektromagnetische<br />
Kopplung „FUNK“<br />
Signalübertragung<br />
Signale können symmetrisch oder unsymmetrisch übertragen werden.<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 5 / 37
…symmetrische Übertragung<br />
…unsymmetrische Übertragung<br />
5 Gleichtakt und Gegentaktstörungen<br />
symmetrische Signalübertragung:<br />
unsymmetrische Signalübertragung:<br />
Ist der ZM sehr klein, ist die Störquelle kurzgeschlossen (Masseflächen verwenden).<br />
Symmetrische Störungen = Gegentaktstörungen = differential mode<br />
Unsymmetrische Störungen = Gleichtaktstörungen = common mode<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 6 / 37
Symmetrische Störungen kann man nur filtern.<br />
Bei einer symmetrischen Signalübertragung treten keine asymmetrischen Störungen auf.<br />
6 Kopplungsarten<br />
6.1 Galvanische Kopplung<br />
Beim Entflechten sollte man möglichst dicke Masseleitungen haben (Z K sehr klein).<br />
z.B.: Erdschleife<br />
z.B.: gemeinsame Spannungsversorgung<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 7 / 37
6.2 Kapazitive Kopplung (E-Feld-Kopplung)<br />
Entsteht durch Streukapazitäten der Leitungen untereinander.<br />
<br />
C-MOS:<br />
C 2M ≈ 5pF / Gatter<br />
C 12 ≈ 0,1 – 1pF/cm (Leitungslänge)<br />
R i 100-300Ω<br />
Beispiel:<br />
C 12 = 5pF<br />
C 2M = 5pF<br />
R i = 100Ω<br />
f g = 160MHz<br />
I C = C*∆U/∆t = 5pF*5V/10ns<br />
U st = I C * R i = 25pVs/10ns * 100Ω = 0,25V<br />
Bei Advanced CMOS (Anstiegszeiten von ns) kann das problematisch werden.<br />
6.2.1 für niedrige Frequenzen ( R L > (jω(C 12 +C 2M )) -1 ):<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 8 / 37
Man sollte nicht zwei schnelle Signalleitungen nebeneinander laufen lassen, wenn nötig kann<br />
man mit einer Masseleitung in der Mitte abschirmen.<br />
6.3 Induktive Kopplung (H-Feld-Kopplung)<br />
Tritt zwischen stromdurchflossenen elektrischen Kreisen auf.<br />
Jeder Strom erzeugt ein Magnetfeld, das in benachbarte Leiterschleifen Störspannungen<br />
induziert.<br />
ESB:<br />
U st = jω*M*I 1<br />
(steigt proportional mit der Frequenz)<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 9 / 37
6.3.1 Magnetfeld eines Leiters<br />
6.3.2 Magnetfeld einer Leiterschleife<br />
Bsp.: ESD-Impuls auf benachbarter Leitung<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 10 / 37
6.4 Strahlungskopplung (EM-Feld-Kopplung)<br />
Liegt vor, wenn sich Störquelle und Störsender in elektrisch großem Abstand befinden.<br />
Die Leitungsteile müssen dann als Sende- bzw. Empfangsantenne aufgefasst werden.<br />
λ = f * c 0<br />
λ…Wellenlänge<br />
c 0 …Lichtgeschwindigkeit<br />
Bei l ≈ λ/4 hat man eine perfekte Antenne.<br />
6.4.1 lineare kurze Antenne l < λ/10<br />
Z 0 …Wellenwiderstand von Luft (120πΩ = 377Ω)<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 11 / 37
6.4.2 Rahmenantenne d*π < λ10<br />
Um die Störung klein zu halten, sollten Signalschleifen am Print klein gehalten werden.<br />
6.4.3 Schlitzantenne (Aperturstrahler)<br />
maximale Abstrahlung, wenn a oder b = λ/2<br />
Vergleich λ/2 Dipolantenne:<br />
E-Feld steht quer zur Schlitzrichtung.<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 12 / 37
