Die Lösung von Problemen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) im Zusammenhang mit elektromagnetischen Interferenzen (EMIs) im Gegentakt oder im Gleichtakt ist in vielen Fällen nicht einfach. In erster Linie ist das Verständnis, wie man Gleichtakt-EMI-Probleme handhabt, für viele Elektronik- und Anlagenfachleute ein Mythos. Diese Probleme können auf der Ebene der gedruckten Schaltungsplatine (PCI), auf der Ebene der internen und externen Verkabelung des Geräts oder auf der Ebene der Installation eines Systems im Allgemeinen auftreten. Gleichtakt-EMIs haben oft Gründe, die nicht sehr offensichtlich sind, wie z. B. die Instabilität der Schaltungserde; parasitäre Kapazitätskopplungen; aufgrund mangelnder Entkopplung in der Ernährung; oder durch Ungleichgewichte in den Pfaden der Differenzsignale. Es sind daher parasitäre Schaltungen, die nicht auffallen, da sie sich nicht in den Schaltplänen widerspiegeln. Aber wir müssen bedenken, dass sie immer mehr oder weniger vorhanden sind.
Im Allgemeinen kann ein EMI-Problem nicht einfach mit Gleichungen gelöst werden, da diese zu komplex werden können, um das Problem quantitativ zu reproduzieren. Darüber hinaus werden uns in vielen realen Fällen Daten fehlen, wie z. B. der Wert der parasitären Komponenten, die normalerweise schwer zu lokalisieren und zu messen sind. Daher ist es schwierig, mit der folgenden Argumentation zu rechnen: Ich muss 250 nF Kapazität hinzufügen, die zwischen diesen vier Punkten meines TCI verteilt sind, um die EMIs im Gleichtakt um 50 dB zu reduzieren, um die Grenzwerte für leitungsgebundene Emissionen einzuhalten, die der Standard vorschreibt legt sich mir auf. Normalerweise ist die Situation viel mehrdeutiger und die Lösung sieht eher so aus: Ich sollte die Entkopplung verbessern, die Erdungsimpedanz reduzieren und eine Gleichtaktdrossel für die E / A-Signale hinzufügen, zusätzlich zum Hinzufügen eines Netzwerkfilters am allgemeinen Stromeingang. Aus diesem Grund ist es immer wichtig, ein gutes Verständnis der elektromagnetischen Konzepte zu haben, bevor Sie versuchen, eine Berechnung anzuwenden, die wahrscheinlich aufgrund fehlender Daten zu den parasitären Komponenten der am EMV-Problem beteiligten Schaltkreise ungenau sein wird.
Abgestrahlte Kopplungsmoden
Es ist wichtig zu verstehen, wie Gegentakt-, Gleichtakt- und Antennenmodus-Strahlungskopplungsmodi funktionieren. Abbildung 1 zeigt die drei Kopplungsmodi in einer Schaltung. Im oberen Stromkreis führt das Kabel die Signalströme im Gegentakt (hin und zurück) in den beiden Kabeln nebeneinander, die die Schaltungselemente 1 und 2 verbinden. Ein externes Strahlungsfeld kann an diesen Stromkreis ankoppeln und im Gegentakt EMIs induzieren (Imd) zwischen den beiden Kabeln. Aber auch der interne Differenzstrom des Signals kann ein aus der Schaltung abgestrahltes Feld induzieren. Die Massebezugsebene (sie kann sich außerhalb des Geräts befinden oder durch seine Stützstruktur oder sein Gehäuse gebildet werden) spielt bei dieser Art der Kopplung keine Rolle. Im mittleren Stromkreis kann der Draht auch Gleichtaktströme (Imc) führen, also Ströme, die in jedem Draht in die gleiche Richtung fließen. Diese unerwünschten Ströme haben sehr oft nichts mit den eigenen Strömen des Signals zu tun. Gleichtaktströme können durch abgestrahlte externe Feldkopplung in die Schleife induziert werden, die durch das Kabel, die Erdungsebene und die unterschiedlichen Impedanzen der Geräte-Erde-Verbindungen gebildet wird, und können dann interne Differenzströme verursachen, für die das Team anfällig ist . Alternativ können Gleichtaktströme durch interne Störspannungen zwischen den Massebezugspunkten und der Kabelverbindung erzeugt werden und für nach außen abgestrahlte Emissionen verantwortlich sein. Es sollte beachtet werden, dass die Streukapazitäten und -induktivitäten, die mit der Verdrahtung und dem Gehäuse (Kasten) jeder Einheit verbunden sind, ein integraler Bestandteil der Gleichtaktkopplungsschaltung sind und eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Amplitude und spektralen Verteilung von Strömen im Gleichtakt spielen. In der unteren Schaltung fließen die Antennenmodenströme (Ima) in der gleichen Richtung durch die beiden Kabel und durch die Massebezugsebene. Diese Ströme sind nicht auf intern in der Schaltung erzeugtes Rauschen zurückzuführen.
