EMV-Entstörmaßnahmen

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1 Teil III EMV-Entstörmaßnahmen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.1

2 Überblick Teil III 1. Filterung - zur Unterdrückung der Störspektren auf Leitungen - Störspektrum Nutzsignal muss unterschiedlich vom Störspektrum des Störsignals sein! 2. Schirmung - von Gehäuse und Leitungen 3. Leitungsführung, EMV-gerechtes Layout 4. Überspannungsschutz Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.2

3 Elementare Filter: Abblockkondensator Filter sind Spannungsteilerschaltungen mit frequenzabhängigem Übersetzungsverhältnis DC- bzw. NF-Nutzsignal HF-Störsignal wenn die Filterdämpfung im Bereich des Nutzsignals klein ist, dann gilt für die Filterdämpfung a F Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.3

4 Elementare Filter: Längsdrossel Bei kleinem HF-Innenwiderstand der Störquelle wird eine Drossel in Reihe geschaltet Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.4

5 Elementare Filter: LC-Kombination LC-Filter als Kombination von Querkapazität (nach Betriebsspannung auslegen!) und Längsdrossel (nach Betriebsstrom auslegen!) Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.5

6 Filterdämpfung / Einfügedämpfung Die Filterdämpfung ist frequenz- und impedanzabhängig Sie wird meist als Einfügedämpfung mit identischen und typischen Werten für Z Q und Z E (z.b. 50 Ohm) angegeben Quelle: Schurter Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.6

7 Einfache Filterstrukturen in Abhängigkeit der Impedanz Quelle: Williams, EMC for Product Designers Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.7

8 Reale Induktivitäten Quelle: Durcansky, EMV-gerechtes Gerätedesign Die Impedanz von realen Induktivitäten erhöht sich mit ansteigender Frequenz bis zur Resonanzfrequenz. Oberhalb der Resonanzfrequenz werden die Windungen der Spule durch parasitäre Windungskapazitäten kurzgeschlossen. Um hohe Resonanzfrequenzen zu realisieren, senkt man die Anzahl der Windungen und fügt einen hochpermeablen Kern ein. - Ferritkerne - Eisenpulverkerne Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.8

9 Ferritringe, Klappferrite Ferritringe dämpfen Gleichtaktstörungen Zur Filterung bis 20 MHz eignen sich Ferritkerne aus MnZn; ab 20 MHz bis 400 MHz verwendet man NiZn Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV Quelle: wikipedia Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.9

10 Stromkompensierte Drossel Mit stromkompensierten Drosseln lassen sich ebenfalls Gleichtaktstörströme unterdrücken. Der durch den Nutzstrom erzeugte magnetische Fluss kompensiert sich im Ringkern, so dass der Nutzstrom nicht zur Sättigung des Materials beiträgt. Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV Quelle: Sedlbauer AG Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.10

11 Reale Kapazitäten Entstörkondensatoren haben die Aufgabe, die Störsignale kurzzuschließen bzw. sie zur Masse abzuleiten. Die Impedanz von Kapazitäten sinkt mit ansteigender Frequenz bis zur Resonanzfrequenz; oberhalb der Resonanzfrequenz wirken sich die Eigen- und Zuleitungsinduktivitäten L c negativ aus. Quelle: Durcansky, EMV-gerechtes Gerätedesign Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.11

12 Durchführungskondensator Die Eigeninduktivität eines Kondensators hängt ab von - Leitungslänge der Abschlussleitungen - Einbauart - Innerer Aufbau Eine Sonderbauform ist z.b. der Durchführungskondensator Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV Quelle: elektroniknet.de Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.12

13 Netzfilter L1 N C x Stromkompensierte Drossel PE C Y C Y Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit X-Kondensator Unterdrückt symmetrische Störungen beliebig hohe Kapazitäten Unterteilung X1 und X2 (> bzw. <1,2 kv) Y-Kondensator Unterdrückt unsymmetrische Störungen Ableitstrom nach PE im normalen Betrieb zwischen 0,75 ma und max. 3,5 ma zulässig, dadurch C Y auf einige 1000 pf begrenzt Besondere elektrische Festigkeit (2,5-8 kv) Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.13

