EMV bei Sensorauswertungen

EMV
bei Sensorauswerteschaltungen
Wintersemester 2000/2001
Sensortechnik I
Inhalt:
0. Vorwort
1. Grundlegendes zu EMV
2. Störsignale
3. Koppelmechanismen und Gegenmaßnahmen
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Die Galvanische Kopplung
Die Kapazitive Kopplung
Die Induktive Kopplung
Die Elektromagnetische Leitungskopplung
Die Strahlungskopplung
4. Quellenverzeichnis
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Sensortechnik I
0. Vorwort:
Die vorliegende Ausarbeitung wurde im Rahmen der Vorlesung Sensortechnik I
erstellt. Sie befasst sich mit dem Thema „EMV bei Sensorauswerteschaltungen“. und
soll als Leitfaden dienen.
Da es für Sensorauswerteschaltungen wichtig ist, dass die über die Messleitungen
ankommenden Messsignale nicht durch Einflüsse von außen verfälscht werden und
dass die Auswerteschaltungen selbst gegenüber diesen Einflüssen geschützt sind,
werden im folgenden die in Frage kommenden Einflüsse und deren Übertragungswege
erläutert. Zu jeder Art der Beeinflussung sind Möglichkeiten zur Verhinderung bzw.
zur Abschwächung angegeben.
Als Hinweis sei noch gegeben, dass die mit den Formeln zu errechnenden
Spannungsamplituden komplex sind.
-3-
Sensortechnik I
1. Grundlegendes zu EMV:
EMV ist die Abkürzung für Elektromagnetische Verträglichkeit.
Elektromagnetische Verträglichkeit bedeutet:
a) dass ein Gerät durch von außen wirkende elektromagnetische Störenergie, die
einen definierten Maximalwert haben kann, nicht oder nur in kontrollierter Weise
beeinflusst werden darf. Bleibende Störungen oder Beschädigungen sind nicht
erlaubt. Die Störenergie kann dabei auf allen denkbaren Wegen wie Einstrahlung,
Anschlussleitungen oder über das Gehäuse in das Gerät gelangen. Dieser Vorgang
wird Immission genannt.
b) dass ein Gerät nur soviel elektromagnetische Störenergie nach außen abgeben darf,
dass ein anderes Gerät, das a) erfüllt, dadurch nicht gestört wird. Die Abgabe der
Störenergie durch z.B. Abstrahlung oder über Leitungen nennt man Emission.
In Deutschland gelten folgende Normen und Vorschriften in Bezug auf EMV:
-
Die Fachgrundnormen (GENERIC
Deutschland und Europa:
GENERIC STANDARD
EN 50 082, part 1
EN 50 081, part 1
EN 50 082, part 2
EN 50 081, part 2
-
Fachgrundnorm
VDE 0839, Teil 82-1
VDE 0839, Teil 81-1
VDE 0839, Teil 82-2
VDE 0839, Teil 81-2
STANDARDS)
gültig ab
3/93
3/93
für
EMV
in
Störart
Störfestigkeit
Störaussendung
Störfestigkeit
Störaussendung
Die Produktnormen (PRODUCT STANDARDS) für EMV in Deutschland
und Europa:
Geräteklasse
ISM-Geräte
(Wohnbereich, Geschäfts- und
Gewerbebereich, Kleinindustrie)
Industriebereich
Haushaltsgeräte
Rundfunk/Fernsehempfänger
Leuchtstoff-Lampen und Leuchten
Informationstechnische
Einrichtungen (ITE)
Rückwirkungen in
Stromversorgungsnetzen
Störaussendung
EN 55011
Funkentstörung von
Einrichtungen für ISM-Zwecke
EN 50081-2
Industriebereich
EN 55015
Elektro-Haushaltsgeräte
Hand-Elektrowerkzeuge
EN 55013
Rundfunkempfänger und
angeschlossenen Geräte
EN 55015
Störaussendung von LeuchtstoffLampen und Leuchten
EN 55022
Funkentstörung von ITE
EN 60555-1 Begriffe
EN 60555-2 Oberschwingungen
EN 60555-3 Spannungsschwankungen
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Störfestigkeit
(EN 50082-1)
Fachgrundnorm
EN 50082-2
Fachgrundnorm
(EN 50082-1)
Fachgrundnorm
EN 55020
Rundfunk/Fernsehempfänger
(EN50082-1)
Fachgrundnorm
prEN 55101
EN 55024 in
Planung
Sensortechnik I
-
Die Messverfahren (BASIC STANDARDS) für EMV in Deutschland und
Europa: EN 61000-4-01 bis EN61000-4-10
2. Störsignale:
Zur besseren Beschreibung der Vorgänge unterscheidet man drei Arten von
Störsignalen. In der Realität tritt jedoch immer eine Kombination der verschiedenen
Störformen auf.