6.4.4 Doppelleitung<br />
I DM …Differenzstrom, Gegentaktstrom<br />
I CM …common mode Strom, Gleichtaktstrom<br />
E DM kann reduziert werden, indem man die Kabel verdrillt.<br />
7 Störmechanismen<br />
7.1 Geschaltete Induktivität<br />
Durch plötzliche Änderung der Stormstärke in einem Stromkreis mit Induktivität können<br />
hohe transiente Spannungsspitzen entstehen.<br />
7.2 Funken<br />
Funkenentladungen erzeugen Transienten, die sich als Freiraum- und leitungsgeführte<br />
Stoßwelle ausbreiten können.<br />
Es sind sehr hohe Frequenzanteile enthalten.<br />
breitbandiger Störer<br />
(z.B.: Autozündanlage, Gasentladungslampe)<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 13 / 37
7.3 Netzrückwirkungen<br />
= Spannungsschwankungen und Oberwellen<br />
Wenn Oberwellen entstehen, ist das Blindleistung (Stromschwankungen ohne<br />
Spannungsänderung).<br />
z.B.: industrielle Verbraucher, Schaltnetzteile von PCs<br />
7.4 Elektrochemische Störungen<br />
Bildung galvanischer Elemente Kontaktspannung Korrosion<br />
Ein galvanisches Element besteht aus<br />
• Anode (unedleres Metall)<br />
• Elektrolyt (Luftfeuchtigkeit)<br />
• Kathode (edleres Metall)<br />
• el. leitende Verbindung<br />
Anode (höchste Korrosion)<br />
Mg<br />
Zn<br />
Al<br />
Fe<br />
Pb<br />
Sn<br />
Ni<br />
Messing<br />
Cu<br />
Bronze<br />
Ag<br />
Au<br />
Pt<br />
Kathode (geringste Korrosion)<br />
Elektrochemische Spannungsreihe<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 14 / 37
Elektrolytische Zersetzung wenn zusätzlich Strom fließt.<br />
8 Elektrostatische Entladung<br />
Statische Elektrizität entsteht durch Berührung und anschließende Trennung von Materialien.<br />
Elektrostatische Entladung erfolgt in 3 Stufen:<br />
1. Entstehung der Ladung auf dem Isolator<br />
2. Ladung wird durch Influenz oder Kontakt zu einem Leiter transferiert.<br />
3. Der geladene Leiter kommt in die Nähe eines metallischen Objektes Entladung<br />
Triboelektrische Reihe:<br />
Positiv (gibt Elektrizität ab)<br />
Luft<br />
Haut<br />
Glas<br />
Haare<br />
Nylon<br />
Wolle<br />
Papier<br />
Holz<br />
Negativ (nimmt Elektrizität auf)<br />
Hartgummi<br />
Polyester<br />
PVC<br />
Silikon<br />
Teflon<br />
Aufladen durch Influenz<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 15 / 37
8.1 Speicherung der Ladung<br />
Die in einem Körper gespeicherte Ladung ist in der Kapazität des Objektes gespeichert.<br />
t r (t rise ) ≤ 1ns!<br />
Das Problem sind nicht die 30A, sondern die Schnelligkeit des Impulses (Anstieg).<br />
9 Signalspektren<br />
9.1 Periodische Signale<br />
Periodische Signale besitzen ein diskretes Spektrum (Fourierreihe).<br />
Darstellung im Frequenzbereich mit Spektrumanalysator.<br />
9.1.1 Sinusspannung mit f 0<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 16 / 37
9.1.2 Rechteckspannung (symmetrisch)<br />
9.1.3 Rechteckspannung (unsymmetrisch)<br />
9.1.4 Dreieckspannung<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 17 / 37
9.1.5 Trapezförmige Spannung<br />
9.2 Einmalige (transiente) Signale<br />
(aperiodische Signale)<br />
besitzen ein kontinuierliches Spektrum.<br />
