EMV für Geräteentwickler und Systemintegratoren (eBook)

Das Buch unterstützt den Elektroingenieur, Geräte und Systeme elektromagnetisch verträglich zu konstruieren und zu entwickeln. Es hilft bei der Beseitigung auftretender Störungen und vermuteter Unverträglichkeiten sowie bei der Einschätzung des Problems. Der Autor hat aus eigener Industrie- und Beratungstätigkeit einen großen Erfahrungsschatz an Strategien, Vorgehensweisen und Analysen zusammengetragen, die er mit Rechnerwerkzeugen und Handformeln anreichert. Eine verständliche Darstellung des theoretischen Hintergrunds sowie Beispiele, Musteraufgaben und Problemstellungen mit Lösungen ergänzen dieses wertvolle Arbeitsbuch.

Inhaltsverzeichnis 5
1 Motivation und Übersicht 11
1.1 Zu den im Buch aufgeführten Programmen 15
1.2 Zu den Abbildungen des Buches 15
2 Das Denken in Spannungen, Strömen, Feldern und Impedanzen 17
3 Elektrische Felder 27
3.1 Wirkung elektrischer Felder und ihre Berechnung 29
4 Magnetische Felder 37
4.1 Wirkung magnetischer Felder 37
4.2 Berechnung der magnetischen Feldstärke von Ein- und 39
4.3 Magnetfelder von Geofoltrafos 41
4.4 Magnetische Streufelder beliebiger Anordnungen dünner Drähte 42
4.4.1 Magnetfeld einer Vierleiteranordnung 43
4.4.2 Magnetfeld eines verdrillten Kabels 44
4.4.3 Beispiel für die Berechnung mit dem mitgelieferten Programm 46
4.4.4 Besonderheiten von Magnetfeldern verdrillter Kabel 48
5 Elektromagnetische Felder 51
5.1 Wirkung elektromagnetischer Felder 55
5.2 Die Elementardipole 59
5.2.1 Abstandsumrechnung 66
5.2.2 Die Feldwellenwiderstände 70
5.3 Effektive Höhe, wirksame Fläche und Strahlungswiderstand 72
5.4 Feldstärkeabschätzungen für Flächenantennen 79
5.4.1 Leistungsdichte und elektrische Feldstärke im Fernfeld 80
5.4.2 Leistungsdichte und elektrische Feldstärke im Nahfeld 81
5.4.3 Quellcode des Programms APERTUR 83
6 Das Beeinflussungsmodell 85
6.1 Galvanische Kopplung 92
6.1.1 Maßnahmen gegen eine galvanische Beeinflussung bzw. 94
6.2 Kapazitive Kopplung 96
6.2.1 Maßnahmen zur Verringerung der kapazitiven Kopplung 98
6.3 Induktive Kopplung 100
6.3.1 Magnetische Entkopplung 102
6.3.2 Definition einer effektiven Gegeninduktivität für 103
6.3.3 Maßnahmen zur Verringerung der induktiven Kopplung 106
6.4 Elektromagnetische Kopplung 108
6.4.1 Maßnahmen zur Verringerung der elektromagnetischen 109
6.4.2 Das 110
6.4.3 Zur Abschätzung der elektromagnetischen Kopplung 113
7 Intrasystemmaßnahmen 121
7.1 Allgemeines zur Massung, Schirmung, Verkabelung und Filterung 123
7.1.1 Massung 123
7.1.2 Schirmung 124
7.1.3 Verkabelung 126
7.1.4 Filterung 129
7.2 Schirmung gegen elektrische Felder – Gitterschirme 138
7.3 Schirmung gegen Magnetfelder 140
7.3.1 Schirmung gegen magnetische Gleichfelder 140
7.3.2 Schirmung gegen mittelfrequente magnetische Felder 147
7.3.3 Zwei Parallele Platten gegen magnetische Wechselfelder 147
7.3.4 Hohlkugel gegen Magnetfelder 148
7.3.5 Hohlzylinder im magnetischen Querfeld 148
7.3.6 Hohlzylinder im magnetischen Längsfeld 149
7.4 Schirmung nach Schelkunoff – kurz und knapp 151
