EMV: Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen

269 Pages·2013·8.444 MB·German

by  Joachim Franz (auth.)

EMV
Joachim Franz
EMV
Störungssicherer Aufbau
elektronischer Schaltungen
5.erweiterte undüberarbeitete Auflage
Mit 253 Abbildungenund19 Fallbeispielen
Dr.-Ing.JoachimFranz
Springe,Deutschland
ISBN978-3-8348-1781-5 ISBN978-3-8348-2211-6(eBook)
DOI10.1007/978-3-8348-2211-6
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rechtigt auch ohnebesondere Kennzeichnung nichtzuder Annahme, dass solche NamenimSinneder
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Vorwort
Hersteller elektronischer Schaltungen müssen seit dem 1.1.1996 die elektromagnetische
Verträglichkeit(EMV)ihrerGerätenachweisen.AuchvorhergabesEMV-Probleme.Und
Schaltungen,dieunterEMV-Gesichtspunktenentwickeltwurden,liefenstabilerbeigerin-
gerem Schaltungs-und Entwicklungsaufwand.Aus dieser Erkenntnisging ich bereits in
den60erJahrenalsSchaltungsentwicklerinderIndustriedenEMV-Problemennachund
ändertemeineEntwurfsmethodik.Eine solcheVorgehensweisezahlte sich schondamals
aus.TrotzdemwarendiemeistenEntwickler–wieheute–derAnsicht,füreineAnalyse
der„Schmutzeffekte“keineZeitzu haben.Auchdie indiesemBuch dargestellteStrom-
analysewurdeinden60erJahrenim AnsatzschonmitErfolgeingesetzt;ihregroßeBe-
deutungfürdieEMV-Analysewarabernochnichterkanntworden.DieEinrichtungeines
LaboratoriumsversuchsanderUniversitätHannoverzumThemaEMVimJahre1975(!)
wurde von Vielen noch mit Verwunderungaufgenommen. Die Vorteile der Berücksich-
tigungderEMV beiderPlanungwurdenabersehr schnellbeipraktischenAufbautenin
Studien-undDiplomarbeitendeutlich:ObwohlhäufigsehranspruchsvolleEMV-Proble-
mevorlagen,liefendieSchaltungenaufAnhiebstabil.FürRedesignswärenauchweder
GeldnochZeitvorhandengewesen–derEtatdesInstitutswarzubegrenzt,unddiePrü-
fungsarbeitenderStudentensindzeitlichterminiert.EineReiheunsererAbsolvententrug
dieerlernteArbeitsweiseindieindustriellePraxis.DadurchkamenvieleIndustriekontak-
teundeinvomBundesministeriumfürForschungundTechnologiegefördertesEMV-For-
schungsprojekt(„EMC-Simulationssystem für die Aufbau- und Verbindungstechniken“)
zustande.SokonnteeineVielzahlvonAnwendungsfällenaufihrentheoretischenHinter-
grunduntersuchtwerden.Die im Buch dargestelltenVerfahrenwurdenfürdas genannte
Forschungsprojekt aufbereitet oder entwickelt. Nach und nach wurde die grundlegende
Bedeutung der Verfahren für die EMV-Arbeit des Schaltungsentwicklers immer deutli-
cher.
Das vorliegende Buch ist sowohl aus der Praxis der Entwicklertätigkeit in der Industrie
und an der Universität als auch aus der theoretischen Arbeit über EMV-Probleme ent-
standen.EswurdeausderAbsichtherausgeschrieben,demEntwicklereineeinfacheund
wirkungsvolleSystematik für die EMV-Arbeitan die Hand zu geben, damit er aus dem
Stadium einer Entwicklung nach „Versuch und Irrtum“ herausfindet. Voraussetzung da-
fürist,dassdieZusammenhängenichtalsKonglomeratausbeziehungslosnebeneinander
v
vi Vorwort
stehendenEinzelphänomenendargestelltwerden,sonderndasseineDenk-undSichtwei-
se (Theorie1) entwickelt wird, mit der die Phänomene zueinander in Beziehung gesetzt
werden. So wurde mit Hilfe der Stromanalyse für den gesamten Bereich der Impedanz-
kopplungunddamitfüreinenwesentlichenundwohldenunübersichtlichstenBereichder
EMVeineeinfache,leichtzuhandhabende,durchgehendeMethodikerarbeitet.Beieiner
fürdenPraktikerbestimmtenDarstellunghatdermathematischeAufwandimHintergrund
zubleiben.DieentwickelteSystematikmachtdiesauchmöglich.
