EMV. bei Sensorauswerteschaltungen

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1 EMV bei Sensorauswerteschaltungen Wintersemester 2000/2001

2 Inhalt: 0. Vorwort 1. Grundlegendes zu EMV 2. Störsignale 3. Koppelmechanismen und Gegenmaßnahmen 3.1 Die Galvanische Kopplung 3.2 Die Kapazitive Kopplung 3.3 Die Induktive Kopplung 3.4 Die Elektromagnetische Leitungskopplung 3.5 Die Strahlungskopplung 4. Quellenverzeichnis - 2 -

3 0. Vorwort: Die vorliegende Ausarbeitung wurde im Rahmen der Vorlesung Sensortechnik I erstellt. Sie befasst sich mit dem Thema EMV bei Sensorauswerteschaltungen. und soll als Leitfaden dienen. Da es für Sensorauswerteschaltungen wichtig ist, dass die über die Messleitungen ankommenden Messsignale nicht durch Einflüsse von außen verfälscht werden und dass die Auswerteschaltungen selbst gegenüber diesen Einflüssen geschützt sind, werden im folgenden die in Frage kommenden Einflüsse und deren Übertragungswege erläutert. Zu jeder Art der Beeinflussung sind Möglichkeiten zur Verhinderung bzw. zur Abschwächung angegeben. Als Hinweis sei noch gegeben, dass die mit den Formeln zu errechnenden Spannungsamplituden komplex sind

4 1. Grundlegendes zu EMV: EMV ist die Abkürzung für Elektromagnetische Verträglichkeit. Elektromagnetische Verträglichkeit bedeutet: a) dass ein Gerät durch von außen wirkende elektromagnetische Störenergie, die einen definierten Maximalwert haben kann, nicht oder nur in kontrollierter Weise beeinflusst werden darf. Bleibende Störungen oder Beschädigungen sind nicht erlaubt. Die Störenergie kann dabei auf allen denkbaren Wegen wie Einstrahlung, Anschlussleitungen oder über das Gehäuse in das Gerät gelangen. Dieser Vorgang wird Immission genannt. b) dass ein Gerät nur soviel elektromagnetische Störenergie nach außen abgeben darf, dass ein anderes Gerät, das a) erfüllt, dadurch nicht gestört wird. Die Abgabe der Störenergie durch z.b. Abstrahlung oder über Leitungen nennt man Emission. In Deutschland gelten folgende Normen und Vorschriften in Bezug auf EMV: - Die Fachgrundnormen (GENERIC STANDARDS) für EMV in Deutschland und Europa: GENERIC STANDARD Fachgrundnorm gültig ab Störart EN , part 1 VDE 0839, Teil /93 Störfestigkeit EN , part 1 VDE 0839, Teil /93 Störaussendung EN , part 2 VDE 0839, Teil 82-2 Störfestigkeit EN , part 2 VDE 0839, Teil 81-2 Störaussendung - Die Produktnormen (PRODUCT STANDARDS) für EMV in Deutschland und Europa: Geräteklasse Störaussendung Störfestigkeit ISM-Geräte (Wohnbereich, Geschäfts- und EN Funkentstörung von (EN ) Fachgrundnorm Gewerbebereich, Kleinindustrie) Einrichtungen für ISM-Zwecke Industriebereich EN EN Industriebereich Haushaltsgeräte EN Elektro-Haushaltsgeräte Hand-Elektrowerkzeuge Rundfunk/Fernsehempfänger EN Rundfunkempfänger und angeschlossenen Geräte Leuchtstoff-Lampen und Leuchten EN Störaussendung von Leuchtstoff- Lampen und Leuchten Informationstechnische Einrichtungen (ITE) Rückwirkungen in Stromversorgungsnetzen EN Funkentstörung von ITE EN Begriffe EN Oberschwingungen EN Spannungsschwankungen Fachgrundnorm (EN ) Fachgrundnorm EN Rundfunk/Fernsehempfänger (EN ) Fachgrundnorm pren EN in Planung - 4 -

