Elektromagnetische Verträglichkeit

Transkript

1 Elektromagnetische Verträglichkeit Ein Puzzle von Jon Riatsch und Rainer Schmidt Betreuer: Jean Weiler Inhalt und Lernziel: Das Puzzle behandelt die verschiedenen Beeinflussungsarten, um den Studenten im Sinne einer Abschätzung einfache aber richtungsweisende Aussagen für eine störsichere Systemgestaltung zu ermöglichen. Unterrichtsmethode: Puzzle Die Studierenden erarbeiten einen Teil des Stoffes und unterrichten danach ihre Kameradinnen und Kameraden. Fachliches Review: Walter Schaufelberger, Institut für Automatik, ETH Zürich Fachdidaktisches Review: Adolf H. Glattfelder, Institut für Automatik, ETH Zürich Publiziert auf EducETH: 4. Dezember 2006 Rechtliches: Die vorliegende Unterrichtseinheit darf ohne Einschränkung heruntergeladen und für Unterrichtszwecke kostenlos verwendet werden. Dabei sind auch Änderungen und Anpassungen erlaubt. Der Hinweis auf die Herkunft der Materialien (ETH Zürich, EducETH) sowie die Angabe der Autorinnen und Autoren darf aber nicht entfernt werden. Publizieren auf EducETH? Möchten Sie eine eigene Unterrichtseinheit auf EducETH publizieren? Auf folgender Seite finden Sie alle wichtigen Informationen: Weitere Informationen: Weitere Informationen zu dieser Unterrichtseinheit und zu EducETH finden Sie im Internet unter oder unter

2 Informationen für die Lehrkraft SS 1994 Fach-Didaktik Informationstechnologie und Elektrotechnik Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Ein Puzzle Informationen für die Lehrperson Puzzle: Elektromagnetische Verträglichkeit A-1 Jon Riatsch, Rainer Schmidt

3 Was wir als Verfasser dieses Puzzles erreichen möchten Ausgangslage: - EMV ist schwer fassbar. Die Literatur ist sehr vielfältig, meist auch sehr unverständlich und zum Teil unbrauchbar. Wir treten mit diesem Problemkreis vor ein Publikum, das sich in Elektrotechnik auskennt, aber kein Experte in Höchstfrequenztechnik und Wellenlehre ist. Daher beschränken wir den Frequenzbereich unserer Schaltungen auf einige MHz. - Wir wollen die drei wichtigsten Mechanismen der Kopplung verständlich aufzeigen und daraus Massnahmen zur Verringerung von Störungseinkopplungen herleiten. - Bei den Massnahmen gehen wir von einer gedruckten Schaltung aus. Wir denken, dass jeder Elektrotechniker mal ein Schaltungslayout entwerfen muss. - Wir möchten nicht nur Formeln, sondern auch einfache Ersatzschaltungen zum entsprechenden Koppelmechanismus aufzeigen. Die Studenten sollen später in der Lage sein, diese einfachen Ersatzschaltungen auch in komplexen, integrierten Schaltungen zu erkennen. - Die Theorie möchten wir unbedingt mit einem praktischen Versuch untermauern. Damit soll ein erstes Gespür für EMV vermittelt werden. - Mit einer Übersicht zum Umfeld von EMV wollen wir das Bild der EMV abrunden. Zielsetzung: Wir behandeln die verschiedenen Beeinflussungsarten, um den Studenten im Sinne einer Abschätzung einfache aber richtungsweisende Aussagen für eine störsichere Systemgestaltung zu ermöglichen. Dazu ist es zweckmässig und ausreichend, mit einfachen und daher leicht überschaubaren Modellvorstellungen zu arbeiten. Gliederung des Puzzles Nach einer kurzen Einführung in die elektromagnetische Verträglichkeit EMV werden die Zielsetzungen ausgeführt und kurz begründet. Anschliessend wird den Studentinnen und Studenten die Arbeitsweise nach der Puzzle-Methode vorgestellt. Das vorliegende Puzzle umfasst vier Arbeitsschritte: 1. Expertenrunde 2. Unterrichtsrunde 3. Praktischer Versuch 4. Lernkontrolle Inhaltlich ist das Puzzle ebenfalls in vier Teilgebiete gegliedert. Es sind dies: 1. Übersicht und Umfeld von EMV 2. Kapazitive Kopplung 3. Magnetische Kopplung 4. Impedanzkopplung Zu Beginn der Expertenrunden machen sich alle Studenten mit dem Beeinflussungsmodell der EMV vertraut. Damit wird allen eine Übersicht geboten. Sie erlaubt jedem einzelnen, sein Spezialgebiet ins Gesamtbild der EMV einzuordnen. Die Mini-Didaktik soll den Studentinnen und Studenten einige Tipps geben, wie sie ihr Wissen ihren Kollegen am besten vermitteln können. Sie erleichtert ihnen die didaktische Strukturierung ihrer Unterrichtsrunde. Puzzle: Elektromagnetische Verträglichkeit A-2 Jon Riatsch, Rainer Schmidt