a) Spannungsstörungen:
Als Spannungsstörungen bezeichnet man Spannungsschwankungen mit einer
Frequenz von 0 Hz bis zu mehreren GHz, die über das Gehäuse oder über die
Zuleitungen in das Gerät eindringen können. Die Ausbreitung der
Spannungsstörungen erfolgt über Leitungen oder Kapazitäten in der Schaltung.
Man
kann
sich
als
Ersatzschaltbild
eine
Störspannungsquelle
(Störspannungsgenerator) zwischen zwei Punkten in der Schaltung vorstellen:
Abbildung 2-1
b) Stromstörungen:
Als Stromstörungen bezeichnet man Stromschwankungen mit einer Frequenz von
0 Hz bis zu mehreren GHz, die über das Gehäuse oder über die Zuleitungen in das
Gerät eindringen. Die Ausbreitung der Stromstörungen erfolgt über Leitungen oder
magnetisch gekoppelte Induktivitäten. Dies können Transformatoren oder parallele
Leitungen sein.
Man kann sich als Ersatzschaltbild eine Störstromquelle in einer Leitung der
Schaltung vorstellen:
Abbildung 2-2
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Sensortechnik I
c) Elektromagnetische Wellen:
Die Elektromagnetische Wellen sind eine weitere Störgröße. Sie werden auch als
gestrahltes Feld bezeichnet und breiten sich direkt im Raum aus. Das Gerät wirkt
hier gleichzeitig als Sender und Empfänger. Die von den elektromagnetische
Wellen transportierte Energie wandelt sich an den Bauelementen der Schaltung in
Spannungs- oder Stromstörungen, die eine Störung bzw. Zerstörung des Gerätes
zur Folge haben können.
Elektromagnetische Wellen treten praktisch über den gesamten Frequenzbereich
(von 0,1 Hz bis zu mehreren GHz) als Störungen auf. Dabei ist die Störreichweite
stark von der Frequenz bzw. der Strahlleistung abhängig, wie im folgenden zu
sehen ist:
-
bis 10 kHz:
Die Reichweite in den freien Raum beträgt nur wenige Millimeter bis
Zentimeter.
Eine reale Störung in diesem Bereich ist das 50/60 Hz-Brummen der
Netzspannung.
-
10 kHz bis 30 MHz:
In diesem Bereich liegen die Radiofrequenzen von Lang- bis Kurzwelle.
Die Störreichweite kann hier von wenigen Zentimetern bis weit über 1000
km betragen. Sie ist abhängig von Frequenz und Senderleistung.
Eine solche Störung breitet sich vorzugsweise leitungsgebunden aus, wobei
der Störstrahlanteil mit zunehmender Frequenz wächst.
Reale Störungen in diesem Frequenzbereich haben meist eine Reichweite
von mehreren 100 km im Umkreis des Störsenders.
-
30 MHz bis 500 MHz:
Dieser Frequenzbereich erstreckt sich von der Ultrakurzwelle bis hin zu
den Fernsehfrequenzen.
Solche Störungen breiten sich meist durch Strahlung aus und besitzen eine
Reichweite von bis zu mehreren 100 m.
-
größer 500 MHz:
Dies ist der Bereich von Satelliten- und Richtfunk.
Störungen dieser Frequenzen breiten sich ebenfalls meist durch Strahlung
aus. Die Störreichweiten betragen hier bis zu 10 m.