Sie treten auf, wenn das gesamte System, einschließlich der Masseebene, einem externen Strahlungsfeld ausgesetzt wird. Ein Beispiel wäre, wenn ein Fahrzeug in die Nähe einer Antenne eines starken Rundfunksenders fährt; Die Fahrzeugstruktur, die als Masseebene für die Innenausstattung dient, führt die gleichen Ströme wie die interne Verkabelung.
Antennenmodenströme werden nur dann zu einem Problem für die Strahlungsfeldempfindlichkeit autonomer Systeme, wenn sie in Gegentakt- oder Gleichtaktströme umgewandelt werden, die durch die verschiedenen Impedanzen in den verschiedenen Stromkreisen fließen. Wir werden uns auf Gleichtakt- und Gegentaktkopplungen konzentrieren. Einer der wichtigsten Aspekte ist die Unterscheidung zwischen diesen beiden möglichen Kopplungsmodi. Die Grundlage dieser Unterscheidung ist die Idee, dass die beiden Pfade dieser beiden Moden gleichzeitig in demselben Satz von Leitern koexistieren.
Einer dieser Wege ist die vom Designer durchdachte Schaltung: Die Signale und ihre Rückleitungen oder die Zuführung und ihre Rückführung, entlang denen die gewünschten Signalströme fließen, sind im Differenzmodus einander entgegengesetzt. Es ist die im Prozess ihres Entwurfs gewünschte Gegentaktschaltung. Der andere Weg ist der parasitäre Stromkreis, der sich zwischen dem gewünschten Stromkreis und der Struktur (Rack, Schrank oder Kasten) bildet, in der sich der gleiche Stromkreis befindet. Dieser Pfad wird Gleichtaktschaltung genannt, weil die unerwünschten Ströme in den Leitern in die gleiche Richtung fließen.
Um es im Detail zu sehen, ist das Gleichtaktsignal in Abbildung 2 dasjenige, das in Phase und mit der gleichen Amplitude in den beiden Leitungen (Imc/2) eines Zweidrahtkabels in Bezug auf die lokale gemeinsame Referenz oder Erde erscheint. Der Rückstrom Imc fließt durch die Erde.
Diese Ströme sind unerwünscht, aber in der Praxis sind sie in Schaltkreisen oder Geräten immer vorhanden. Das gewünschte Signal im Differentialmodus (Imd) fließt in entgegengesetzten Richtungen durch die beiden Drähte. Die Gegentaktspannung Vmd ist die Spannung des gewünschten Signals. Die Gleichtaktspannung (Vmc) ist die Hälfte der Vektorsumme der Spannungen zwischen jedem Leiter einer symmetrischen Schaltung und der nahegelegenen Erde. Solche Signale können auf die Erfassung von abgestrahlten EMIs zurückzuführen sein, die gleichermaßen auf beiden Leitungen erfasst werden (Kopplung durch Strahlung im Gleichtakt- oder im Antennenmodus) oder auf eine Potentialdifferenz V emi zwischen den Erdungen von Schaltung 1 und Schaltung 2.
Betrachten wir nun in Abbildung 3 die Bedeutung der beiden Stromarten in der Strahlungsemission eines Leiterpaares, das Kabel oder Leiterbahnen in einem TCI sein kann. Die abgestrahlten elektrischen Felder aufgrund jedes Stroms werden überlagert, um das gesamte abgestrahlte elektrische Feld zu erhalten. Betrachten wir zunächst die Strahlungsfelder aufgrund von Gegentaktströmen, wie in Abbildung 3(A) dargestellt.
Gegentaktströme fließen in die entgegengesetzte Richtung. Daher sind auch die entsprechenden elektrischen Felder entgegengesetzt (E1 und E2). Da die beiden Leiter jedoch nicht nebeneinander angeordnet sind, können sich die Felder nicht genau aufheben, aber sie subtrahieren und geben ein kleines elektrisches Nettofeld Emd ab. Gleichtaktströme fließen in die gleiche Richtung und ihr Strahlungsfeld summiert sich, wodurch ein viel größerer Beitrag zum gesamten Strahlungsfeld Emc im Vergleich zu Gegentaktströmen bereitgestellt wird, wie in Abbildung 3(B) dargestellt.