Darstellung: mit DSO (digitales Speicheroszilloskop)<br />
9.2.1 einmaliges Rechteck<br />
9.2.2 Trapezförmiges einmaliges Signal<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 18 / 37
9.2.3 Abschätzung des Frequenzgehaltes von einem ESD-Impuls<br />
Nennenswerte Signalanteile bis ca. 1 GHz<br />
9.3 Ringing<br />
Ringing ist der Einschwingvorgang auf einer Signalleitung.<br />
10 <strong>EMV</strong>-relevante Eigenschaften elektronischer<br />
Bauelemente<br />
10.1 Leiter<br />
Elektrische Leitfähigkeit und Permeabilität von Metallen relativ zu Kupfer:<br />
(σ = 5,8 * 10 -7 S/m)<br />
cu<br />
Material σ r µ r<br />
Ag 1,05 1<br />
Cu 1,0 1<br />
Au 0,7 1<br />
Al 0,61 1<br />
Fe 0,17 1000<br />
Sn 0,15 1<br />
Stahl 0,1 1000<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 19 / 37
10.2 Runddrähte<br />
Gleichstromwiderstand<br />
Längenbezogener Gleichstromwiderstand<br />
Bei steigender Frequenz sind die Eindringtiefe δ (Delta).<br />
Kupferdraht (20kHz):<br />
δ = 0,5mm<br />
r D > δ gilt:<br />
10.3 Interne Selbstinduktivität<br />
L = 0,5nH/cm<br />
i<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 20 / 37
10.4 Externe Kapazität und Induktivität der Leiterplatte<br />
(Induktivitätsbelag)<br />
Als Standardwerte für die meisten Leitungen gelten:<br />
L e = 10nH/cm<br />
C e = 0,1pF/cm<br />
(Kapazitätsbelag)<br />
10.5 ESB für Leitungen (l < λ/10)<br />
Abschlusswiderstand R >> L<br />
RL > f g1<br />
Leitungen möglichst niederohmig betreiben.<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 21 / 37
10.6 HF – Verhalten von Bauteilen<br />
10.6.1 ESB-Widerstand<br />
L s…Lserie<br />
C p…Cparallel<br />
10.6.2 ESB – Kondensatoren<br />
R ESZ …Serienwiderstand von ELKOS<br />
OSCON…sind Kos mit wenig R ESZ<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 22 / 37
10.6.3 Parallelschalten von verschiedenen Kondensatoren<br />
Möglichst Kondensatoren mit geringer Güte verwenden (z.B.: Tantal oder keramische - - -).<br />
und C einen Prallelschwingkreis (hochohmig).<br />
Bei fpar bilden L 1 2<br />
Für SMD gibt es MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor).<br />
Ideal: C 1 ≈ 100 C , kleine Kondensatoren am Print verteilen.<br />
2<br />
10.6.4 ESB - Induktivitäten<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 23 / 37
10.6.5 Ausführungsformen von <strong>EMV</strong>-Spulen<br />
Stabkerndrossel<br />
Vorteil: hohe Ströme<br />
Nachteil: Streufeld<br />
Ringkern<br />
Vorteil: geringes Streufeld, hohes L mit wenigen Windungen<br />
Nachteil: kleinere Strombelastbarkeit (Sättigung)<br />
Abhilfe: Gleichtaktdrossel (common mode Drossel)<br />
1. Für Gegentaktsignale<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 24 / 37
2. Für Gleichtaktsignale<br />
Typische Einfügedämpfung für CM-Drossel (50 Ω-System)<br />
Ferrite<br />
Gängige Ausführungsform von Ferriten für Entstörzwecke sind Ferrit-Perlen und –Ringe.<br />
Dämpfungsperle<br />
Auch in SMD- Ausführung:<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 25 / 37
Sechskern (UKW-Drossel)<br />
11 Überspannungsableiter<br />
Transiente Überspannungen können in Folge von Blitzeinschlägen, Abschaltüberspannung,<br />