Zu unterscheiden sind
Gleichtaktstörungen:
-
im
weiteren
noch
sogenannte
Gegentakt-
und
Gegentaktsrörungen:
Gegentaktstörungen werden durch magnetische oder galvanische Kopplung
(siehe
Kapitel
3)
verursacht.
Im
Ersatzschaltbild
werden
Gegentaktstörungen mit Hilfe von Gegentaktstörquellen, die in Reihe zur
Nutzsignalquelle liegen, dargestellt. Diese Gegentaktstörquellen treiben
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Sensortechnik I
Störströme, die in gleicher Richtung wie die Nutzsignalströme fließen, d.h.
sie besitzen im Hin- und Rückleiter eines Signalkreise entgegengesetzte
Richtungen. Dies führt zu dem Namen Gegentaktstörungen.
Die eigentliche Störung erfolgt dadurch, dass die Gegentaktströme an der
Empfängerimpedanz einen Spannungsabfall hervorrufen, der bei
nichtgeerdeten Schaltungen als Gegentaktstörspannung (Abb. 2-3a), bei
symmetrisch betriebenen Schaltungen als symmetrische Störspannung
(Abb. 2-3b) und bei unsymmetrisch betriebenen Schaltungen als
unsymmetrische Störspannung (Abb. 2-3c) aufritt.
Abbildung 2-3 a)
-
b)
c)
Gleichtaktstörungen:
Die Ursachen für Gleichtaktstörungen können kapazitive Kopplung (siehe
Kapitel 3), Potentialanhebungen von Masse oder Erdungspunkten oder
Potentialdifferenzen räumlich auseinander liegender Masse- und
Erdklemmen bzw. Schutzleiterkontakte sein.
Im
Ersatzschaltbild
werden
Gleichtaktstörungen
durch
Gleichtaktstörquellen zwischen einem Stromkreis und Erde dargestellt.
Diese Gleichtaktstörquellen treiben Gleichtaktströme, die in Hin- und
Rückleitung in die gleiche Richtung fließen. Dies führt zu dem Namen
Gleichtaktstörungen.
In erdfrei betriebenen Schaltungen können sich zunächst keine
Gleichtaktströme fließen, da kein geschlossener Strompfad existiert.
Dadurch
können
auch
keine
Störspannungsabfälle
an
der
Empfängerimpedanz entstehen. Zwar lassen sich Störspannungen zwischen
den Klemmen der Empfängerimpedanz und Erde messen. An der Impedanz
selbst liegt jedoch nur die Differenz dieser Störspannung also die reine
Nutzsignalspannung.
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Sensortechnik I
3. Koppelmechanismen und Gegenmaßnahmen:
Im folgenden werden die grundsätzlichen Übertragungswege elektromagnetischer
Störungen und Maßnahmen, um diese zu unterbinden, näher erläutert.
3.1 Die Galvanische Kopplung:
Man spricht von galvanischer Kopplung, wenn mehrere Stromkreise leitend
verbunden sind oder eine gemeinsame Impedanz besitzen.
Es gibt zwei verschiedene Arten der galvanische Kopplung. Dies ist die galvanische
Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen und zwischen Betriebsstromkreisen und
Erdstromkreisen (Erdschleifen).
a) Die Galvanische Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen:
Bei dieser Art der galvanischen Kopplung haben zwei oder mehrere Stromkreise
eine gemeinsame Impedanz (=Koppelimpedanz), z.B. einen gemeinsamen
Bezugsleiter (Abb.3.1-1a) Der Strom jeweils eines Stromkreises erzeugt nun an
der Koppelimpedanz ZK einen Spannungsabfall. In dem jeweils anderen
Stromkreis führt dies zu einer Gegentaktstörspannung. Um dies zu vermeiden
benutzt man keinen Bezugsleiter sondern nur noch einen Bezugspunkt (Abb. 3.11b).
Abbildung 3.1-1 a)
b)
Das in obiger Abbildung gezeigte Schema wird in den folgenden Abbildungen
noch verdeutlicht.