7.5 Leckagen, Durchgriffe, Hohlraumresonanzen 170
7.5.1 Leckagen, Durchgriffe 172
7.5.2 Niederfrequente Resonanzen Hohlraumresonanzen
7.6 Kabelkopplung und Kabeltransferimpedanz 183
7.6.1 Kabelkopplung 184
7.6.2 Einkopplung in verdrillte und unverdrillte Zweileiter hinein 186
7.6.3 Ein- und Überkopplung bei geschirmten Leitungen 188
7.6.3.1 Berechnung der Einkopplung 188
7.6.3.2 Auskopplung aus einem Koaxialkabel heraus 202
7.6.3.3 Beispiel für eine Impulsüberkopplung 202
7.6.3.4 Kabeltransferimpedanz 203
7.6.4 Kabelschirmauflegung am Geräteeingang 210
8 Natürliche Rauschquellen, elektromagnetische Umwelt und Grenzwerte 215
8.1 Natürliche Rauschquellen, elektromagnetische Umwelt 216
8.2 Umrechnung von Grenzwerten 227
8.2.1 Abstandsumrechnung 227
8.2.2 Umrechnung E -> H und H ->
9 EMV-Planung und Analysen 235
9.1 Entstehungsphasen eines komplexen Systems 237
9.1.1 Konzeptphase 237
9.1.2 Definitionsphase 238
9.1.3 Konstruktions- und Bauphase 240
9.2 EMV- Prüfplanung 242
9.3 Durchführung von Analysen 250
10 Numerische Verfahren zur Feldberechnung 255
10.1 Zur Auswahl des geeigneten Verfahrens 257
10.2 Plausibilitätskontrollen 263
10.3 Analysebeispiele 273
10.3.1 Resonanzuntersuchungen an einem PKW 273
10.3.2 Einfluss des Dielektrikums auf die Abstrahlung von einer 275
10.3.3 Abstrahlungen von einem Mobiltelefon 275
10.3.4 Elektromagnetisches Feld auf einer Fregatte 276
10.4 Hinweise zum Einsatz numerischer Verfahren 278
10.5 Anwendung: Antennenkopplung 283
10.5.1 Allgemeines zur N-Tor-Theorie 283
10.5.2 Zweitorparameter 284
10.5.3 Berechnung einer Antennenkopplung 286
10.5.4 Quellcode des Programms ANPASS 291
11 Modellierung und Bewertung von Störfestigkeitsnachweisen 293
11.1 Standardisierte Störfestigkeitsnachweise 294
11.2 Statistische Modellierung der Störfestigkeit 296
11.2.1 Störwahrscheinlichkeit 297
11.2.2 Störverhaltensfunktion 300
11.2.3 Interpretation von Störfestigkeitsnachweisen 303
11.3 Zeitvariante Störfestigkeit 304
11.3.1 Modellierung 305
11.3.2 Verhalten von Mikroprozessorschaltungen 310
A1 Elektrische Felder von Stabanordnungen 313
A1.1 Potentialkoeffizienten und Teilkapazitäten 314
A1.2 Potentiale, elektrische Feldstärken und Teilkapazitäten 315
A1.2.1 Quellcode des Programms HLEITER 321
A1.3 Potentiale, elektrische Feldstärken und Teilkapazitäten von 325
A1.3.1 Quellcode des Programms VSTAB 330
A2 Magnetische Streufelder 335
A2.1 Streufeldarme Verlegung 335
A2.1.1 Das Einleiterkabel (Fall a aus 4.2) 335
A2.1.2 Kabel mit einem Hin- und einem Rückleiter (Fall b aus 4.2) 336
A2.1.3 Verwendung von zwei Hin- und zwei Rückleitern 337
A2.1.4 Verlegung von Hin- und Rückleiter über einer Massefläche 338
A2.1.5 Verwendung von vier Hin- und vier Rückleitern 339
A2.2 Rechenprogramm zur Bestimmung magnetischer Streufelder 340
A2.2.1 Feld eines endlich langen Drahtes 340
A2.2.2 Feld einer einlagigen Spule 342
A2.2.3 Berücksichtigung von Phasenbeziehungen 346
A2.2.4 Quellcode des Programms SFELD 348
A3 Eigen- und Gegeninduktivitäten 369