MitdieserbeschriebenenMethodikwurdenineinerReihevonFirmen,diesiekonsequent
einsetzen und nun für ihre Prototypen eine exzellente EMV ohne Redesigns erreichen,
EntwicklungszeitenundKostendrastisch reduziert.IhreAnwendungführteauchbeider
EntwicklungeinerCCD-Stereo-FernsehkamerafürWeltraumeinsätzeimMax-Planck-In-
stitutfürAeronomieinKatlenburg-Lindau(Harz)erstzumgewünschtenZiel.DieKamera
war im Jahre 1997 mit der Mars-Pathfinder-Sondeauf dem Mars gelandetund hatte die
bekanntenherrlichenundeindrucksvollenBilder vonderMarsoberflächeaufgenommen.
IhreZuverlässigkeitwurdeindenMedienbesondershervorgehoben–mitSicherheitauch
einErgebniseinerexzellentenEMV.
DieerstenKapiteldiesesBuchesumfassendieGrundlagen;siesindineinigenwesentli-
chenPunktenandersalsüblichdargestellt.DageradedieseUnterschiedezumVerständnis
dernachfolgendenKapitelwichtigsind,wirdempfohlen,dieseKapitelzuerstzustudieren.
DerAufbaudesBucheslässtabernebeneinemStudiumunterEinhaltungderReihenfolge
auch die Benutzung als Nachschlagewerk zu. Zahlreiche Querverweise sowie das Sach-
wortverzeichnishelfen,allenotwendigenZusammenhängezuerhalten.
DankgebührtdenProfessoren,vielenKollegenundStudentenamInstitutfürGrundlagen
derElektrotechnikundMesstechnikderUniversitätHannoverfürdieUnterstützungdieser
Arbeit,fürAnregungen,DiskussionenundKorrekturen.BesondererDankgiltdenHerren
Dipl.-Ing.AxelKnoblochundDr.-Ing.RobertKebelfürihreaufopferungsvolleTätigkeit
desKorrekturlesens,ihreKritikunddievielenAnregungenfürVerbesserungen.Gedankt
seiandieserStelledenjenigenStudenten,diedenWagemuthatten,inihrenStudien-und
DiplomarbeitenzudiesemThemazuneuenUfernaufzubrechen.Siewurdendafürimmer
mitwichtigen,neuenErgebnissenundEinsichtenbelohnt.Undschließlichdankeichmei-
nerFraufürihregroßeGeduld,diesiemirbeiderArbeitandiesemBuchentgegenbrachte.
IhrseidiesesBuchgewidmet.
Hannover,Frühjahr2002 JoachimFranz
1vongriech. :(wissenschaftliche)Betrachtung
(cid:0)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)
Vorwort zur fünften Auflage
DasKonzeptdiesesBuches,dieEMVdurcheineMethodikschonineinemAbschnittder
Schaltungsentwicklung,indemSchaltungseinzelheitennochgarnichtvorliegen,weitge-
hendplanbarzumachen,hatsichinderPraxissehrbewährt.DieMethodikwurdeweiter
vertieftundihreDarstellungineinerReihevonPunktenerweitert.Insbesonderewurdedas
KapitelFallbeispieleumdieEMV-PlanungbeiSensorikschaltungenundWechselrichtern
erweitert;derleistungselektronischeTeilwurdeneugestaltet.
HerzlicherDankgebührtHerrnProf.Dr.-Ing.StefanDickmannfürseinewertvollenHin-
weisesowieHerrnDr.-Ing.AxelKnoblochfürseinenunermüdlichenundtreuenEinsatz
beimKorrekturlesen.