Abbildung 3.1-2a zeigt die galvanische Kopplung von Funktionseinheiten über
gemeinsame Impedanzen. Die Abbildungen 3.1-2b und 3.1-2c zeigen
Gegenmaßnahmen:
-8-
Sensortechnik I
Abbildung 3.1-2
Gegenmaßnahmen:
-
Reduzierung der Koppelimpedanz (z.B. bei Stromversorgungsleitungen)
durch geringen Abstand, Verdrillen, Multi-Layer-Platinen usw.
-
Stützkondensatoren am Eingang jeder Funktionseinheit, die bei schnellen
Schaltvorgängen kurzzeitig hohe Ströme bei geringer Spannungsabsenkung
liefern können (z.B. 100nF bei ICs).
-
Separate Versorgungsleitungen der einzelnen Funktionseinheiten zum
Netzteil (Abb. 3.1-2b).
-
Getrennte Netzteile bei sehr unterschiedlicher Leistungsaufnahme der
einzelnen Funktionseinheiten (Abb. 3.1-2c).
-9-
Sensortechnik I
b) Erdschleifen:
Erdschleifen, auch Ringerden genannt,
elektromagnetische Beeinflussungen.
sind
eine
der
häufigsten
An einem Beispiel wird nun kurz das Zustandekommen einer Störung durch
Erdschleifen erläutert.
In der folgenden Abbildung ist eine Signalquelle zu sehen, die über ein
Koaxialkabel mit einem Oszilloskop verbunden ist. Beide Geräte sind über die
Schutzkontakte der Netzanschlussleitungen geerdet.
Abbildung 3.1-2
Die Gleichtaktquellenspannung UGL, die durch Induktion oder durch
unterschiedliche Erdpotentiale entsteht, lässt durch den Innenleiter und durch den
Mantel des Koaxialkabels die Gleichtaktströme IGL fließen. Dadurch entsteht an
der Empfängerimpedanz ZE ein Spannungsabfall also eine Gegentaktsrörspannung.
Gegenmaßnahmen:
-
Eine erste mögliche Maßnahme, dies zu verhindern, wäre das Auftrennen
der Erdschleife, indem man eins der beiden Geräte ungeerdet betreibt
(Schutzleiter abklemmen). Hierbei ist zu beachten, dass das zweite Gerät,
nur solange das Koaxialkabel beidseitig angeschlossen ist, geerdet ist. Als
Problem tritt hier jedoch die sogenannte Erdstreukapazität CStr des nicht
galvanisch geerdeten Gerätes gegenüber Erde auf. Diese bewirkt, dass für
hohe Frequenzen nach wie vor eine Erdschleife existiert und als Folge
davon eine Störung.
-
Trenntransformatoren:
Trenntransformatoren werden zur Auftrennung von Erdschleifen bei
nieder- und mittelfrequenten Nutzsignalen verwendet.
Bei hohen Frequenzen jedoch wird über die relativ großen Streukapazitäten
CStr die Erdschleife wieder geschlossen, so dass eine Störung möglich ist.
- 10 -
Sensortechnik I
Abbildung 3.1-3
Dieses Problem kann jedoch durch Verwendung eines zusätzlichen
Schirmes vermieden werden. Folgende Abbildung zeigt einen solchen
Trenntransformator mit zusätzlichem Schirm:
Abbildung 3.1-4
Wichtig
ist
noch,
dass
das
Übersetzungsverhältnis
von
Trenntransformatoren über die gesamte Nutzsignalbreite konstant sein
muß.
-
Neutralisierungstranformatoren:
Diese
Transformatoren
werden
verwendet,
wenn
neben
Wechselspannungen auch Gleichspannungen übertragen werden sollen.
- 11 -
Sensortechnik I
Abbildung 3.1-5
Die Wicklungszahlen W1 und W2 sich identisch und die Spulen sind
gleichsinnig gewickelt. Dies bedeutet, dass die Nutzsignalströme
Durchflutungen erzeugen, die sich aufheben. Das Nutzsignal wird also
durch den Transformator nicht verändert, für die Störströme IGl wirken die
Wicklungen jedoch als Drossel, so dass sich die Impedanz der Erdschleife
erhöht, was bei hohen Frequenzen einer Auftrennung entspricht.