A3.1 Gegeninduktivität zwischen einem endlich langen Leiter 369
A3.2 Zerlegung einer durch Geraden begrenzten Fläche in der xy- 371
A3.3 Behandlung von beliebigen Leiterschleifen im Raum 373
A3.4 Gegeninduktivität zwischen 2 Kreisschleifen mit seitlicher 375
A3.5 Quellcode des Programms GEGEN 377
A4 Elementardipole 391
A4.1 Hertzscher Dipol 391
A4.2 Stromschleife (Rahmenantenne) 396
A4.3 Gegenüberstellung der Wellenimpedanzen 402
A5 Die Polarisationsellipse 403
A5.1 Zweidimensionaler Fall (E 404
A5.2 Dreidimensionaler Fall – Lösungen im Zeitbereich 406
A5.3 Dreidimensionaler Fall – Lösungen im Bildbereich 416
A6 Skineffekt und Schirmungstheorie von Schelkunoff 419
A6.1 Skineffekt beim leitfähigen Halbraum 419
A6.1.1 Starker Skineffekt 421
A6.1.2 Schwacher Skineffekt 421
A6.2 Schirmungstheorie nach Schelkunoff 422
A6.2.1 Einleitung 422
A6.2.2 Notwendige Gleichungen 422
A6.2.3 Schirmungsmechanismus 423
A6.2.4 Schirmdämpfung 425
A6.2.5 Einfache Anwendung von Schelkunoff’s Theorie 426
A6.2.7 Fehlerbetrachtungen 432
A6.2.8 Zusammenfassung 433
A7 Muster einer EMV- Designrichtlinie für Systeme 435
A7.1 Massung, Erdung 435
A7.2 Systemfilterung 437
A7.3 Schirmung 437
A7.4 Verkabelung 438
A8 25 Regeln für den EMV-gerechten Platinen- und Geräteaufbau 443
A9 Einfache Bestimmung von Kabeltransferimpedanzen 451
A9.1 Bestimmung des Spannungsverhältnisses mit einem Oszilloskop 455
A9.2 Bestimmung des Verhältnisses mit einem Netzwerkanalysator 457
A10 Kapazitäten und Induktivitäten einiger grundsätzlicher Anordnungen 463
1. Ebene / Ebene 463
2. Geschichtetes Dielektikum 463
3. Konzentrische Kugeln 463
4. Kugel / Ebene 464
5. Kugel / Kugel - Kugelfunkenstrecke 464
6. Konzentrische Zylinder 464
7. Elliptisches Kabel 464
8. Geschichtetes Dielektrikum im Zylinderkondensator 464
9. Exzentrische Zylinder mit 2 Achsen 465
10. Zweileiterkabel 465
11. Zylindrischer Leiter / Ebene 465
12. Zwei parallele Bandleiter 465
13. Vertikalantenne 466
14. Horizontalantenne 466
15. Zwei parallele Drähte begrenzter Länge 466
16. Parallele Kreiszylinder 466
17. Zwei Leiter gegen eine Ebene 467
18. Leiter gegen zwei Ebenen 467
19. Zwei hintereinanderliegende gerade Leiter 467
20. Ringspule 468
21. Drehstromkabel 468
22. Zylinderspule 468
23. Zwei parallele Leiterbahnen oberhalb eines Trägermaterials 468
24. Zwei parallele Leiterbahnen, oberhalb und unterhalb eines Trägermaterials 469
25. Leiterbahn oberhalb einer Masseebene 469
A11 Berichte von elektromagnetischen Unverträglichkeiten 471
A12 Lösungen der Aufgaben 475
A13 Physikalische Konstanten und Umrechnungsbeziehungen 493
A13.1 Physikalische Größen und Konstanten 493
A13.2 Umrechnungstabelle Druck 494
A13.3 Umrechnungstabelle Energie 495
A13.4 Umrechnung für elektrische und magnetische Größen 495
A13.5 Umrechnung logarithmischer Größen 496
A13.6 Abkürzungen 497
A14 Literaturverzeichnis 499
14.1 Literatur zum Kapitel 11 502
Sachverzeichnis 503
A 503
B 503
C 503
D 503
E 503
F 504
G 504
H 504
I 504
K 504
L 504
M 505
N 505
O 505
P 505
S 505
T 506
U 506
Vv 506
W 507
Z 507