Springe,September2012 JoachimFranz
vii
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ................................................................ iv
VorwortzurfünftenAuflage.............................................. vi
SchreibweisenundHinweise.............................................. xiii
1 Einleitung.......................................................... 1
2 GrundbegriffeundGrundlagen....................................... 7
2.1 DasModellderStörbeeinflussung.................................. 7
2.2 Spannungs-undStromübertragung................................. 8
2.3 DerStörabstandalsGütekriterium ................................. 9
2.4 QuellenundEmpfängerfürdieStromübertragung .................... 10
2.4.1 StromquellemiteinemOperationsverstärker .................. 11
2.4.2 StromquellemiteinemTransistor............................ 12
2.4.3 StromquellemitOperationsverstärkerundTransistor ........... 13
2.4.4 AuswahleinergeeignetenStromquelle ....................... 15
2.4.5 Stromempfänger.......................................... 15
2.5 UnsymmetrischeundsymmetrischeÜbertragung..................... 16
2.6 TeilkapazitätundBetriebskapazität................................. 20
2.7 SelbstinduktivitätundGegeninduktivität ............................ 22
2.7.1 DämpfungmagnetischerFelderdurchKurzschlussringe......... 26
2.8 EMV-ErsatzschaltbildervonBauelementen.......................... 29
2.8.1 DasErsatzschaltbildvonLeitungen.......................... 30
2.8.2 DasErsatzschaltbildvonWiderständen....................... 31
2.8.3 DasErsatzschaltbildvonKondensatoren...................... 32
2.8.4 DasErsatzschaltbildvonSpulen............................. 35
2.8.5 DasErsatzschaltbildvonTransistoren ........................ 38
2.8.6 TransformatorenundEMV ................................. 40
Literatur............................................................ 42
ix
x Inhaltsverzeichnis
3 Kopplungsmechanismen ............................................. 43
3.1 KapazitiveKopplung ............................................ 43
3.1.1 KapazitiveKopplunginunsymmetrischeSignalkreise .......... 43
3.1.2 AmplitudengangdereingekoppeltenStörung.................. 45
3.1.3 KapazitiveKopplunginsymmetrischeSignalkreise............. 47
3.2 InduktiveKopplung.............................................. 48
3.2.1 InduktiveKopplunginSignalkreise.......................... 48
3.2.2 InduktiveKopplungvonGleichtaktstörungeninsymmetrische
Signalkreise.............................................. 51
3.3 Impedanzkopplung .............................................. 51
3.3.1 ImpedanzkopplunginunsymmetrischeSignalkreise ............ 52
3.3.2 ImpedanzkopplunginsymmetrischeSignalkreise .............. 54
3.4 KopplungdurchelektromagnetischeFelder.......................... 55
3.5 Zusammenfassung............................................... 55
Literatur............................................................ 55
4 Verfahren .......................................................... 57
4.1 DieStromanalyse ............................................... 57
4.2 DasVerfahrenderVerschiebungderKnotenpunkte ................... 59
4.3 BeispielezurStromanalyseundVerschiebungderKnotenpunkte........ 61
4.4 DieStromumschaltanalyse........................................ 63
Literatur............................................................ 64
5 AbblockungelektronischerSchaltungen ............................... 65
5.1 DasWechselstrom-ErsatzschaltbildfürdieAbblockung ............... 65
5.2 StrömeaufdemMasse-undVersorgungssystem...................... 70
5.2.1 AbblockungvonOperationsverstärkern....................... 70
5.2.2 AbblockungdigitalerICs................................... 73
5.3 GruppenabblockungundEinzelabblockung.......................... 75
5.4 AuswahlgeeigneterAbblockkondensatoren ......................... 76
5.5 ParallelschaltungvonAbblockkondensatoren ........................ 77
5.6 AnschlussvonKondensatoren..................................... 81
5.7 BeispielefürdasLayoutdesVersorgungsspannungssystems............ 85
5.7.1 LayoutvonDigitalschaltungenaufzweilagigenLeiterplatten..... 85
5.7.2 LayoutvonSchaltungenmitdiskretenTransistoren............. 87
5.7.3 VerbindunganalogerunddigitalerBaugruppen ................ 88
5.8 AbblockungaufZweilagenleiterplatten–Zusammenfassung ........... 89
5.9 AbblockungaufMultilayern ...................................... 90
5.9.1 DieImpedanzdesAbblocksystems .......................... 92
5.9.2 EineinfachesModelldesLeiterplattenkondensators ............ 95
5.9.3 StehendeWellenaufdemMasse-/Versorgungssystem........... 95
5.9.4 BerechnungdesAbschlusswiderstandeseiner rechteckigen
Leiterplatte .............................................. 102
5.9.5 Abblockmaßnahmen ...................................... 104
5.9.6 AbblockungaufMultilayern–Zusammenfassung.............. 118
Inhaltsverzeichnis xi
5.10 SimulationdesVersorgungssystemsmitSPICE ...................... 120
5.10.1 DimensionierungderElementedesSimulationsmodells......... 121
5.10.2 ErstellendesSimulationsmodellsderTestleiterplatte ........... 122
5.10.3 VergleichvonSimulations-undMesswerten .................. 125
Literatur............................................................ 126
