Elektromagnetische Verträglichkeit Versuch 1

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1 Fachhochschule Osnabrück Labor für Elektromagnetische Verträglichkeit Elektromagnetische Verträglichkeit Versuch 1 Kopplungsmechanismen auf elektrisch kurzen Leitungen Versuchstag: Teilnehmer: Testat:

2 EMV Versuch 1 Kopplungsmechanismen auf elektrisch kurzen Leitungen 2 1 Grundlagen Ziel dieses Versuches ist die Vertiefung der Kenntnisse der Kopplungsmechanismen auf elektrisch kurzen Leitungen, Galvanische Kopplung, Kapazitive Kopplung und Induktive Kopplung. Die Grundlagen zu diesem Versuch sind im Skriptum EMV, Kapitel 3.2 bis 3.4, zu finden. 2 Versuchsaufbau Für die Untersuchung der Kopplungsmechanismen werden im Wesentlichen ein Funktionsgenerator als Signal- bzw. Störquelle, ein Oszilloskop als Störsenke und verschiedene Leiterplatten als über-koppelnde Signalkreise verwendet. Ferner steht eine Vorrichtung zur Verfügung, mit deren Hilfe der Abstand der Signalkreise definiert verändert werden kann. Blockschaltbild Funktionsgenerator Oszilloskop Bild 1 Laboraufbau 3 Versuchsvorbereitung Bearbeiten Sie die Aufgaben 2, 3 und 4 der Übung 1 aus der Vorlesung. Erläutern Sie, in welchen Anwendungsfällen EMV Probleme durch die hier behandelten Kopplungsmechanismen auftreten können. Nennen Sie Beispiele. 2

3 EMV Versuch 1 Kopplungsmechanismen auf elektrisch kurzen Leitungen 3 4 Versuchsdurchführung 4.1 Allgemeines Wenn nicht anders angegeben, arbeiten Sie bei beiden Kanälen des Oszilloskops mit einer Eingangsimpedanz von 1 MΩ. Messen Sie mit Kanal 1 das Signal der Störquelle und mit Kanal 2 das Störsignal. Stellen Sie die vorgegebenen Frequenzen mit einer Genauigkeit von 1% ein. 4.2 Bedienung des Speicheroszilloskops Machen Sie sich mit Hilfe der Bedienungs-Kurzanleitung Agilent 54621A mit den Funktionen des in diesem Versuch eingesetzten Digital - Speicheroszilloskops vertraut. 4.3 Galvanische Kopplung Zwei Stromkreise sind galvanisch miteinander gekoppelt. Messen Sie den Spannungsabfall an dem gemeinsamen Leiterbahnabschnitt der Dicke d = 35 µm, der Breite b = 2 mm und der Länge = 120 mm bei einem Strom von 50 ma und den Frequenzen f = 20 Hz, 200 Hz, 2 khz, 20 khz, 50 khz, 100 khz, 200 khz, 300 khz, 400 khz, 500 khz, 750 khz, 1 MHz. Beobachten Sie den Phasenwinkel zwischen Signalstrom und Störspannung in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Strommessung erfolgt über einen Messshunt von 10 Ω auf der Leiterplatte. R i=50ω Anschluss Signalquelle Strommessung Kanal 1 Störspannungsmessung Kanal 2 R Last=10Ω R A=50Ω R E=1MΩ fiktive Signalquelle Bild 3 Versuchsanordnung für die Untersuchung der galvanischen Kopplung 3

4 EMV Versuch 1 Kopplungsmechanismen auf elektrisch kurzen Leitungen Induktive Kopplung Zwischen zwei Stromkreisen wird eine Spannung induktiv überkoppelt. Messen Sie die Störspannung in Abhängigkeit von der Frequenz des Störstromes (f = 20 Hz, 200 Hz, 2 khz, 20 khz, 50 khz, 100 khz, 200 khz, 300 khz, 400 khz, 500 khz, 750 khz, 1 MHz), wenn der Störstrom 50 ma und der Abstand zwischen störendem und gestörtem Kreis 1 cm betragen. vom Abstand zwischen störendem und gestörtem Kreis (d = 1 cm, 1,5 cm, 2 cm, 2,5 cm, 3 cm, 3,5 cm, 4 cm, 4,5 cm, 5 cm, 8 cm, 10 cm), wenn der Störstrom 50 ma und dessen Frequenz 500 khz betragen. von der Eingangsimpedanz der Störsenke (50 Ω und 1 MΩ) in einem von Ihnen ausgewählten Fall. Zeichnen Sie für die Signalformen Sinus, Rechteck und Dreieck den Verlauf der Störspannung, wenn die Signalfrequenz 100 khz, der Signalstrom 50 ma und der Abstand zwischen störendem und gestörtem Kreise 1 cm betragen (siehe Anhang 1). Schalten Sie die Eingangsimpedanz des Oszilloskops auf 50 Ω. 10 cm 6 cm Funktionsgenerator Oszilloskop Kanal 1 Kanal 2 Messshunt 10 Ω 10 cm 10 cm Bild 4 Versuchsanordnung für die Untersuchung der induktiven Kopplung 4