Daher kann ein kleiner Gleichtaktstrom das gleiche Niveau an abgestrahltem elektrischem Feld erzeugen wie ein viel größerer Wert des Gegentaktstroms. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Gleichtaktströme ein viel höheres Potenzial zur Erzeugung von Strahlungsemissionen haben als Gegentaktströme, wie sie in realen Geräten zu finden sind. Angesichts der durch die Strahlungsemissionsnormen festgelegten Grenzwerte werden wir sie einfach mit Gleichtaktströmen in der Größenordnung von µA leicht überschreiten, während Gegentaktströme in der Größenordnung von mA erforderlich sind, um dieselben Grenzwerte zu überschreiten, dh ein Verhältnis von 1000 mal. Somit ist etwa drei Größenordnungen mehr Gegentaktstrom als Gleichtaktstrom erforderlich, um das gleiche Strahlungsfeld zu erzeugen. Mit anderen Worten, der Gleichtakt-Abstrahlungsmechanismus ist viel effizienter als der Gegentakt-Abstrahlungsmechanismus.
Gleichtaktemission ist wahrscheinlicher ein Problem bei niedrigen Frequenzen und Gegentaktemission ist wahrscheinlicher ein Problem bei hohen Frequenzen. Bei Schaltanstiegszeiten eines digitalen Signals im Bereich von 1 bis 10 ns treten die meisten Gleichtaktabstrahlungen im Frequenzband 30 bis 300 MHz auf, bei einem langen Kabel (Länge > / 4) nicht die Intensität der Gleichtaktabstrahlung hängt von ihrer Länge oder Häufigkeit ab. Es hängt nur vom Gleichtaktstrom im Kabel ab.
Gleichtaktströme und Impedanzen
Sehen wir uns die Einzelheiten der Impedanzen und Ströme in der Verbindung zwischen zwei typischen Schaltungen an. In Abbildung 4 besteht die Verbindungsschaltung aus konzentrierten Parametern, und der differentielle Stromfluss ist fast vollständig in der Schaltung enthalten, die von den Leitern oder Spuren eines TCI gebildet wird. Ihre Differenz (IS – IR) ist der Gleichtaktstrom IMC. Die Beziehungen zwischen Impedanzen und Strömen werden ebenfalls dargestellt. Wenn die Gegentakt-Strompfadimpedanzen Zs und Zr viel kleiner sind als die Summe der Gleichtakt-Strompfadimpedanzen Zm1, Zm2 und Zm3, ist der Gleichtaktstrom IMC viel kleiner als der Rückstrom IR und es kann erwartet werden, dass kein Gleichtakt vorliegt Emissionsprobleme entstehen. In Abbildung 5 besteht die Verbindungsschaltung aus verteilten Parametern, wobei die Kapazitäten hervorgehoben werden, die zwischen der Signalleitung und ihrer Rückleitung verteilt sind. Auch der differentielle Stromfluss ist fast vollständig in dem durch die Anschlussleitungen gebildeten Stromkreis enthalten. Wenn hier die Signalrückimpedanz Zr viel höher ist als die Gleichtaktstrompfadimpedanzen Zm1, Zm2 und Zm3, ist der Gleichtaktstrom IMC viel höher als der Rückstrom IR und es können Probleme mit Gleichtaktemissionen auftreten.