6 Masse-undSignalstrukturen......................................... 127
6.1 Reihenmassestruktur............................................. 128
6.2 Masseschleifen ................................................. 130
6.3 Entkopplungsmethoden .......................................... 131
6.3.1 Vermaschung............................................. 132
6.3.2 Sternstruktur ............................................. 133
6.3.3 GalvanischeTrennung..................................... 136
6.3.4 Differenzbildung.......................................... 137
6.3.5 StromkompensierteDrossel(Gleichtaktdrossel)................ 138
6.3.6 Schutzleiterdrossel........................................ 141
6.3.7 GetrenntesPotentialbezugssystem ........................... 142
6.3.8 SymmetrischeStruktur .................................... 143
6.3.9 Stromübertragung......................................... 145
6.3.10 Filter ................................................... 146
6.3.11 WeitereEntkopplungsmethodendurchÄnderungderSignalgröße. 147
Literatur............................................................ 148
7 PlanungderEMVvonBaugruppen,GerätenundAnlagen .............. 149
7.1 EMV-Zonen.................................................... 150
7.1.1 EinrichtenvonEMV-ZoneninelektronischenSchaltungen ...... 151
7.1.2 EinleitfähigesGerätegehäusealsEMV-Zonengrenze........... 153
7.1.3 KonstruktiveVoraussetzungenfürEMV-Filter................. 155
7.2 MassestrukturvonBaugruppen ................................... 155
7.2.1 VerkopplungeinerBaugruppemitderUmgebung .............. 156
7.2.2 EntkopplungdurchSternstruktur ............................ 158
7.2.3 VerkopplungdurchkapazitivenRückschluss .................. 159
7.2.4 EntkopplungzwischenBaugruppeundUmgebungdurcheine
weitereMasseschleife ..................................... 160
7.2.5 MaßnahmenbeiungünstigerPlatzierungderAnschlüsse ........ 161
7.2.6 EntwicklungbegleitendesTestverfahren zur Prüfung des
Massesystems ............................................ 162
7.3 StrahlungskopplungbeiungünstigerMassestruktur ................... 163
7.3.1 TeilmassenundKabelalsAntennenstrukturen................. 163
7.3.2 StrahlungvonICsdurchGround-Bounce ..................... 166
7.3.3 StrahlungvonSchlitzantennen .............................. 170
7.4 StrukturierungderMassedigitalerBaugruppen....................... 173
7.5 MassestrukturenvonGeräten...................................... 175
7.6 MasseschleifenundKopplungenineinerAnlage ..................... 182
xii Inhaltsverzeichnis
7.7 VerbindungvonBaugruppen ...................................... 183
7.7.1 TransferadmittanzundTransferimpedanz ..................... 184
7.7.2 Ein-oderbeidseitigerAnschlussvonKabelschirmen ........... 186
7.7.3 AnschlussvonKabeln ..................................... 189
7.7.4 VerbindungdigitalerSchaltungenmitFlachbandkabeln ......... 192
7.8 ZonenmitdefiniertemMassebezugspotential ........................ 192
7.9 Zusammenfassung............................................... 193
Literatur............................................................ 194
8 Fallbeispiele ........................................................ 197
8.1 DasklassischeSpannungsteiler-Problem ............................ 197
8.2 Stereoverstärker................................................. 199
8.3 BeispielefürStromübertragung.................................... 203
8.4 ESD-SchutzmitfalschemMasseanschluss .......................... 206
8.5 EinstrahlendesKabel............................................ 207
8.6 MessfehlerbeielektronischenMessgerätendurchMasseströme. ........ 208
8.7 SignalstrukturhöchstempfindlicheranalogerMessschaltungen.......... 208
8.8 SensoreninelektronischenSchaltungen............................. 209
8.8.1 SensoreninBrückenschaltungen ............................ 210
8.8.2 AndereMessprinzipienfürpassiveSensoren .................. 213
8.8.3 Photodioden ............................................. 214
8.8.4 SensorenmitMessschaltungamMessort ..................... 214
8.9 StörungenaneinemPersonalComputer............................. 215
8.10 UngünstigeMassestruktureinerzugekauftenBaugruppe............... 216
8.11 BrummstörungenaneinerTelefonanlage............................ 218
8.12 VerbindungvonAnalog-undDigitalmasse .......................... 220
8.13 StrukturierungeinerDigitalschaltungmiteinemschnellenSchaltungskern 221
8.14 PlanunganeinemBaugruppenträger................................ 222
8.15 EMV-gerechtekonstruktiveGerätegestaltung ........................ 225
8.16 StrahlungeinerBaugruppemiteinemLCD.......................... 226
8.17 LeistungselektronischeSchaltungen ................................ 227
8.17.1 AnalysevonSchaltnetzteilen ............................... 228
8.17.2 EntstörungvonIGBT-Umrichtern ........................... 237
8.17.3 Wechselrichter ........................................... 247
8.18 Zusammenfassung............................................... 252
Literatur............................................................ 253
9 AbschließendeBetrachtungen ........................................ 255
Sachwortverzeichnis..................................................... 259