Leitungen, Kabel, EMV

Transkript

1 Leitungen, Kabel, EMV Fallstudien von BV-Anwendungen R. Neubecker, SoSe 2016

2 Leitungen 2 Leitungen Felder Zwischen den Adern einer zweiadrigen Leitung: Elektrische und magnetische Felder Impedanzen Jede Ader hat (ohmschen) Längswiderstand R, Induktivität L, Isolationswiderstand G zur anderen Ader und bildet Kapazität C mit anderer Ader Ersatzschaltbild eines kurzen Stücks Leitung: R' C' L' G' Bildquelle: U. Tietze, Chr. Schenk, E. Gamm, Halbleiterschaltungstechnik, Springer-Vieweg

3 Leitungen 3 Konsequenzen Auf Leitungen breiten sich Spannung und Strom als (gedämpfte) Wellen aus Ausbreitungsgeschwindigkeit typ. 2/3 Lichtgeschwindigkeit U = Z w I mit Z w L /C : komplexer Wellenwiderstand Wellenwiderstand ist unabhängig von Leitungslänge, wird durch Leitungsaufbau vorgegeben. Typ. Wert für Stadard-Koaxialkabel Z w = 50 Ω Beispiel: Camera Link Kabel Dämpfung wird mit steigender Frequenz immer größer (wg. Skineffekt R~ f und Polarisationsverlusten im Dielektrikum G~f stark von Isolationsmaterial und Adernausführung abhängig Dämpfung hoher Frequenzen = "Abrunden" steiler Pulsflanken t Bildquelle: Stemmer Imaging

4 Leitungen 4 Reflektionen Leitungsende = Sprung in Wellenwiderstand Reflektion Das gilt für offene Leitungsenden genauso wie für kurzgeschlossene! Leitungsenden immer richtig abschließen (mit Widerstand Z w )! R out Z Leitung R in Reflektionen (Echos) = Störsignale Leitungslänge wird wichtig bei Laufzeit > 1/6 Pulsanstiegszeit

5 5 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) "Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne diese Umgebung, zu der auch andere Einrichtungen gehören, unzulässig zu beeinflussen." EMV & Kabel: Unshielded Twisted Pair (UTP), Foiled Twisted Pair (FTP), Shielded Twisted Pair (STP)?

6 6 Naive Verbindung?? Sende- / Empfangsgerät per Kabel verbunden Kabel hat Leitungen für Versorgungsspannung V + und für Signal U out U out Netzteil V + Sendeelektronik Ggf. weitere, parallel geführte Leitungen anderer Geräte und Anlagen Naiver Aufbau: Gemeinsame Versorgungs- / Signalmasse Netzstörungen Andere Anlagen erzeugen Störungen auf den Netzleitungen (230V) pflanzen sich über interne Versorgungsspannung bis ins Videosignal fort Netzteil V + Sendeelektronik U stör Abhilfe: Netzfilter U out

7 7 Gemeinsame Masse I v V+ Netzteil U out Problem: Signalmasse = Versorgungsmasse Interne Versorgungsströme Sende- Spannungsabfall über gemeinsamer Masse U out U out U stör Vorsicht: Impedanz der Masseleitungen für hohe Frequenzen > ohmscher Widerstand (Leitungsinduktivitäten, Skineffekt) elektronik V + teil Netz- Abhilfe Symmetrie Symmetrische Signalübertragung, Signal = Spannungsdifferenz Erfordert 2 Adern Sendeelektronik I v U stör

8 8 Einstreuung von elektrischen Feldern Parallele Leitung führt hohe Spannung Kapazität paralleler Leiter Einkopplung von Störspannung U stör E? Sendeelektronik U! Abhilfe Abschirmung Umkleidung der Signalleiter mit elektrisch leitendem Material (Faradayscher Käfig) Ausführungen als Folie (Alu) oder Schirmgeflecht (Kupfer) Abschirmung an Masse anschließen E? Sendeelektronik U!

9 9 Einstreuung magnetischer Felder Parallele Leitung führt hohen Strom Gegeninduktivität zwischen parallelen Leitern / Signalleitungen bilden Schleife induzierter Störstrom B I stör U stör? Sendeelektronik I! Abhilfe verdrillte Leiter Richtung der Leiterschleife ständig wechseln Summe der induzierten Ströme hebt sich auf Twisted Pair B? Sendeelektronik I!

10 10 Einstreuung elektromagnetischer Felder Leitungen in der Nähe führen Wechselspannungen / -ströme Abstrahlung elektromagnetischer Wellen Leitungen wirken als Antennen Abstrahl- und Einfangeffizienz ~f 2 = λ 2 besonders für HF- Signale (Oberwellen) Antennenlänge ~ λ (1 GHz x 5. Harmonische = 5 GHz λ~0.05 mm) Rechtecksignale, Schaltvorgänge (steile Flanken) enthalten Oberwellen: geschaltete Motoren elektr. Funken, Schweißen Frequenzumrichter + Sender (Mobilfunk) E, B Sendeelektronik HF! Abhilfe: Abschirmung, Einhausung! Sendeelektronik

11 11 Zusammenfassung EMV EMV wird erreicht durch richtig abgeschirmte - / Twisted-Pair Kabel richtig abgeschirmte Gehäuse Gute Abschirmung (metallische Hülle + richtiger Kontakt zur Masse) ist nicht trivial. Öffnungen in Schirmung/Gehäuse < λ/8 Gehäuse müssen oft auf (Schutz-)Erde liegen, Gehäuse sind oft über die Befestigungen miteinander verbunden unerwünschte Leiterschleifen Normen und Richtlinien: EMV-Richtlinie (CE), EN u.a.

12 Kabel 12 Kabelanforderungen Mechanische Belastbarkeit Flexibilität / Biegeradius, Biegewechselfestigkeit (Schleppketten) Verwindungsfestigkeit (Torsion, für Roboter) Ggf. zusätzliches Stahlseil zur Zugentlastung Isolationsmaterial Halogenfrei, wg. Brandverhalten (PVC! ) und Umweltverträglichkeit Ölbeständig Silikonfrei (ggf. auch fettfrei): Lackierstraßen, Beschichtungsanlagen Reinraum (oberflächenstabil), hier auch keine gelöteten Verbindungen (Flussmittel) Steckeranforderungen Analog zu Kabeln Zusätzlich: Arretierbar, Zugentlastung, Staubdicht / Feuchtigkeitsgeschützt