Oberhalb von 1 MHz verwendet man oft Ferritperlen oder –ringe. Diese
werden über beider Adern der Signalleitung. Man kann auch Ferritkerne
benutzen und die Adern darauf aufwickeln, die dann die Wicklungen selbst
bilden.
-
Optokoppler und Lichtleiterstrecken:
Optokoppler und Lichtleiter werden meist an Ein- und Ausgängen von
speicherprogrammierbaren Steuerungen oder Automatisierungssystemen
eingesetzt. Die üblichen Isolationsspannungen betragen bei Optokopplern
zwischen 500 V und 10 kV. Die folgende Abbildung zeigt den
Prinzipaufbau eines Optokopplers bzw. der Lichtleiterstrecke.
Abbildung 3.1-6
- 12 -
Sensortechnik I
3.2 Die kapazitive Kopplung:
Die kapazitive Kopplung, auch elektrische Kopplung genannt, tritt zwischen Leitern,
die unterschiedliches Potential haben, in Erscheinung. Durch dir Potentialdifferenz
bildet sich ein elektrisches Feld zwischen den Leitern. Im Ersatzschaltbild wird dieses
Feld durch Streukapazitäten (CI/II in Abb. 3.2-1) dargestellt.
Abbildung 3.2-1
I: Störendes System
II: gestörtes System
In obiger Abbildung wird davon ausgegangen, dass nur System I System II stört und
nicht umgekehrt, d.h. der Spannungspegel in System I ist viel größer als der des
Systems II.
Für die Störspannung USt ergibt sich:
U St = U I ⋅ iϖCI / II ⋅ RE
Man erkennt, dass die Störspannung abhängig von der Frequenz, der Koppelkapazität
und dem ohmschen Gesamtinnenwiderstand des System II ist. Daraus lassen sich
Gegenmaßnahmen ableiten.
Gegenmaßnahmen:
-
Verkleinerung der Koppelkapazität durch kurze Strecken paralleler
Leitungsführung, Vergrößerung des Abstandes zwischen den Leitungen
oder Schirmung des System II.
- 13 -
Sensortechnik I
Abbildung 3.2-2
Die Streukapazität wirkt nun nur zwischen System I und dem geerdeten
Schirm, so dass die Störströme direkt nach Erde abfließen und so keine
Störspannungsabfälle an System II erzeugen.
-
Verkleinern des ohmschen Gesamtinnenwiderstand des System II
3.3 Die Induktive Kopplung:
Befinden sich zwei oder mehrere stromdurchflossene Leiterschleifen dicht genug
beieinander, so durchsetzen die durch die Ströme hervorgerufenen magnetischen
Flüsse die jeweils andere Leiterschleife. Dadurch wird in dieser eine Störspannung
induziert. Diesen Vorgang nennt man die induktive Kopplung. Im Ersatzschaltbild
stellt man diese Kopplungsart entweder als Gegeninduktivität M (Abb. 3.3-1a) oder
durch eine Störspannungsquelle (Abb. 3.3-1b).
Abbildung 3.3-1 a)
b)
Dieses Ersatzschaltbild gilt für den Fall, dass das System I das System II stört aber
umgekehrt keine Störung stattfindet.
Für die Störspannung USt gilt dann:
U St (ϖ ) = I I (ϖ ) ⋅ iϖM I / II
wobei
M =
Φ I / II (ϖ )
I II (ϖ )
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Sensortechnik I
Gegenmaßnahmen:
-
Verkleinern der Gegeninduktivität MI/II durch möglichst kurze Strecken
paralleler Leitungsführung.
-
Größere Abstand zwischen den einzelnen Schleifen
-
Schleifen senkrecht zueinander anordnen
-
Verdrillen der Leiter des System II wodurch die Fläche des System II bzw.
der Fluss ΦI/II verkleinert wird.
-
System II schirmen, wenn die Verdrillung nicht den gewünschten Effekt
bringt.
Abbildung 3.3-2
-
zusätzlicher Reduktionsleiter:
Abbildung 3.3-3
Der Reduktionsleiter ist eine Kurzschlussschleife, deren Magnetfeld das
störende Magnetfeld teilweise kompensiert.