5 - Die Messverfahren (BASIC STANDARDS) für EMV in Deutschland und Europa: EN bis EN Störsignale: Zur besseren Beschreibung der Vorgänge unterscheidet man drei Arten von Störsignalen. In der Realität tritt jedoch immer eine Kombination der verschiedenen Störformen auf. a) Spannungsstörungen: Als Spannungsstörungen bezeichnet man Spannungsschwankungen mit einer Frequenz von 0 Hz bis zu mehreren GHz, die über das Gehäuse oder über die Zuleitungen in das Gerät eindringen können. Die Ausbreitung der Spannungsstörungen erfolgt über Leitungen oder Kapazitäten in der Schaltung. Man kann sich als Ersatzschaltbild eine Störspannungsquelle (Störspannungsgenerator) zwischen zwei Punkten in der Schaltung vorstellen: Abbildung 2-1 b) Stromstörungen: Als Stromstörungen bezeichnet man Stromschwankungen mit einer Frequenz von 0 Hz bis zu mehreren GHz, die über das Gehäuse oder über die Zuleitungen in das Gerät eindringen. Die Ausbreitung der Stromstörungen erfolgt über Leitungen oder magnetisch gekoppelte Induktivitäten. Dies können Transformatoren oder parallele Leitungen sein. Man kann sich als Ersatzschaltbild eine Störstromquelle in einer Leitung der Schaltung vorstellen: Abbildung

6 c) Elektromagnetische Wellen: Die Elektromagnetische Wellen sind eine weitere Störgröße. Sie werden auch als gestrahltes Feld bezeichnet und breiten sich direkt im Raum aus. Das Gerät wirkt hier gleichzeitig als Sender und Empfänger. Die von den elektromagnetische Wellen transportierte Energie wandelt sich an den Bauelementen der Schaltung in Spannungs- oder Stromstörungen, die eine Störung bzw. Zerstörung des Gerätes zur Folge haben können. Elektromagnetische Wellen treten praktisch über den gesamten Frequenzbereich (von 0,1 Hz bis zu mehreren GHz) als Störungen auf. Dabei ist die Störreichweite stark von der Frequenz bzw. der Strahlleistung abhängig, wie im folgenden zu sehen ist: - bis 10 khz: Die Reichweite in den freien Raum beträgt nur wenige Millimeter bis Zentimeter. Eine reale Störung in diesem Bereich ist das 50/60 Hz-Brummen der Netzspannung khz bis 30 MHz: In diesem Bereich liegen die Radiofrequenzen von Lang- bis Kurzwelle. Die Störreichweite kann hier von wenigen Zentimetern bis weit über 1000 km betragen. Sie ist abhängig von Frequenz und Senderleistung. Eine solche Störung breitet sich vorzugsweise leitungsgebunden aus, wobei der Störstrahlanteil mit zunehmender Frequenz wächst. Reale Störungen in diesem Frequenzbereich haben meist eine Reichweite von mehreren 100 km im Umkreis des Störsenders MHz bis 500 MHz: Dieser Frequenzbereich erstreckt sich von der Ultrakurzwelle bis hin zu den Fernsehfrequenzen. Solche Störungen breiten sich meist durch Strahlung aus und besitzen eine Reichweite von bis zu mehreren 100 m. - größer 500 MHz: Dies ist der Bereich von Satelliten- und Richtfunk. Störungen dieser Frequenzen breiten sich ebenfalls meist durch Strahlung aus. Die Störreichweiten betragen hier bis zu 10 m. Zu unterscheiden sind im weiteren noch sogenannte Gegentakt- und Gleichtaktstörungen: - Gegentaktsrörungen: Gegentaktstörungen werden durch magnetische oder galvanische Kopplung (siehe Kapitel 3) verursacht. Im Ersatzschaltbild werden Gegentaktstörungen mit Hilfe von Gegentaktstörquellen, die in Reihe zur Nutzsignalquelle liegen, dargestellt. Diese Gegentaktstörquellen treiben - 6 -

7 Störströme, die in gleicher Richtung wie die Nutzsignalströme fließen, d.h. sie besitzen im Hin- und Rückleiter eines Signalkreise entgegengesetzte Richtungen. Dies führt zu dem Namen Gegentaktstörungen. Die eigentliche Störung erfolgt dadurch, dass die Gegentaktströme an der Empfängerimpedanz einen Spannungsabfall hervorrufen, der bei nichtgeerdeten Schaltungen als Gegentaktstörspannung (Abb. 2-3a), bei symmetrisch betriebenen Schaltungen als symmetrische Störspannung (Abb. 2-3b) und bei unsymmetrisch betriebenen Schaltungen als unsymmetrische Störspannung (Abb. 2-3c) aufritt. Abbildung 2-3 a) b) c) - Gleichtaktstörungen: Die Ursachen für Gleichtaktstörungen können kapazitive Kopplung (siehe Kapitel 3), Potentialanhebungen von Masse oder Erdungspunkten oder Potentialdifferenzen räumlich auseinander liegender Masse- und Erdklemmen bzw. Schutzleiterkontakte sein. Im Ersatzschaltbild werden Gleichtaktstörungen durch Gleichtaktstörquellen zwischen einem Stromkreis und Erde dargestellt. Diese Gleichtaktstörquellen treiben Gleichtaktströme, die in Hin- und Rückleitung in die gleiche Richtung fließen. Dies führt zu dem Namen Gleichtaktstörungen. In erdfrei betriebenen Schaltungen können sich zunächst keine Gleichtaktströme fließen, da kein geschlossener Strompfad existiert. Dadurch können auch keine Störspannungsabfälle an der Empfängerimpedanz entstehen. Zwar lassen sich Störspannungen zwischen den Klemmen der Empfängerimpedanz und Erde messen. An der Impedanz selbst liegt jedoch nur die Differenz dieser Störspannung also die reine Nutzsignalspannung

