Arnold Rodewald. Elektromagnetische Verträglichkeit

Transkript

1 Arnold Rodewald Elektromagnetische Verträglichkeit

2 Aus dem Programm Elektrotechnik EMVU-Messtechnik von P. Weiß, B. Gutheil, D. Gust und P. Leiß Handbuch Elektrische Energietechnik herausgegeben von L. Constantinescu-Simon Vieweg Handbuch Elektrotechnik herausgegeben von W. Böge Elektromagnetische Verträglichkeit von A. Rodewald Elektrotechnik von D. Zastrow Aufgabensammlung Elektrotechnik 1 und 2 von M. Vömel und D. Zastrow Elemente der angewandten Elektronik von E. Böhmer Elektronik von D. Zastrow Elektrotechnik für Ingenieure, Band 1, 2 und 3 von W. Weißgerber Arbeitshilfen und Formeln für das technische Studium 4: Elektrotechnik/Elektronik/Digitaltechnik herausgegeben von W. Böge Elektrische Meßtechnik von K. Bergmann vieweg "'

3 Arnold Rodewald Elektromagnetische Verträglichkeit Grundlagen - Praxis Mit 267 Abbildungen v1eweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ~

4 1. Auflage , verbesserte und erweiterte Auflage, September 2000 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 2000 Ursprünglich erschienin bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/ Wiesbaden, 2000 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Technische Redaktion: Hartmut Kühn von Burgsdorff Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Lengericher Handelsdruckerei, Lengerieb Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN DOI / ISBN (ebook)

5 V Vorwort Jede in Betrieb befindliche elektrische Schaltung erzeugt zwangsläufig in einem benachbarten elektrischen System unbeabsichtigt mehr oder weniger hohe Spannungen und Ströme. Diese können unter Umständen ein solches Ausmaß erreichen, daß es zu Funktionsstörungen in der betroffenen Schaltung kommt. Angesichts dieser grundsätzlich vorhandenen Gefahr für die Funktionsfähigkeit elektrischer Schaltungen sollten Kenntnisse über die angedeuteten unbeabsichtigten elektrischen Vorgänge genauso zum Grundwissen eines Elektroingenieurs gehören, wie die Fähigkeit, elektrische Spannungen und Ströme gezielt zur Lösung bestimmter Aufgaben einzusetzen. Mit diesem Buch möchte ich Studenten und Studentinnen der Elektrotechnik Grundkenntnisse über die unbeabsichtigten elektrischen Erscheinungen vermitteln. Ich setze dabei die physikalischen Grundlagen und die allgemeine Theorie der Elektrotechnik als bekannt voraus, die etwa in der ersten Hälfte eines Studiums an einer Technischen Universität oder einer Fachhochschule gelehrt werden. Es kommt den Studierenden entgegen, daß die unbeabsichtigten elektrischen Vorgänge auf den gleichen physikalischen Grundlagen beruhen, wie die absichtlich und zweckgerichtet geformten Strukturen der Elektrotechnik. Sie müssen deshalb auch keine zusätzlichen physikalischen Effekte und Theorien erlernen, um die neuen Erscheinungen zu verstehen, sondern es geht im wesentlichen darum, schon bekanntes Wissen in neuen Zusammenhängen anzuwenden. Aus diesem Grund wird nach meinem Eindruck die Auseinandersetzung mit den unbeabsichtigten elektrischen Vorgängen von den Studierenden häufig auch als nützliche Wiederholung der Grundlagen der Elektrotechnik empfunden. Meinem Mitarbeiter, Herrn 0. Kolb, danke ich für seine wertvolle Hilfe bei der Herstellung von Versuchseinrichtungen, Frau A. Baumgartner für das Schreiben des Manuskripts und schließlich Herrn E. Klementz vom Verlag Vieweg für die vertrauensvolle Zusammenarbeit. Reinach, im Frühjahr 1995 Arnold Rodewald