Im Differentialmodus durchgeführte EMIs
Fig. 6 veranschaulicht als Beispiel die unterschiedlichen Schaltungen in den beiden Modi in einem generischen Gerät oder einer Einrichtung mit ihrem Anschluss an das allgemeine Stromversorgungsnetz und einer Signalleitung, die mit anderen Einrichtungen kommuniziert. Die Pfeile in der Figur sind Emissionsströme; Ihre Richtung könnte leicht umgekehrt werden, um zu verstehen, wie die gleichen Strompfade auf der Ebene der elektromagnetischen Suszeptibilität (EMS) gegenüber externen Feldern funktionieren könnten. Die Gegentaktkopplung des Anschlusses des Geräts an das Stromnetz ist einfach zu verstehen. Die Interferenz (EMI) tritt zwischen der Phase (F) und dem Nullleiter (N) des Stromnetzes auf und könnte dann zwischen dem Anschluss (+) und dem (-) der internen Stromversorgung des Geräts reproduziert werden. Das Platzieren eines Filters in Reihe mit diesen Leitern ist die herkömmliche Methode, um diese EMI zu dämpfen. Typische Emissionsquellen sind Schaltnetzteile oder eingehende Interferenzen, oder Stromausfälle oder durch Blitzschlag verursachte Überspannungen sind am häufigsten auf der Ebene der leitungsgeführten Immunität (Conducted Ems). Am Netzanschluss durchgeführte Emissionstests messen die Hälfte des differentiellen Anteils in jeder Phase. Das elektromagnetische Verhalten von EMIs im Differentialmodus ist sowohl auf der Ebene der Emissionen als auch der leitungsgebundenen Immunität ähnlich.
Ein ähnlicher Mechanismus arbeitet auf den Signalleitungen, obwohl in diesem Fall die Bedrohung und die Methode zum Umgang mit EMI anders sind. Da Signalverbindungen in der Regel Punkt-zu-Punkt sind (mit Ausnahme von Verbindungen über Datenbusse), haben sie nicht die Möglichkeit, großflächig zu wirken, wie dies bei Netzwerkverbindungen der Fall ist. Die Differenzströme auf den Signalleitungen sind hauptsächlich die Signale selbst. Wenn es sich um Gleichstrom oder Niederfrequenz handelt (z. B. Sensoren mit langsamer Reaktion), ist seine Störfähigkeit sehr gering, die Filterung ist einfach und zielt hauptsächlich darauf ab, die Immunität gegen induzierte externe EMI zu verbessern. Wenn die Signale breitbandig sind (Hochgeschwindigkeits-Daten- oder Videosignale), dann werden wir Probleme mit emittierten EMIs und Immunitätsproblemen haben und die Filterung wird schwieriger sein. Dann ist die Verwendung von geschirmten Kabeln oder besonderen Schutzmaßnahmen erforderlich. Das Hauptproblem bei dieser Art von Signalleitungen in ihren Verbindungen sind jedoch die abgestrahlten Emissionen und nicht die leitungsgebundenen Emissionen (siehe unten).
Geleitete Gleichtakt-EMIs
Weiter in Abbildung 6 führen die Stromversorgungskabel (Phase F und Nullleiter N) und die Signalleitungsleiter ebenfalls leitungsgeführte Gleichtaktstörungen. In diesem Fall erscheinen die EMIs nicht zwischen den Leitern (F und N oder dem Signal und seiner Rückleitung), sondern die EMIs erscheinen in jedem Leiter, der auf einen dritten Punkt bezogen ist. Die Gleichtakt-EMI-Ströme zirkulieren in einer Schleife, die diesen dritten Punkt enthält. Beim elektrischen Netz gibt es zwei Möglichkeiten für den dritten Punkt: Es kann der Sicherheitserdungsleiter (Gleichtakt (A)) oder die externe Struktur (Gleichtakt (B)) sein. Obwohl die Sicherheitserdung normalerweise irgendwann mit der externen Struktur verbunden ist, gibt es Unterschiede zwischen diesen beiden Modi. Der bemerkenswerteste Unterschied besteht darin, dass im ersten Fall (A) die Ströme im Stromkabel selbst verbleiben, durch die Phasen- (F) und Neutralleiter (N) fließen und durch die Schutzerde T zurückkehren, während im zweiten Fall ( B) alle Leiter, einschließlich der Sicherheitserdung, führen die Ströme im Gleichtakt und kehren über einen unabhängigen Pfad zurück. Es ist ersichtlich, dass für Geräte der Schutzklasse II, da diese keinen Anschluss des Schutzleiters haben, nach der Niederspannungsverordnung nur der Gleichtakt (B) anwendbar ist.