4 Zeitlicher Umfang Wir schätzen den zeitlichen Aufwand wie folgt ein: - Expertenrunde inklusive persönliche Lernkontrolle 60 min - Unterrichtsrunde 90 min - Praktischer Versuch 45 min - Bearbeitung des Fragebogen 60 min Für die Bearbeitung des gesamten Stoffes sollten fünf Lektionen vorgesehen werden. Den Fragebogen können die Studentinnen und Studenten auch als Hausaufgabe im Anschluss daran bearbeiten. Praktischer Versuch Aufbau des Versuchsprints Wir legen am Schluss dieses Puzzles das Schaltung-Layout unserer Versuchsschaltung im Massstab 1:1 bei. Beachten Sie bei der Realisierung folgende Punkte: - Die Steckverbindungen erfolgen durch gewöhnliche 4mm Bananenstecker. Dazu werden die grossen Pads mit entsprechenden Buchsen versehen. Mit Vorteil verwenden Sie Schraubbuchsen. So entsteht ein sicherer Kontakt durch Pressung. - Der Messkreis 2 muss als eng verdrillte Drahtschlaufe gefertigt werden. Diese Schlaufe soll möglichst nahe am Leiter 1 des Störkreises liegen. - Der Störwiderstand im Störkreis für die magnetische Kopplung soll so klein gewählt werden, dass der Funktionsgenerator seinen Maximalstrom liefern kann. Üblich sind dabei 50 Ohm. Achtung: Dieser Widerstand muss einiges an Wärme abführen können. Messgeräte - Funktionsgenerator Hameg HM mit: - Frequenzbereich: 0..1MHz - Amplitude: 25V Peak-Peak - Minimale Ausgangsimpedanz: 50 Ohm - Kurvenformen: Rechteck, Dreieck, Sinus - Oszillograph: Tektronix TDS 540, 4-Kanal Minimalforderungen an andere Oszillographen sind: - 2 Kanäle - 20 MHz Bandbreite Messungen Wir legen zwei Seiten mit Messresultaten unserer Versuchsanordnung bei. Beachten Sie dabei: - Kanal 1 zeigt die Störspannung an - Kanal 2 zeigt den Störanteil im Messkreis an - Skalierungen können aus der Messung entnommen werden Puzzle: Elektromagnetische Verträglichkeit A-3 Jon Riatsch, Rainer Schmidt

5 - Die Kenngrössen sind rechts und unterhalb des Gitternetzes aufgeführt - "Ampl" steht für den Peak to Peak-Wert des Mess-Signals - "Max" steht für den positiven Maximalwert des Mess-Signals - "M" bedeutet "main screen" und steht somit für die Zeiteinheit pro Division Kapazitive Kopplung Auf der ersten Seite der Messresultate sind kapazitive Kopplungseffekte dargestellt. Ausgehend von oben links nach unten rechts zeigen die Plots: 1. Kapazitive Kopplung beim Rechteck-Störsignal mit möglichst nahe liegendem Stör- und Messkreis. R i beträgt 470 Ohm, der Messwiderstand R 1 ist 1MOhm. 2. Keine Kopplung für R i =0 3. Anordnung mit doppeltem Abstand der Leiterbahnen im Vergleich zu Anordnung mit Schirmleiterbahn, gleicher Abstand wie in Rechteckförmiger Störanteil bei dreieckigem Störsignal 6. Sinusförmiges Störsignal und voreilender, sinusförmiger Störanteil zur Berechnung der Koppelkapazität. Unsere Versuchsanordnung hat für möglichst nahe liegende Kreise eine Koppelkapazität von 10pF. Magnetische Kopplung Auf der zweiten Seite der Messresultate sind magnetische Kopplungseffekte dargestellt. Ausgehend von oben links nach unten rechts zeigen die Plots: 1. Magnetische Kopplung beim Rechteck-Störsignal mit möglichst nahe liegendem Stör- und Messkreis. R Stör beträgt 47 Ohm, der Messwiderstand R 1 ist 1MOhm. 2. Anordnung mit doppeltem Abstand der Leiterbahnen im Vergleich zu Kaum Kopplung für verdrillte Leiterführung 4. Rechteckförmiger Störanteil bei dreieckigem Störsignal 5. Sinusförmiges Störsignal und nacheilender, sinusförmiger Störanteil zur Berechnung der Gegeninduktivität. Unsere Versuchsanordnung hat für möglichst nahe liegende Kreise bei maximaler Messschleifenfläche eine Gegeninduktivität von 75nH. Puzzle: Elektromagnetische Verträglichkeit A-4 Jon Riatsch, Rainer Schmidt

6 Messresultate der Kapazitiven Kopplung Puzzle: Elektromagnetische Verträglichkeit A-5 Jon Riatsch, Rainer Schmidt

7 Messresultate der Magnetischen Kopplung Puzzle: Elektromagnetische Verträglichkeit A-6 Jon Riatsch, Rainer Schmidt

8 Fotografie der Versuchsschaltung Puzzle: Elektromagnetische Verträglichkeit A-7 Jon Riatsch, Rainer Schmidt

9 Puzzle: Elektromagnetische Verträglichkeit A-8 Jon Riatsch, Rainer Schmidt