8 3. Koppelmechanismen und Gegenmaßnahmen: Im folgenden werden die grundsätzlichen Übertragungswege elektromagnetischer Störungen und Maßnahmen, um diese zu unterbinden, näher erläutert. 3.1 Die Galvanische Kopplung: Man spricht von galvanischer Kopplung, wenn mehrere Stromkreise leitend verbunden sind oder eine gemeinsame Impedanz besitzen. Es gibt zwei verschiedene Arten der galvanische Kopplung. Dies ist die galvanische Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen und zwischen Betriebsstromkreisen und Erdstromkreisen (Erdschleifen). a) Die Galvanische Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen: Bei dieser Art der galvanischen Kopplung haben zwei oder mehrere Stromkreise eine gemeinsame Impedanz (=Koppelimpedanz), z.b. einen gemeinsamen Bezugsleiter (Abb.3.1-1a) Der Strom jeweils eines Stromkreises erzeugt nun an der Koppelimpedanz Z K einen Spannungsabfall. In dem jeweils anderen Stromkreis führt dies zu einer Gegentaktstörspannung. Um dies zu vermeiden benutzt man keinen Bezugsleiter sondern nur noch einen Bezugspunkt (Abb b). Abbildung a) b) Das in obiger Abbildung gezeigte Schema wird in den folgenden Abbildungen noch verdeutlicht. Abbildung 3.1-2a zeigt die galvanische Kopplung von Funktionseinheiten über gemeinsame Impedanzen. Die Abbildungen 3.1-2b und 3.1-2c zeigen Gegenmaßnahmen: - 8 -

9 Abbildung Gegenmaßnahmen: - Reduzierung der Koppelimpedanz (z.b. bei Stromversorgungsleitungen) durch geringen Abstand, Verdrillen, Multi-Layer-Platinen usw. - Stützkondensatoren am Eingang jeder Funktionseinheit, die bei schnellen Schaltvorgängen kurzzeitig hohe Ströme bei geringer Spannungsabsenkung liefern können (z.b. 100nF bei ICs). - Separate Versorgungsleitungen der einzelnen Funktionseinheiten zum Netzteil (Abb b). - Getrennte Netzteile bei sehr unterschiedlicher Leistungsaufnahme der einzelnen Funktionseinheiten (Abb c)

10 b) Erdschleifen: Erdschleifen, auch Ringerden genannt, sind eine der häufigsten elektromagnetische Beeinflussungen. An einem Beispiel wird nun kurz das Zustandekommen einer Störung durch Erdschleifen erläutert. In der folgenden Abbildung ist eine Signalquelle zu sehen, die über ein Koaxialkabel mit einem Oszilloskop verbunden ist. Beide Geräte sind über die Schutzkontakte der Netzanschlussleitungen geerdet. Abbildung Die Gleichtaktquellenspannung U GL, die durch Induktion oder durch unterschiedliche Erdpotentiale entsteht, lässt durch den Innenleiter und durch den Mantel des Koaxialkabels die Gleichtaktströme I GL fließen. Dadurch entsteht an der Empfängerimpedanz Z E ein Spannungsabfall also eine Gegentaktsrörspannung. Gegenmaßnahmen: - Eine erste mögliche Maßnahme, dies zu verhindern, wäre das Auftrennen der Erdschleife, indem man eins der beiden Geräte ungeerdet betreibt (Schutzleiter abklemmen). Hierbei ist zu beachten, dass das zweite Gerät, nur solange das Koaxialkabel beidseitig angeschlossen ist, geerdet ist. Als Problem tritt hier jedoch die sogenannte Erdstreukapazität C Str des nicht galvanisch geerdeten Gerätes gegenüber Erde auf. Diese bewirkt, dass für hohe Frequenzen nach wie vor eine Erdschleife existiert und als Folge davon eine Störung. - Trenntransformatoren: Trenntransformatoren werden zur Auftrennung von Erdschleifen bei nieder- und mittelfrequenten Nutzsignalen verwendet. Bei hohen Frequenzen jedoch wird über die relativ großen Streukapazitäten C Str die Erdschleife wieder geschlossen, so dass eine Störung möglich ist