10 Numerische Verfahren zur Feldberechnung (S. 245-246)
Parallel zur Entwicklung der Rechnertechnik wurden, vor allen Dingen an Hochschulen und in Forschungsinstituten, Programme und Programmpakete zur numerischen Berechnung elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder entwickelt und permanent an die jeweils neuen und erweiterten Möglichkeiten angepasst. Aus diesen Entwicklungen heraus haben sich dann auch spezielle Vertriebsgesellschaften gebildet, die die Vermarktung und die professionelle Betreuung (den Support) übernommen haben.

So sind heute sehr leistungsfähige Programmsysteme verfügbar, mit denen viele Fragen spezieller und auch grundsätzlicher Art beantwortet werden können. Durch die Möglichkeiten der Ergebnisvisualisierung moderner Rechner können die Ergebnisse in fast beliebiger Parameterabhängigkeit veranschaulicht werden, Vorgänge können zeitlich aufgelöst werden und damit auch Einblicke in die physikalischen Kopplungsvorgänge liefern. Mancher Ausbreitungs- und Kopplungsvorgang wird erst durch die Ergebnisaufbereitung und die Visualisierung verständlich. Betrachtet man die Programme unter dem Gesichtspunkt der Werkzeuge für den EMV-Ingenieur, so muss die Situation sehr differenziert betrachtet werden.

1. Fällt in einer größeren Firma die Entscheidung, Fragen der elektromagnetischen Kopplung mit modernen Rechnerwerkzeugen zu behandeln, so wird neben dem Programmpaket auch ein entsprechend aus- oder vorgebildetes Personal benötigt. Dieses Personal muss überdies die Zeit bekommen, mit den Werkzeugen zu arbeiten und über die Anwendung Vertrauen aufzubauen. Es muss darüber hinaus eine permanente Softwarepflege durchgeführt werden.
2. Die sehr leistungsfähigen Programmpakete sind weniger geeignet, ohne Einarbeitung schnell einmal eine Beeinflussungssituation zu durchleuchten und daraus für den konkreten Fall eine schnelle Hilfe zu liefern. Hier ist die Kreativität und das Wissen des Ingenieurs gefragt.
3. Das Ergebnis einer Computersimulation kann natürlich nur so gut sein wie das Modell, also die Umsetzung der Realität in eine bere chenbare Anordnung. Heute kann davon ausgegangen werden, dass die Programme, bezogen auf die Eingabe, richtige Ergebnisse liefern. Der kritische Schritt in der Nutzung der Software ist damit die Umsetzung der Wirklichkeit in ein sie nachbildendes Modell. 4. Die Nutzung der recht leistungsfähigen Programme setzt aber auch ein gewisses Maß an physikalischem Verständnis voraus. Dies wird benötigt bei der Modellerstellung, um entscheiden zu können, welche Details bei der gegebenen Fragestellung weggelassen werden können und welche geometrischen und elektrischen Daten das Ergebnis wesentlich beeinflussen und unbedingt berücksichtigt werden müssen. Physikalisches Verständnis wird vor allen Dingen für die Ergebnisbewertung und –interpretation benötigt. Im Allgemeinen ist das Ergebnis einer Computersimulation ein farbenfrohes Bild und/oder eine Fülle von Zahlen. Diese Ergebnisse müssen im Blick auf

• Plausibilität und physikalische Stichhaltigkeit und
• auf notwendige Modellverfeinerungen interpretiert werden. Sollen für ein Projekt (z. B. den Neubau einer Fregatte) umfangreiche numerische Untersuchungen in Bezug auf die EMV, auf Antennenkompatibilitäten, auf optimale Standorte, auf die Personengefährdung oder auch in Bezug auf die Impedanzbeeinflussungen durch Aufbauten durchgeführt werden, kann es auch Sinn machen, diesen Teil der Untersuchungen an einen professionellen Anbieter abzugeben. Neben den großen Programmpaketen, deren Grundlagen man grob in

1. Randwertverfahren,
2. Volumenverfahren und
3. Strahlenverfahren

einteilen kann, gibt es noch eine Vielzahl von Hilfsmitteln, kleineren Programmen, umgesetzten Gleichungen, die für bestimmte Fragestellungen eine große Hilfe darstellen können. Eine Auswahl von möglichen Programmen wird auch in diesem Buch genannt und beschrieben. Mit diesem Kapitel wird versucht, einen Überblick über die Möglichkeiten des Rechnereinsatzes für die Bearbeitung von Fragen der EMV zu liefern. Die Grundzüge der Theorie hinter den verschiedenen Verfahren werden kurz beleuchtet, bevorzugte Einsatzbereiche und auch die Grenzen werden genannt. Dieses Kapitel kann in keiner Weise entsprechende Fachbücher ersetzen.