6 VI Vorwort zur 2. Auflage Die erste Auflage dieses Buches enthielt hauptsächlich die Beschreibung der Elementarvorgänge, die im Zusammenhang mit elektromagnetischen Beeinflussungen eine Rolle spielen. Viele schriftliche und mündliche Reaktionen von Lesern haben mir gezeigt, dass mit der Art der Darstellung das gesteckte Ziel, Verständnis für die beteiligten elektrischen Vorgänge zu vermitteln, erreicht wurde. Für den ersten Teil der zweiten Auflage ist deshalb diese Schilderung der Elementarprozesse weitgehend unverändert übernommen worden. Sie wurde nur durch kurze zusätzliche Abschnitte über die Abschirmungen gegen elektrische Felder und niederfrequente Magnetfelder ergänzt. Neu enthält die 2. Auflage einen zweiten Teil mit dem Titel "Schwerpunkte der EMV-Praxis in der Geräte- und Messtechnik". Er ist aus der Idee heraus entstanden, eine Verbindung zwischen dem Grundlagenwissen und der Praxis herzustellen. Angesichts der Breite, in der EMV Probleme auftreten und gelöst werden müssen - allein die Darstellung der deutschen EMV Normen erfordert bereits mehr als 5000 Druckseiten - ergab sich dabei zwangsläufig die Notwendigkeit einer Beschränkung. Sie erfolgte in dem Sinn, dass Teilprobleme ausgewählt wurden, die in der EMV-Praxis so häufig vorkommen, dass ihre Beherrschung- genauso wie das Verständnis der Elementarvorgänge - zum EMV -Grund wissen gehört. Dies sind z.b. EMV-gerechte Massestrukturen, die Abschirmpraxis oder die Verfahren zur Entdeckung von Signalbeeinflussungen. Ich bedanke mich bei allen Lesern, die mir Hinweise auf Fehler in der ersten Auflage gegeben haben, bei meiner Frau Barbara und bei Frau A.-M. Baumgartner für das Schreiben der neuen Texte, bei meinem Kollegen Prof. P. Ganzmann für zahlreiche Fachdiskussionen sowie beim technischen Lektorat und der Redaktion des Verlages für die sorgfältige Ausführung der Zeichnungen, die gute Ausstattung des Buches und die erfreuliche Zusammenarbeit. Reinach, im Septemer 2000 Amold Rodewald

7 VII Inhaltsverzeichnis Teill: Grundlagen 1 Einführung Ursachen elektromagnetischer Beeinflussungen Die Auswirkung elektromagnetischer Beeinflussungen Unbeabsichtigte Wirkungen elektrischer Felder von Spannungen Die unbeabsichtigte Wirkung magnetischer Felder von Strömen Die Störung von Bildschirmen durch die Magnetfelder niederfrequenter Ströme Beeinflussung durch den unbeabsichtigten Empfang eines Senders Literatur Die allgemeine Struktur elektromagnetischer Beeinflussungen Die fünf einfachen Kopplungen Zusammengesetzte Kopplungen Die Beeinflussungswege Die allgemeine Struktur der Beeinflussungswege Felder, die von Leitungen ausgehen... Abschwächung leitungsgebundener Störungen CA-stör> a)... Abschwächung leitungsgebundener Beeinflussungen über Datenleitungen Abschwächung von äußeren Feldern Störfestigkeit Störaussendung Das Frequenzspektrum einer Folge von rechteckigen Impulsen Das Frequenzspektrum von Impulsfolgen mit endlicher Flankensteilheit Die Rolle der Normen bei der Sicherung der EMV Die Normenorganisation Die zivilen Normentypen Die zivilen Gerätenormen Ein kurzer Blick in die Theorie der Elektrotechnik Spannungen und Potentialdifferenzen Die Geometrie der elektrischen Spannung Die quasistationäre Modellbildung Generator- und Verbraucherspannungen Theorie- Überblick... 45