elektrostatischen Entladungen usw. entstehen. Überspannungsableiter stellen stark<br />
nichtlineare Widerstände dar. Im Bereich der Betriebsspannung ist der Widerstand sehr groß,<br />
bei Überspannung jedoch niedrig.<br />
11.1 Prinzipschaltbild<br />
11.2 Relevante Parameter:<br />
• Ansprechspannung<br />
• Stoßstrombelastbarkeit<br />
• Isolationswiderstand bei Betriebsspannung<br />
• Kapazität<br />
• Restwiderstand<br />
• Ansprechzeit<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 26 / 37
11.3 Man unterscheidet zwischen<br />
• Varistoren<br />
L Zuleitung und C p bilden einen Tiefpass.<br />
• Siliziumlawinendioden (TRANSZORB)<br />
…transient zener absorber<br />
• CROWBARDIODE („TRIAC“)<br />
I H …Haltestrom<br />
Wird die Spannung zu groß <br />
niederohmig<br />
Wird der Haltestrom zu klein<br />
schaltet aus<br />
Achtung: In Kreisen mit Gleichstrom muss dieser unter I H liegen, sonst schaltet sich<br />
die Crowbardiode nicht mehr aus.<br />
• Funkenstrecke<br />
Es wird die Isolationsfestigkeit von Luft ausgenutzt (ca. 10kV/cm)<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 27 / 37
Der Nachteil ist, dass der Lichtbogen die Kontakte verdampfen lässt nur einmal<br />
einsetzbar.<br />
• Glimmlampe<br />
z.B.: Schutz einer Telefonleitung<br />
11.4 Gestaffelter Überspannungsschutz (dreistufig)<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 28 / 37
12 Designregeln für Printplattenentwurf<br />
Probleme beim Design von Digitalschaltungen:<br />
• Funktionelle Probleme<br />
z.B.: Bewahrung einer Signalform entlang einer Leitung<br />
• <strong>EMV</strong>-Probleme<br />
z.B.: Unterdrückung von leitungsgebundenen oder gestrahlten Störungen<br />
Die beiden Punkte stehen manchmal im Widerspruch.<br />
12.1 Boardinterne Störquellen<br />
• Nebensprechen<br />
• Versorgungsspannungsschwankungen<br />
• Massepotentialschwankungen<br />
• Leitungsreflexionen<br />
12.2 Entstehung von Störsignalen<br />
Gatter 4 kann Störimpuls nicht von Nutzsignal unterscheiden.<br />
Leitungsreflexionen:<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 29 / 37
Ce…Eingangsinduktivität des Gatters<br />
Geschwindigkeit am Print: 2 / bis ½ Lichtgeschwindigkeit<br />
3<br />
Um dem „Ringing“ entgegenzuwirken, baut man einen Widerstand ein, dieser dämpft den<br />
Schwingkreis (R + R i gleich ZW).<br />
Legt man 5V am Ausgang des 1. Gatters an, so fallen 2,5V nach dem eingebauten R ab (1 : 1<br />
Spannungsteiler). Durch gleichphasige Reflexion entsteht am Eingang des 2. Gatters wieder<br />
ein 5V Sprung.<br />
12.3 Pfade beim Schalten von Gattern<br />
Schaltet das Gatter, rinnt ein Störstrom Spannungsabfälle an parasitären Induktivitäten<br />
(Leitungskapazitäten) Spannungsversorgung schwankt.<br />
Abhilfe: Entkoppelkondensatoren (C1, C2)<br />
Verringerung der induktiven Spannungsabfälle durch lokale Spannungsversorgung.<br />
ESB einer Printbahn<br />
ca. 0,5mm Breite (35µm dick)<br />
HTL / <strong>EMV</strong> 4AHELI Seite 30 / 37
z.B.: Impedanz einer 10cm langen Printbahn bei 100MHz<br />
Ohmscher Widerstand vernachlässigbar.<br />
13 Auswahl von Bauelementen<br />