5 EMV Versuch 1 Kopplungsmechanismen auf elektrisch kurzen Leitungen Kapazitive Kopplung Zwischen zwei Stromkreisen wird eine Spannung kapazitiv überkoppelt. Messen Sie die Störspannung in Abhängigkeit von der Frequenz der Signalspannung (f = 200 Hz,2 khz, 20 khz, 50 khz, 100 khz, 200 khz, 300 khz, 400 khz, 500 khz, 750 khz, 1 MHz), wenn der Abstand zwischen störendem und gestörtem Kreis 1 cm und die Signalspannung 3 V eff. betragen. vom Abstand zwischen störendem und gestörtem Kreis (d=1 cm, 1,5 cm, 2 cm, 2,5 cm, 3 cm, 3,5 cm, 4 cm, 4,5 cm, 5 cm, 8 cm, 10 cm), wenn die Signalspannung 3 V eff und deren Frequenz 500 khz betragen. von der Eingangsimpedanz der Störsenke (50 Ω und 1 MΩ) in einem von Ihnen ausgewählten Fall. Zeichnen Sie für die Signalformen Sinus, Rechteck und Dreieck den Verlauf der Störspannung, wenn die Signalfrequenz 100 khz, die Signalspannung 3 V eff und der Abstand zwischen störendem und gestörtem Kreise 1 cm betragen. (siehe Anhang 1) 10 cm 8 cm Funktionsgenerator Oszilloskop Kanal 1 Masse 47k Masse Kanal 2 47k 10 cm 9 cm Bild 5 Versuchsanordnung für die Untersuchung der kapazitiven Kopplung 5 Versuchsausarbeitung Stellen Sie Ihre Messergebnisse in einer übersichtlichen Form tabellarisch dar. Erläutern Sie für die untersuchten Kopplungsmechanismen den Zusammenhang zwischen der Höhe der Störspannung und der Frequenz des Störsignals ggf. dem Abstand der sich beeinflussenden Systeme der Eingangsimpedanz der Störsenke Durch welche Abhilfemaßnahmen können EMV-Probleme aufgrund von galvanischer, kapazitiver und induktiver Kopplung beseitigt werden? 5

6 EMV Versuch 1 Kopplungsmechanismen auf elektrisch kurzen Leitungen 6 Anhang 1 Induktive Kopplung Kapazitive Kopplung 6

7 EMV Versuch 1 Kopplungsmechanismen auf elektrisch kurzen Leitungen 7 Kurztest Fragenkatalog 1. Nennen Sie die aus der Vorlesung bekannten Kopplungsmechanismen. Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit die Signallaufzeit eine Rolle spielt und bei welchen Kopplungsarten ist dies der Fall? 2. Welche Voraussetzung muss für das Auftreten einer galvanischen Kopplung gegeben sein? Erläutern Sie die Entstehung einer Störspannung aufgrund galvanischer Kopplung. 3. Welche Abhängigkeit besteht zwischen der Frequenz des Störsignals und der Höhe der Störspannung bei den leitungsgebundenen Kopplungsarten? 4. Wie entstehen Störspannungen durch kapazitive Kopplung? Geben Sie ein Beispiel in Form eines Netzwerkmodells. 5. Erläutern Sie das Prinzip der induktiven Kopplung anhand des Feldmodells. 6. Erläutern Sie, wie durch Verdrillung einzelner Leiter die Reduzierung der Störspannung bei kapazitiver Kopplung zustande kommt. 7. Erläutern Sie, wie durch Verdrillung einzelner Leiter die Reduzierung der Störspannung bei induktiver Kopplung zustande kommt. 8. In der nachfolgenden Schaltung erzeugt der Signalgenerator eine Spannung von 10 V eff, die Widerstände betragen jeweils 50 Ω. Welche Kopplungsart liegt hier vor und wie berechnet sich die Störspannung? 50Ω U=10V 50Ω 50Ω U Stör 7

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