11 Abbildung Dieses Problem kann jedoch durch Verwendung eines zusätzlichen Schirmes vermieden werden. Folgende Abbildung zeigt einen solchen Trenntransformator mit zusätzlichem Schirm: Abbildung Wichtig ist noch, dass das Übersetzungsverhältnis von Trenntransformatoren über die gesamte Nutzsignalbreite konstant sein muß. - Neutralisierungstranformatoren: Diese Transformatoren werden verwendet, wenn neben Wechselspannungen auch Gleichspannungen übertragen werden sollen

12 Abbildung Die Wicklungszahlen W 1 und W 2 sich identisch und die Spulen sind gleichsinnig gewickelt. Dies bedeutet, dass die Nutzsignalströme Durchflutungen erzeugen, die sich aufheben. Das Nutzsignal wird also durch den Transformator nicht verändert, für die Störströme I Gl wirken die Wicklungen jedoch als Drossel, so dass sich die Impedanz der Erdschleife erhöht, was bei hohen Frequenzen einer Auftrennung entspricht. Oberhalb von 1 MHz verwendet man oft Ferritperlen oder ringe. Diese werden über beider Adern der Signalleitung. Man kann auch Ferritkerne benutzen und die Adern darauf aufwickeln, die dann die Wicklungen selbst bilden. - Optokoppler und Lichtleiterstrecken: Optokoppler und Lichtleiter werden meist an Ein- und Ausgängen von speicherprogrammierbaren Steuerungen oder Automatisierungssystemen eingesetzt. Die üblichen Isolationsspannungen betragen bei Optokopplern zwischen 500 V und 10 kv. Die folgende Abbildung zeigt den Prinzipaufbau eines Optokopplers bzw. der Lichtleiterstrecke. Abbildung

13 3.2 Die kapazitive Kopplung: Die kapazitive Kopplung, auch elektrische Kopplung genannt, tritt zwischen Leitern, die unterschiedliches Potential haben, in Erscheinung. Durch dir Potentialdifferenz bildet sich ein elektrisches Feld zwischen den Leitern. Im Ersatzschaltbild wird dieses Feld durch Streukapazitäten (C I/II in Abb ) dargestellt. Abbildung I: Störendes System II: gestörtes System In obiger Abbildung wird davon ausgegangen, dass nur System I System II stört und nicht umgekehrt, d.h. der Spannungspegel in System I ist viel größer als der des Systems II. Für die Störspannung U St ergibt sich: U St = U I iϖ CI / II R E Man erkennt, dass die Störspannung abhängig von der Frequenz, der Koppelkapazität und dem ohmschen Gesamtinnenwiderstand des System II ist. Daraus lassen sich Gegenmaßnahmen ableiten. Gegenmaßnahmen: - Verkleinerung der Koppelkapazität durch kurze Strecken paralleler Leitungsführung, Vergrößerung des Abstandes zwischen den Leitungen oder Schirmung des System II

14 Abbildung Die Streukapazität wirkt nun nur zwischen System I und dem geerdeten Schirm, so dass die Störströme direkt nach Erde abfließen und so keine Störspannungsabfälle an System II erzeugen. - Verkleinern des ohmschen Gesamtinnenwiderstand des System II 3.3 Die Induktive Kopplung: Befinden sich zwei oder mehrere stromdurchflossene Leiterschleifen dicht genug beieinander, so durchsetzen die durch die Ströme hervorgerufenen magnetischen Flüsse die jeweils andere Leiterschleife. Dadurch wird in dieser eine Störspannung induziert. Diesen Vorgang nennt man die induktive Kopplung. Im Ersatzschaltbild stellt man diese Kopplungsart entweder als Gegeninduktivität M (Abb a) oder durch eine Störspannungsquelle (Abb b). Abbildung a) b) Dieses Ersatzschaltbild gilt für den Fall, dass das System I das System II stört aber umgekehrt keine Störung stattfindet. Für die Störspannung U St gilt dann: U St ( ϖ ) = I I ( ϖ ) iϖm I / II wobei M = Φ I I / II II ( ϖ ) ( ϖ )