8 VIII Inhaltsverzeichnis Vom Schaltschema über eine Raumskizze zum Ersatzschaltbild Literatur Kopplungen durch quasistationäre Magnetfelder von Strömen Das Übertragungsverhalten induktiver Kopplungen Der Frequenzgang Das Impulsverhalten einer induktiven Kopplung Leiterschleifen, die von der Strombahn getrennt sind Leiterschleifen, die an der störenden Strombahn anliegen Abschirmen gegen magnetische Felder Der Frequenzgang einer Abschirmung durch eine Kurzschlußmasche Das Impulsverhalten der Gegenfeldabschirmung Ein Demonstrationsversuch zur Gegenfeldabschirmung mit einer Kurzschlußmasche... Mögliche Nebenwirkungen von i2... Abschirmung gegen W andströme... Verringerung von i2 im Hinblick auf möglichst kleine Nebenwirkungen. Typische Fehler bei der Abschirmung mit Kurzschlußmaschen... Abschwächung schnell veränderlicher Magnetfelder durch metallische Gehäuse Abschirmen gegen statische und niederfrequente Magnetfelder Literatur Die quasistationäre kapazitive Kopplung Der Frequenzgang einer kapazitiven Kopplung Praktische Schlußfolgerungen aus dem Frequenzgang Das Impulsverhalten der kapazitiven Kopplung Abschirmung gegen ein quasistationäres elektrisches Feld Demonstrationsversuch zur Abschirmung eines quasistationären E-Feldes Der Frequenzgang der Feldschwächung durch ein Abschirmgehäuse in einem elektrischen Feld Metallische Gehäuse in statischen elektrischen Feldern (Faraday'sche Käfige) in Luft Metallisches Gehäuse in zeitlich veränderlichen elektrischen Feldern Messergehnisse an metallischen Gehäusen in einem elektrischen Feld Gehäuse mit hochohmigen Wänden in elektrischen Feldern Kapazitive Kopplung im Inneren von Abschirmgehäusen Reduktion durch Symmetrieren EMV-Regeln im Hinblick auf quasistationäre kapazitive Kopplungen Literatur... l 09

9 Inhaltsverzeichnis IX 5 Die ohmsehe Kopplung Ohmsehe Kopplung durch gemeinsame Drähte bei Gleichstrom Ohmsehe Kopplung an Drähten bei zeitlich veränderlichem Strom Ohmsehe Kopplung an korrodierten Verbindungen (rusty bolt) Kopplungen durch ohmsehe Strömungsfelder im Erdreich Mathematische Beschreibung eines Flächenerders Abschirmung gegen elektrische Strömungsfelder im Erdreich Die Grenze zwischen ohmsehern Widerstand und Wellenwiderstand Literatur Kabelmantelkopplung Kopplungen zwischen parallelen Leitungen Kopplung zwischen parallelen Leitungsstücken im quasistationären Frequenzbereich Analytische Berechnung der Impulskopplung Impulskopplungen in Flachkabeln Kopplungen in nicht homogenen Medien Die kritische Anordnung in digitalen Schaltungen Impulskopplungen bei beliebigen Leitungsabschlüssen Literatur Störende unbeabsichtigte Impulse Störende Schaltvorgänge in elektrischen Energieversorgungen Mathematische Analyse einer einfachen Nahzone mit idealem Schalter Praktische Beispiele von Ausgleichsvorgängen in der Nähe von Schaltern Rückzündungen an öffnenden Schaltern Entladung elektrostatischer Aufladungen Die Entladung elektrostatisch aufgeladener Personen Gewitterentladungen (Blitze) Literatur Unabsichtliche Hochfrequenzeffekte Leitungen und Leitungsschirme als unabsichtliche Antennen Unabsichtliche Hohlraumresonanzen Literatur