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Sensortechnik I
3.4 Die Elektromagnetische Leitungskopplung:
Existieren gleichzeitig elektrische und induktive Kopplung und damit Beeinflussung
zwischen zwei oder mehreren elektrisch langen Leitungen, so nennt man dieses
Phänomen elektromagnetische Leitungskopplung.
Als elektrisch lang gilt eine Leitung, wenn:
-
die Anstiegszeit der von ihr zu übertragenden Impulse in der
Größenordnung der Laufzeit liegt oder diese sogar unterschreitet und damit
Spannung und Strom auf der Leitung ortsabhängig werden.
oder:
-
wenn die Wellenlänge in der Größenordnung der Leitungslänge liegt oder
diese unterschreitet und damit die komplexen Amplituden von Spannung
und Strom vom Ort auf der Leitung abhängig werden.
Da die quantitative Beschreibung der elektromagnetischen Leitungskopplung
mathematisch sehr anspruchsvoll und zeitaufwendig ist, wird hier nur das
Zustandekommen an einem Ersatzschaltbild für die Kopplung zweier Leitungen
erläutert.
Feldmodell
Netzmodell
Abbildung 3.4-1
Leitung 1: störendes System
Leitung 2: gestörtes System
Durch den in Leiterschleife 1 fließenden Strom entsteht das orts- und zeitabhängige
Magnetfeld H(x,t), dessen Fluss die benachbarte Leiterschleife 2 durchsetzt und dort
eine Spannung induziert. Diese Spannung führt zu einem Störstrom in der
Leiterschleife 2. Da sich zusätzlich beide Leiterschleifen auf unterschiedlichem
Potential befinden, existiert zwischen ihnen auch noch ein veränderliches elektrisches
Feld E(x,t), wodurch auf Leiterschleife 2 ein kapazitiver Störstrom entsteht.
Der große Unterschied zu der vorher erläuterten reinen induktiven und kapazitiven
Kopplung ist, dass hier Spannung und Strom sowie Magnetfeld und E-Feld zeit- und
ortsabhängig sind.
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Sensortechnik I
Wie in Abb. 3.4-1 zusehen ist, ist das Ersatzschaltbild für zwei Leitungen schon
relativ anspruchsvoll. Bei mehreren Leitungen wird dies dementsprechend
komplexer.
3.5 Die Strahlungskopplung:
Als Strahlungskopplung bezeichnet man die Beeinflussung von Leitern durch
elektromagnetische Wellen.
Bei den bisher erläuterten Kopplungsmechanismen wurde immer davon ausgegangen,
dass elektrische und magnetische Wechselfelder als selbständige und voneinander
unabhängige Phänomene auftreten. Dies ist jedoch nur im Nahfeld des störenden
Systems richtig. Im Fernfeld dagegen existieren elektromagnetische Wellen, bei
denen E-Feld und Magnetfeld nicht mehr unabhängig voneinander sind.
Da die Strahlungskopplung ein sehr komplexes Thema ist, soll hier nur das
Funktionsprinzip dargestellt werden. Die Störungen werden hier direkt durch die auf
eine Leitung treffende elektromagnetische Welle hervorgerufen, d.h. durch das E-Feld
der Welle entsteht ein Störstrom und durch das Magnetfeld eine Störspannung. Zu
beachten ist, dass die Störungen wiederum Ursache einer elektromagnetischen Welle
sind, die sich mit der einfallenden Welle im Raum überlagert.
Gegenmaßnahmen:
Hier helfen prinzipiell die in den vorangegangen Abschnitten genannten
Maßnahmen wie Verdrillen, Schirmen, usw.
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Sensortechnik I
4. Quellenverzeichnis:
- Elektromagnetische Verträglichkeit / Jasper J. Goedbloed /
Pflaum Verlag
- Handbook of Modern Sensors / Jacob Fraden
- WIKA-Handbuch – Druck- und Temperaturmesstechnik
- Elektromagnetische Verträglichkeit 4.Aufl. / Adolf J.Schwab
/ Springer Verlag
- Sensoren – Fühler der Messechnik / Günther W. Schanz
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