14 Beispiele für Einbaunetzfilter Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.14

15 Korrekte Filtermontage Großflächiger niederimpedanter Kontakt des Filtergehäuses mit dem Gerätegehäuse Filter möglichst dicht an der Gehäuseeintrittsseite montieren Netzkabel schirmen, Schirm an beiden Seiten großflächig auflegen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.15

16 Korrekte Filtermontage (2) Übersprechen Übersprechen Kein Übersprechen Quelle: SIEB & MEYER, EMV-gerechter Geräteaufbau Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.16

17 Beispiel für Microstrip-Leitungsfilter Serieninduktivitäten Parallelkapazitäten Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.17

18 Beispiel zur Wirksamkeit Filtereinsatz ohne Filter mit geeignetem Netzfilter Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.18

19 Schirmung Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.19

20 Abschirmung von Senke und Quelle Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.20

21 Schirmfaktor und Schirmdämpfung Schirmfaktor A E E E = ohne mit A H H H = ohne mit Schirmdämpfung a E E = 20lg ohne E mit a H H = 20lg ohne H mit Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.21

22 Schirmung (quasi)statischer E-Felder Verschiebung von Ladungen, bis keine tangentialen Kräfte mehr auf Ladungen wirken; E-Feldlinien stehen senkrecht auf Gehäuse Verschobene Ladungen erzeugen Gegenfeld im Inneren der Schirmhülle Gegenfeld und äußeres Feld kompensieren sich Im Inneren Bedingung : Schirmströme müssen ungehindert fließen können (elektrisch leitfähige Hülle ohne Lücken) Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.22

23 Schirmung statischer H-Felder Magnetostatische Felder sind NICHT durch elektrisch leitfähige Materialien abschirmbar Hochpermeable Werkstoffe notwendig (µ r >> 1): Mu-Metall, Permalloy (Nickel-/Eisenlegierungen, ggf. Zusatz von Cobalt und Molybdän) Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.23

24 Schirmung quasistatischer H-Felder Schirm nahezu wirkungslos Minimalanforderung Optimaler Schirm Elektrisch leitfähige Materialien einsetzbar; magnetische Wechselfelder induzieren elektrische Stromdichten, die sekundäre Magnetfelder erzeugen Dies wirken äußerem Magnetfeld entgegen und kompensieren es teilweise Schirmwirkung lebt von induzierten Strömen, deswegen Fugen vermeiden! Quelle: Schwab/Kürner, EMV Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.24

25 Schirmung hochfrequenter EMF Im hochfrequenten Fall dominiert die Reflexion als Hauptabschirmungsmechanismus Doppelte Wirbelverkopplung Zusätzlich Absorptionsverluste in Schirmwand Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.25

26 Warum nicht ein Material für alle Frequenzen? Hochpermeable Materialien haben eine schlechte elektrische Leitfähigkeit und einen starken Skineffekt Ohmsche Verluste verringern aber die Abschirmwirkung bei hohen Frequenzen Quelle: Rodewald, EMV Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.26

27 Messung der Schirmdämpfung MIL-STD 285, IEEE Std. 299 Sender und Empfänger auf unterschiedlichen Seiten der Schirmwand Insbesondere Zugänge (Türen, Mediendurchführungen usw.) abtasten Oberhalb von 1 MHz 85 db und mehr Schirmdämpfung erreichbar Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.27

28 Praktisches Beispiel Begrenzung der unteren Grenzfrequenz durch Öffnungsgröße Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.28

29 Problematik: Schirmöffnungen Zugangstüren, Verbindung von Gehäuseteilen Belüftung, Klimatisierung Mediendurchführungen (Wasser, Druckluft) Stromzuführungen Signal- und Datenleitungen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.29

30 Zugangstüren Quelle: hollandshielding.de Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.30

31 Verbindung von Gehäuseteilen Eloxierte / lackierte Gehäuseteile haben keinen HF-Kontakt! Kontaktierungsverbesserungen Federn Kontaktbänder metallische Dichtungen Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.31

32 Belüftung: Gehäuseschlitze Schirmdämpfung reduziert sich bei: Vergrößerung der Schlitzlänge der Öffnung Steigender Frequenz des Strahlers Erhöhung der Anzahl der Öffnungen Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.32

33 Schirmdämpfung und Schlitzlänge Erfahrungsgemäß sollte eine Öffnung mindestens 20 db Schirmdämpfung aufweisen Angaben für 20 db Schirmdämpfung Quelle: WEKA Praxishandbuch, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.33