Funktionelle Kriterien und <strong>EMV</strong> Aspekte können manchmal im Widerspruch stehen.<br />
z.B.: kurze Anstiegszeiten hohe Frequenzanteile verstärkte Abstrahlung<br />
Hersteller spezifiziert maximale Anstiegszeiten, wobei für <strong>EMV</strong> die minimalen<br />
Anstiegszeiten interessant sind. Von Hersteller zu Hersteller verschieden.<br />
Achtung bei Ersatztypen!<br />
Am besten: Man verwendet die langsamste Logik, welche die funktionalen Anforderungen an<br />
die Schaltung gerade noch erfüllt.<br />
13.1 µP-Gehäuseformen<br />
…DIL<br />
Noch besser wäre SMD, weil kürzere Anschlussleitungen (GND und VCC über mehrere<br />
Anschlüsse verteilt).<br />
Möglichst als Single Chip Lösung!<br />
13.2 Tiefpassfilterung am Print<br />
Steile Flanken lassen sich durch Filterung abrunden. Dämpfung der Oberwellen <br />
Nebensprechen und Emission wird verringert.<br />
Sinnvoll ist es, das Filter direkt zum Ausgang des Gatters zu setzen.<br />
R ~ 33 – 100Ω<br />
C ~ 33 – 100pF<br />
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13.3 Wahl von Taktfrequenzen<br />
Bei Verwendung mehrerer Quarzoszillatoren sollten sich die Frequenzen um mindestens<br />
120kHz unterscheiden (=Messbandbreite des <strong>EMV</strong>-Empfängers).<br />
Der <strong>EMV</strong>-Empfänger hat im Gegenteil zum Spektrumanalysator noch einen Filter am<br />
Eingang, der alle anderen Frequenzen ausschaltet. Liegen die Störungen in unterschiedlichen<br />
Filtern, sind sie kleiner (keine gleichphasige Überlagerung möglich).<br />
Die Filterbänke werden übrigens mechanisch umgeschalten, in den Filterbänken elektronisch.<br />
14 Anordnung der Bauelemente auf dem Print<br />
Zielvorgaben:<br />
• Minimierung der Störaussendungen von den Leiterbahnen<br />
• Minimierung der Störaussendungen von den Anschlusskabeln<br />
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14.1 Minimierung der Störaussendungen von den Leiterbahnen<br />
Die Effizienz der Abstrahlung ist bestimmt durch<br />
• Länge der Leitungen<br />
• Schleifenfläche zwischen Signal und Rückleiter<br />
• Spektrale Anteile der Oberwellen (steile Flanken)<br />
Taktsignale haben die größte Frequenz Leitungen möglichst kurz halten (ebenso<br />
Memory Leitungen zu RAM und ROM)<br />
Nicht nur die Abstrahlungs-, auch die Immunitätseigenschaften werden verschlechtert.<br />
Trick: Man kann parallel zur Rückleitung eine Stichleitung legen (Masse parallel dazu<br />
führen).<br />
Bei einem doppelseitigen Print kann man die Versorgungsleitung über der Masseleitung<br />
verlaufen lassen.<br />
zur Länge der Leitungen:<br />
Die Leitung wirkt als Antenne!<br />
Die Leitung sollte möglichst wenig Widerstand haben.<br />
Anordnung der Memorys auf einem Print<br />
ungünstig<br />
gut<br />
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Zweckmäßige Anordnung von schnellen und langsamen Bauteilen auf einem Print (schnelle<br />
Bauteile zusammenfassen).<br />
A/D Wandler, Displays, Treiber etc. sind nicht schnell.<br />
Durch diese Anordnung erhält man eine natürliche Filterung.<br />
14.2 Minimierung von Störungen durch Gleichtaktstörungen auf<br />
Verbindungsleitungen<br />