15 Gegenmaßnahmen: - Verkleinern der Gegeninduktivität M I/II durch möglichst kurze Strecken paralleler Leitungsführung. - Größere Abstand zwischen den einzelnen Schleifen - Schleifen senkrecht zueinander anordnen - Verdrillen der Leiter des System II wodurch die Fläche des System II bzw. der Fluss Φ I/II verkleinert wird. - System II schirmen, wenn die Verdrillung nicht den gewünschten Effekt bringt. Abbildung zusätzlicher Reduktionsleiter: Abbildung Der Reduktionsleiter ist eine Kurzschlussschleife, deren Magnetfeld das störende Magnetfeld teilweise kompensiert

16 3.4 Die Elektromagnetische Leitungskopplung: Existieren gleichzeitig elektrische und induktive Kopplung und damit Beeinflussung zwischen zwei oder mehreren elektrisch langen Leitungen, so nennt man dieses Phänomen elektromagnetische Leitungskopplung. Als elektrisch lang gilt eine Leitung, wenn: - die Anstiegszeit der von ihr zu übertragenden Impulse in der Größenordnung der Laufzeit liegt oder diese sogar unterschreitet und damit Spannung und Strom auf der Leitung ortsabhängig werden. oder: - wenn die Wellenlänge in der Größenordnung der Leitungslänge liegt oder diese unterschreitet und damit die komplexen Amplituden von Spannung und Strom vom Ort auf der Leitung abhängig werden. Da die quantitative Beschreibung der elektromagnetischen Leitungskopplung mathematisch sehr anspruchsvoll und zeitaufwendig ist, wird hier nur das Zustandekommen an einem Ersatzschaltbild für die Kopplung zweier Leitungen erläutert. Feldmodell Netzmodell Abbildung Leitung 1: störendes System Leitung 2: gestörtes System Durch den in Leiterschleife 1 fließenden Strom entsteht das orts- und zeitabhängige Magnetfeld H(x,t), dessen Fluss die benachbarte Leiterschleife 2 durchsetzt und dort eine Spannung induziert. Diese Spannung führt zu einem Störstrom in der Leiterschleife 2. Da sich zusätzlich beide Leiterschleifen auf unterschiedlichem Potential befinden, existiert zwischen ihnen auch noch ein veränderliches elektrisches Feld E(x,t), wodurch auf Leiterschleife 2 ein kapazitiver Störstrom entsteht. Der große Unterschied zu der vorher erläuterten reinen induktiven und kapazitiven Kopplung ist, dass hier Spannung und Strom sowie Magnetfeld und E-Feld zeit- und ortsabhängig sind

17 Wie in Abb zusehen ist, ist das Ersatzschaltbild für zwei Leitungen schon relativ anspruchsvoll. Bei mehreren Leitungen wird dies dementsprechend komplexer. 3.5 Die Strahlungskopplung: Als Strahlungskopplung bezeichnet man die Beeinflussung von Leitern durch elektromagnetische Wellen. Bei den bisher erläuterten Kopplungsmechanismen wurde immer davon ausgegangen, dass elektrische und magnetische Wechselfelder als selbständige und voneinander unabhängige Phänomene auftreten. Dies ist jedoch nur im Nahfeld des störenden Systems richtig. Im Fernfeld dagegen existieren elektromagnetische Wellen, bei denen E-Feld und Magnetfeld nicht mehr unabhängig voneinander sind. Da die Strahlungskopplung ein sehr komplexes Thema ist, soll hier nur das Funktionsprinzip dargestellt werden. Die Störungen werden hier direkt durch die auf eine Leitung treffende elektromagnetische Welle hervorgerufen, d.h. durch das E-Feld der Welle entsteht ein Störstrom und durch das Magnetfeld eine Störspannung. Zu beachten ist, dass die Störungen wiederum Ursache einer elektromagnetischen Welle sind, die sich mit der einfallenden Welle im Raum überlagert. Gegenmaßnahmen: Hier helfen prinzipiell die in den vorangegangen Abschnitten genannten Maßnahmen wie Verdrillen, Schirmen, usw

18 4. Quellenverzeichnis: - Elektromagnetische Verträglichkeit / Jasper J. Goedbloed / Pflaum Verlag - Handbook of Modern Sensors / Jacob Fraden - WIKA-Handbuch Druck- und Temperaturmesstechnik - Elektromagnetische Verträglichkeit 4.Aufl. / Adolf J.Schwab / Springer Verlag - Sensoren Fühler der Messechnik / Günther W. Schanz