10 X Inhaltsverzeichnis Teil 2: Schwerpunkte der EMV -Praxis in der Geräte- und Messtechnik 10 Zwei Verfahren zur Entdeckung von Signalbeeinflussungen in der Messtechnik... oo oooooo oooooo ooooooooooo oo oo oo oo oooooooooooo ooooooooo oooo Die Kurzschlussprüfung oo oo oooooooo... oo... oo... oooo oo oooooo oo Die Ferritkernprüfung oooo oo oooo oo oo oo oo.ooooooooooooooooo EMV-Probleme bei Messungen mit Spannungssonden (engl.: probes) Beispiel für den Störeffekt loooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Beispiel für den Störeffekt 3 oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Beispiel für den Störeffekt 2 OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOooOOOOOOOOOOooooooooooOO EMV -gerechte Masse- und Bezugsleiterstrukturen Schaltungstechniken zur Trennung der Strombahnen in einer Masse bei tiefen Frequenzen... oo... oo.. oo.oooooooooooooooo.,.oooo ooooooooooooo ooooooooooooooooooooooooooo.. oo Leiterformen und Massestrukturen für die Stromrückführungen in digitalen Schaltungen oo oo oooo oooooooooooooooooo ooooooooooooo ooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Rückführung von Impulsströmen über Gitter mit gekreuzten Leitern für Masse und Energieversorgung in zweilagigen Leiterplatten Rückführung der Impulsströme über Gitter mit parallelen Leiterkämmen in zweilagigen Leiterplatten oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Rückführung von Impulsströmen in einlagigen Leiterplattenoooooooooooooooooooo Stromrückführung in Geräten mit analogen Signaleingängen und digitaler Signalverarbeitung Erdschleifen oo Die Entstehung von Erdschleifen oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo Abschwächung von hochfrequenten Erdschleifen-Beeinflussungen durch Ferritkerne oo oooo Auftrennung eines Erdschleifenzweiges durch den Innenwiderstand von Differenz- oder Instrumenten-Verstärkern Vermeidung von Erdschleifen durch getrennte Energieversorgungoooooooooooooooooooooo Vermeidung von Erdschleifen durch galvanisch unterbrochene Signalübertragung... oo oo oo oooooooo oooo,.. oooo.ooooooo ooooooooooooooooooooooooo oooooo Literatur... oooo oooooo oooo oooooooooo oo oooo oo oo oo oooooooooooooooooooooooo.. oo.oooo Abschirmpraxis... oo oo oooo oo ooooooooooooooooooooooooooooooooooooo oo ooooooooooooooooooooooooo Einseitiger oder beidseitiger Masseanschluss von Kabelschirmen? OOOOOOOOOOOOoooooooooo Abschirmung mit Kabelschirmen gegen elektrische Felder Abschirmung mit Kabelschirmen gegen schnell veränderliche Magnetfelder

11 Inhaltsverzeichnis XI Abschirmung von Signalkabeln gegen niederfrequente Magnetfelder Anschluss von Kabelschirmen in Schaltungen mit Instrumentenverstärkern Brumm in Audiosystemen durch beidseitige Masseanschlüsse von Kabelschirmen EMV-gerechte Abschlüsse geschirmter Kabel EMV-gerechte Steckverbindungen EMV-gerechte Einführung von geschirmten Kabeln in Abschirmgehäuse Was kann man mit Verdrillen erreichen und was nicht? Abschirrngehäuse Gehäuse gegen elektrische Felder Gehäuse gegen niederfrequente Magnetfelder Gehäuse gegen Magnetfelder im Frequenzbereich 1 khz bis 10 MHz Gehäuse gegen elektromagnetische Strahlungsfelder im Bereich> 10 MHz Literatur zu Kapitel Filtereinsatz Zusammenwirken von Funkentstörungs- und Störschutzfiltern mit ihrer elektrischen Umgebung Filter in den Netzanschlüssen Der Einbau von Filtern Filter in Signalleitungen Filter in der Gleichspannungsversorgung Stützkondensatoren in digitalen Schaltungen Schutz von Netzzuführungen und Signalleitungen mit Überspannungsableitern Schutz von Netzzuführungen Schutz von Signal- und Datenleitungen durch Überspannungsahleiter Der Einfluss der Anschlüsse auf die Schutzwirkung von Ableitern Überlastungsschutz von Überspannungsableitern Der räumliche Schutzbereich von Überspannungsahleitern Literatur Komponentenauswahl und Schaltungstechniken im Hinblick auf niedrige Störaussendung Literatur

12 XII Inhaltsverzeichnis 18 Strategien zur Sicherung der EMV Spezifische EMV-Planung Experimentelle Überprüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit Literatur Anhang Literatur Anhang Anhang Anhang Literatur Anhang Sachwortverzeichnis