Voraussetzung ist ein „sauberes“ Massepotential.<br />
Zusätzlich kann man eine Common mode Filterung einsetzen (Ferritmanschetten,<br />
Gleichtaktdrosseln, Klappferrite)<br />
Das L stellt für die hochfrequenten Störungen eine hohe Impedanz dar.<br />
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Der HF-Strom nimmt nicht immer die Gerade.<br />
Unter der Leitung ist eine Massefläche.<br />
Die Signalleitungen auf der Brücke kann man noch zusätzlich mit Spulen filtern.<br />
Die Signalleitungen müssen über die Brücke geführt werden – ansonsten erhält man eine<br />
Rahmenantenne.<br />
Masse am Print<br />
Die Induktivität der Leitungen ist die Ursache für HF-Spannungsabfälle. Die Masseleitung ist<br />
der gemeinsame Rückleiter für Signalspannungen uns sollte daher möglichst niederohmig<br />
ausgeführt werden. Ideal wäre eine Masseoberfläche bei einem zweiseitigem Print.<br />
ohne Massefläche<br />
mit Massefläche<br />
Die Massefläche entspricht einer Spiegelfläche.<br />
Ohne Massefläche ergeben sich große Streufelder.<br />
Die Massefläche sollte nicht unterbrochen sein (Schlitze wirken wie Antennen).<br />
Die Masse (Versorgung) kann auch als Gitter (engl. Grid) ausgeführt werden.<br />
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In kritischen Bereichen kann das Gitter dichter gemacht werden.<br />
Der Masseraster kann mit dem Versorgungsgitter über Entkoppelkos verbunden werden.<br />
Ein Gitter ist nicht so gut wie eine Fläche, aber besser als nichts.<br />
Vorteil: Beim routen kann man die Signalleitungen so legen, dass kleine Flächen entstehen.<br />
Noch besser aber teurer sind Multilayerboards.<br />
z.B.: 4fach-ML<br />
2…VCC-Layer<br />
3…GND-Layer<br />
Die beiden Flächen ähneln einem Plattenkondensator C ges .<br />
C ges = ε * ε 0 r * A / d … einige nF<br />
Dieser Kondensator liegt über den ganzen Print verteilt.<br />
Außerdem wirken die Layer als Spiegelfläche.<br />
Neben einer Durchkontaktierung sollte eine zweite Durchkontaktierung als Rückweg gesetzt<br />
werden.<br />
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14.3 Störstrahlung an Kabeln (Kabelschirmen)<br />
Man nennt diese Störungen „current driven common mode distortions“.<br />
Es gibt auch eine „voltage driven common mode“ Störung.<br />
Die voltage driven common mode distortion entsteht durch Streukapazitäten gegenüber der<br />
Umgebung.<br />
Um der verrauschten Masse entgegen zu wirken, sollte man wieder ein gutes Massekonzept<br />
verwenden (Massefläche!).<br />
Eine Common Mode Drossel (Gleichtaktdrossel) am Kabel kann ebenfalls helfen.<br />
Stromversorgung und Blockkondensatoren (Stützkondensatoren).<br />
Ein gut dimensioniertes Massesystem bietet folgende Vorteile:<br />
• reduzierte Induktivität der Rückleiter<br />
• verkleinerte Schleifenfläche weniger Abstrahlung durch Gegentaktströme<br />
• geringe taktfrequente Massepotentialschwankungen weniger Abstrahlung durch<br />
Gleichtaktströme auf angeschlossenen Kabeln.<br />
Die Länge der Stromversorgungsleitungen ist oft trotzdem groß. Abhilfe bieten<br />
Stützkondensatoren als lokale Spannungs- und Ladunsspeicher.<br />
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