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Über dieses Buch

Jede in Betrieb befindliche elektrische Schaltung erzeugt zwangsläufig in einem benachbarten elektrischen System unbeabsichtigt mehr oder weniger hohe Spannungen und Ströme. Diese können unter Umständen ein solches Ausmaß erreichen, daß es zu Funktionsstörungen in der betroffenen Schaltung kommt. Angesichts dieser grundsätzlich vorhandenen Gefahr für die Funktionsfähigkeit elektrischer Schaltungen sollten Kenntnisse über die angedeuteten unbeabsichtigten elektrischen Vorgänge genauso zum Grundwissen eines Elektroingenieurs gehören, wie die Fähigkeit, elektrische Spannungen und Ströme gezielt zur Lösung bestimmter Aufgaben einzusetzen. Mit diesem Buch möchte ich Studenten und Studentinnen der Elektrotechnik Grundkenntnisse über die unbeabsichtigten elektrischen Erscheinungen vermitteln. Ich setze dabei die physikali­ schen Grundlagen und die allgemeine Theorie der Elektrotechnik als bekannt voraus, die etwa in der ersten Hälfte eines Studiums an einer Technischen Universität oder einer Fachhochschule gelehrt werden. Es kommt den Studierenden entgegen, daß die unbeabsichtigten elektrischen Vorgänge auf den gleichen physikalischen Grundlagen beruhen, wie die absichtlich und zweckgerichtet geformten Strukturen der Elektrotechnik. Sie müssen deshalb auch keine zusätzlichen physikalischen Ef­ fekte und Theorien erlernen, um die neuen Erscheinungen zu verstehen, sondern es geht im wesentlichen darum, schon bekanntes Wissen in neuen Zusammenhängen anzuwenden. Aus diesem Grund wird nach meinem Eindruck die Auseinandersetzung mit den unbeabsichtigten elektrischen Vorgängen von den Studierenden häufig auch als nützliche Wiederholung der Grundlagen der Elektrotechnik empfunden. Meinem Mitarbeiter, Herrn 0. Kolb, danke ich für seine wertvolle Hilfe bei der Herstellung von Versuchseinrichtungen, Frau A. Baumgartner für das Schreiben des Manuskripts und schließlich Herrn E. Klementz vom Verlag Vieweg für die vertrauensvolle Zusammenarbeit.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen

1. Einführung

Zusammenfassung
Elektrische Spannungen und Ströme beschränken ihre Wirkung grundsätzlich nicht nur auf die ihnen zugewiesenen Drähte, Leiterbahnen und Bauelemente, sondern sie geben darüber hinaus auch noch Energie in die freie Umgebung ab: die Spannungen in Form von elektrischen Feldern und die Ströme in Gestalt von Magnetfeldern. Wenn diese Felder dann über freie Zwischenräume hinweg benachbarte Strukturen der eigenen Schaltung oder gar in der Nähe befindliche anderer Geräte berühren, entstehen dort unbeabsichtigt Spannungen oder andere unbeabsichtigte elektrische Erscheinungen.
Arnold Rodewald

2. Die allgemeine Struktur elektromagnetischer Beeinflussungen

Zusammenfassung
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, Beeinflussungssituationen als unbeabsichtigte Übertragungsvorgänge aufzufassen. In Anlehnung an die übliche Grobgliederung nutzbringender elektrischer Systeme in
Arnold Rodewald

3. Kopplungen durch quasistationäre Magnetfelder von Strömen

Zusammenfassung
Jeder elektrische Strom umgibt sich zwangsläufig mit einem Magnetfeld und schafft damit die Voraussetzung für zwei unterschiedliche Kopplungsarten,
  • die induktive Kopplung (durch transformatorische Induktion)
  • und die Lorentzkopplung (mit Kräften auf Ladungen, die sich im Magnetfeld bewegen).
Arnold Rodewald

4. Die quasistationäre kapazitive Kopplung

Zusammenfassung
Eine kapazitive Kopplung kommt etwa wie folgt zustande
Arnold Rodewald

5. Die ohmsche Kopplung

Zusammenfassung
Eine ohmsche Kopplung kommt zustande, wenn ein System A (Störquelle) und ein System B (Störsenke) einen gemeinsamen unbeabsichtigten ohmschen Widerstand R g benutzen (Bild 5.1). Der Strom i A erzeugt an diesem Widerstand eine Spannung
$$U_x = R_g \cdot i_A ,$$
die vom System B unter Umständen als störend empfunden wird.
Arnold Rodewald

6. Kabelmantelkopplung

Zusammenfassung
Wenn ein Strom im Mantel eines Koaxialkabels fließt, entsteht im Inneren des Kabels eine unbeabsichtigte Spannung. Man nennt diese Kopplung zwischen Mantel und dem Inneren des Kabels Kabelmantelkopplung.
Arnold Rodewald

7. Kopplungen zwischen parallelen Leitungen

Zusammenfassung
Mit Störungen, die von einer Leitung auf eine parallel verlaufende übertragen werden, mußte man sich bereits im Frühstadium der Elektrotechnik auseinandersetzen, zum Beispiel mit gefährlichen Spannungen auf Leitungen, die parallel zu Hochspannungsleitungen verliefen, oder mit dem sogenannten Nebensprechen in den Telefonsystemen, wodurch man Telefongespräche, die offenbar auf benachbarten Leitungen geführt wurden, mehr oder weniger deutlich mithören konnte.
Arnold Rodewald