34 Orientierung von Gehäuseschlitzen besser schlechter Quelle: Williams, EMC for product designers Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.34

35 Bessere Lösung: Löcher Schirmströme Schirmausschnitt Rechteckiger Schlitz behindert Schirmströme Schirmwirkung schlecht, Gehäuseschlitz wirkt wie Schlitzantenne Große Anzahl kleiner Löcher behindert weniger die Ausbildung der Schirmströme Schirmwirkung wesentlich besser viele kleine Löcher sind besser als wenige große Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.35

36 (Waben)Kamine für Mediendurchführung Eine bessere Schirmdämpfung als durch Lochungen erreicht man mit Kamindurchführungen bzw. Wabenkaminfenstern Dies sind prinzipiell Hohlleiter unterhalb ihrer cut-off Frequenz Kamindurchführung Wabenkaminfenster Quelle: Schwab, EMV Quelle: jolex.se Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.36

37 Sichtfenster Ausschnitte an Displayscheiben abschirmend beschichten (Besputtern) Verwendung von Maschendrahtnetzen oder Lochgittern Quelle: dexgo.com Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.37

38 Elektrische Signale Elektrische Signale sollten unbedingt über Filter geführt werden Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.38

39 Problematik: Hohlraumresonanzen Quelle: Chr. Adami, Diplomarbeit Uni Duisburg, 2005 Bei zu guter Abschirmung können Hohlraumresonanzen auftreten Diese können die Abschirmung teilweise wieder zunichte machen Bedämpfung durch Absorbermaterial Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.39

40 Prinzip Kabelschirmung Ungeschirmtes Kabel Geschirmtes Kabel Durch die Kabelschirmung sollen externe Störeinkopplungen auf das Kabel (induktiv, kapazitiv, gestrahlt) minimiert werden Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.40

41 Anbindung des Schirms Leitungsschirm möglichst niederimpedant mit metallischem Gehäuse verbinden Schirm immer ganzflächig auflegen, entweder mit Metallschelle oder mit geeignetem Konnektor schlechte Schirmanbindung gute Schirmanbindung Quelle: Durcansky, EMV-gerechtes Gerätedesign Impedanz des Pigtails : L ~ 10 nh/cm X L = 2πfL X L = 62,8 Ω bei 500 MHz und 2 cm Länge Bei schlechter Schirmanbindung ist zusätzlich eine Ein- bzw. Auskopplung von Störsignalen über die Leiterschleife "Schirm Signalleiter" möglich Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.41

42 Anbindung des Schirms (2) Niederinduktiver Anschluss (großflächig, umlaufend) Induktiver Anschluss mittels Draht (pigtail) Induktiver Anschluss hinter Schirmwand Nicht bzw. nur kapazitiv angeschlossener Schirm Quelle: Gustrau/Kellerbauer, EMV Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.42

43 Ein- oder beidseitiges Auflegen des Schirms Schirm ist Teil des Betriebsstromkreises Schirm mit reiner Schirmfunktion Schirm nur einseitig auflegen (sonst Erdschleifen!) Schirm beidseitig auflegen Quelle: Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.43

44 Ein- oder beidseitiges Auflegen des Schirms (2) Wenn der Rückstrom nicht über den Schirm fließt Einseitiges Auflegen unterdrückt elektrische Felder Für Abschirmung gegen magnetische Wechselfelder ist beidseitiges Auflegen notwendig! Hierbei jedoch Gefahr der Bildung von Erdschleifen! Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.44

45 Der Kabelschirm als Kurzschlussmasche Kurzschlussmasche/ Reduktionsleiter Kurzschlussmasche/ Reduktionsleiter Abschirmung einer empfindlichen Schaltungsmasche durch benachbarte niederohmige Kurzschlussmasche In Kurzschlussmasche wird durch Φ M (i 1 ) ein Strom i 2 induziert, dessen Fluss Φ L (i 2 ) dem störenden Fluss Φ M (i 1 ) entgegenwirkt und ihn reduziert Dadurch wird der induktive Einfluss von i 1 auf die zu schützende Masche reduziert oder sogar kompensiert Quelle: Rodewald, EMV Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie III.45