8. Störende unbeabsichtigte Impulse

Zusammenfassung
Elektrische Impulse, die hohe Änderungsgeschwindigkeiten von Strom oder Spannung aufweisen, sind von Natur aus starke potentielle Störquellen, weil die weit verbreiteten induktiven und kapazitiven Kopplungen auf hohe di/dt- und du/dt-Werte besonders stark reagieren. Es gibt in diesem Zusammenhang drei physikalische Vorgänge, durch die unbeabsichtigt elektrische Impulse mit hohen Änderungsgeschwindigkeiten und damit entsprechend hohem Störpotential zustande kommen können. Es sind dies:
  • Schaltvorgänge in elektrischen Energieversorgungen
  • Entladungen elektrostatischer Aufladungen
  • Gewitterentladungen (Blitze)
Arnold Rodewald

9. Unabsichtliche Hochfrequenzeffekte

Zusammenfassung
Es gibt neben der bereits in Abschnitt 5.3 erwähnten unabsichtlichen Demodulation von amplitudenmodulierten Signalen und der parasitären Erzeugung von Oberwellen durch korrodierte Kontakte noch zwei weitere Hochfrequenzeffekte, die sich für die EMV von Geräten und in der EMV-Messtechnik gelegentlich bemerkbar machen.
Arnold Rodewald

Schwerpunkte der EMV-Praxis in der Geräte- und Messtechnik

Frontmatter

10. Zwei Verfahren zur Entdeckung von Signalbeeinflussungen in der Messtechnik

Zusammenfassung
Bei elektrischen Messungen fragt man sich immer wieder: „Ist das Signal, dessen Verlauf ich auf dem Oszillografenschirm sehe, tatsächlich dasjenige, das ich messen will oder ist es durch eine elektromagnetische Beeinflussung verfälscht?“
Arnold Rodewald

11. EMV-Probleme bei Messungen mit Spannungssonden (engl.: probes)

Zusammenfassung
Um Spannungen an Bauteilen elektrischer Schaltungen zu messen, werden häufig sogenannte Spannungssonden benutzt. Sie bestehen aus einem Kopfteil, von dem aus die beiden Verbindungen zum Messobjekt abgehen, und einem mit dem Kopf fest verbundenen Koaxialkabel, das die Verbindung zum Messgerät — z.B. zu einem Oszillografen — herstellt.
Arnold Rodewald

12. EMV-gerechte Masse- und Bezugsleiterstrukturen

Zusammenfassung
Die Art und Weise, wie die Baugruppen eines Systems auf der Ebene der Masse miteinander verbunden werden, hat erfahrungsgemäss einen grossen Einfluss auf dessen innere elektromagnetische Verträglichkeit.
Arnold Rodewald

13. Abschirmpraxis

Zusammenfassung
In der Abschirmpraxis geht es vor allem um folgende Fragen:
  • Müssen metallische Kabelmäntel an beiden Enden oder nur an einem mit der Masse verbunden werden?
  • Wie müssen die Kabelenden an die Abschirmungen von Räumen oder Geräten angeschlossen werden?
  • Welches Material und welche Materialdicke wird für ein Abschirmgehäuse benötigt?
  • Wie gross dürfen Löcher und Schlitze in Abschirmgehäusen sein?
Arnold Rodewald

14. Filtereinsatz

Zusammenfassung
Im Rahmen der EMV-Praxis gibt es drei Bereiche, in denen besonders häufig Filter eingesetzt werden:
  • die Funkentstörung
  • der Störschutz
  • die Verhinderung von Beeinflussungen zwischen Schaltungsteilen über die gemeinsame Gleichspannungsversorgung.
Arnold Rodewald

15. Stützkondensatoren in digitalen Schaltungen

Zusammenfassung
Stützkondensatoren haben zwei Aufgaben:
  • Als lokale Energiequelle sorgen sie dafür, dass keine starken Spannungseinbrüche beim Schalten von Logikgattern entstehen und verhindern damit, dass benachbarte Gatter durch Unterschreiten der Speisespannung unabsichtlich schalten (s. Beispiel 8.1).
  • Sie wirken als Filter gegen die Verbreitung von Spannungssprüngen in der Gleichspannungsversorgung nach dem Schalten von Logikgattern und reduzieren damit die Störabstrahlung der Schaltung.
Arnold Rodewald

16. Schutz von Netzzuführungen und Signalleitungen mit Überspannungsableitern

Zusammenfassung
Ein solcher Schutz hat die Aufgabe, gelegentlich auftretende impulsartige Überspannungen, die über den Netzanschluss auf ein Gerät zukommen, am Eingang des Apparates auf eine bestimmte Amplitude zu begrenzen. Es werden dafür hauptsächlich drei Ableitertypen eingesetzt:
  • □ edelgasgefüllte Funkenstrecken
  • □ spannungsabhängige Widerstände aus Zinkoxid (ZnO) (Varistoren (variable resistors))
  • □ Halbleiter auf Siliziumbasis
Arnold Rodewald

17. Komponentenauswahl und Schaltungstechniken im Hinblick auf niedrige Störaussendung

Zusammenfassung
Von den einschlägigen Normen werden, wie in Kapitel 2.5 bereits erwähnt, Grenzwerte für die Störaussendung von Geräten vorgeschrieben. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, wenn immer möglich Schaltungstechniken und Bauelemente zu wählen, die sich durch eine geringere Störaussendung auszeichnen als alternative Varianten.
Arnold Rodewald

18. Strategien zur Sicherung der EMV

Zusammenfassung
Die elektromagnetische Verträglichkeit eines Gerätes oder eines Systems muß man in dreierlei Hinsicht sichern:
1.
Es darf sich nicht von außen stören lassen.
 
2.
Es darf nicht nach außen als Störquelle wirken.
 
3.
Es darf sich nicht selbst stören.
 
Arnold Rodewald

Backmatter

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