Quellen von Gleichtaktemissionen sind viel schwieriger zu visualisieren, vorherzusagen und zu kontrollieren als Quellen von Gegentaktemissionen. Sie werden in der Regel durch hochfrequente interne Funktionen innerhalb der Geräte erzeugt (z. B. Mikrocontroller-Takte, sowie Schalten in Schaltnetzteilen oder DC/DC-Wandlern). Diese Gleichtaktströme werden nicht absichtlich oder direkt mit der Steckdose gekoppelt, sondern treten aufgrund parasitärer Kopplungen auf. In ähnlicher Weise koppeln externe Gleichtakt-EMIs (typischerweise schnelle transiente Rausch- und Hochfrequenzsignale) über diese parasitären Pfade an interne Schaltkreise. Eine einfache Differenzfilterung zwischen den Leitern der Phase F und dem Neutralleiter N hat keinen Einfluss auf diese Art der Störung. Die Gleichtaktkopplung (A) kann mit einer induktiven Gleichtaktdrossel und Kondensatoren parallel zwischen Phase und Erde gefiltert werden (was den Erdschluss verschlechtert), wie bei gängigeren Netzfiltern. Bei leitungsgebundenen Emissionstests werden die Spannungen FT und NT separat gemessen. Die Gleichtaktkopplung (B) kann nicht mit einem kapazitiven Filter behandelt werden, da die Kondensatoren nirgendwo parallel geschaltet werden können. Gleichtaktdrosseln auf allen Leitungen einschließlich Schutzerdung T können Abhilfe schaffen, aber ansonsten erfordern gute Lösungen bauliche Abhilfemaßnahmen im Gerät selbst.
Gleichtakt-EMIs auf Signalleitungen können erheblich sein. Die obigen Kommentare zur Filterung sind gleichermaßen anwendbar, mit dem zusätzlichen Problem für Breitbandsignale, dass kapazitive Filter das gewünschte Signal genauso stark beeinflussen wie EMIs. Neben der parasitären Kopplung innerhalb der Geräte tritt bei Breitbandsignalen eine weitere Emissionsquelle auf: Durch Streuverluste zwischen dem Kabel und seiner Umgebung „leckt“ ein Teil des Signalstroms aus dem Differenzkreis und kehrt über die Struktur zurück, was zu einer unerwünschten Komponente der Masse führt -Modus-Signal.
Geleitete Gleichtakt-EMIs sind im Allgemeinen problematischer als Gegentakt-EMIs, da ihre Kopplungspfade physische Strukturen umfassen, die normalerweise nicht für diesen Zweck ausgelegt sind. Folglich:
• Seine Wirkung ist schwer vorherzusagen und zu kontrollieren;
• Kann sich im Laufe der Zeit aufgrund unkontrollierter struktureller Veränderungen ändern;
• Sie können eine Vielzahl von Geräten unabhängig von unserem System kontaminieren;
• Ströme können innerhalb einer großen unkontrollierten Stromschleife fließen, was ihr Potenzial zur Erzeugung von Strahlungsemissionen erhöht.
Im Differentialmodus abgestrahlte EMIs
Dieselben konzeptionellen Schaltungen von Fig. 6 können verwendet werden, um die Kopplung von abgestrahlten Emissionen zu visualisieren. Denn die Effizienz einer Kopplungsstruktur hat maximale Punkte, wenn die Länge des Kabels oder der Schiene oder der Struktur nahe bei 1/4 oder 1/2 der Wellenlänge liegt
Von den Signalen, die bei den niedrigsten Frequenzen zirkulieren, erfolgt der Hauptmechanismus für die Kopplung von Strahlungsemissionen durch die Kabel, die im Allgemeinen länger als andere Geräte sind. Beispielsweise sind bei 10 MHz /2 = 15 m EMIs typisch für lange Kabel, bei 100 MHz sind /2 = 1,5 m typisch für kurze Kabel und mittelgroße Schränke und bei 1 GHz /2 = 0,15 m sind typisch für Leiterplatten und kleine Kästen. Aus diesen Daten wird deutlich, dass in Gerätegehäusen der Strahlungsmechanismus dazu neigt, oberhalb von 100–200 MHz zu dominieren, und dass die Strahlung von langen Kabeln unterhalb von 30 MHz dominiert. Wenn die Kopplung zwischen zwei sehr nahen Strukturen stattfindet, dominieren die parasitären Kapazitäten und Induktivitäten, die Wellenlänge spielt eine weniger wichtige Rolle und die Strahlung hat einen weiten Frequenzbereich.
In Kabeln ist der Weg der Gegentaktstromrückführung bekannt und wird Ihrem Signal sehr nahe kommen (es sei denn, die Schaltung wurde schlecht entworfen). Dies bedeutet, dass die Magnetfelder aufgrund der Ströme in jedem Leiter dazu neigen, sich gegenseitig aufzuheben, und die elektrischen Felder von den Spannungen in den Leitern dazu neigen, sich zwischen ihnen zu konzentrieren. Daher wird die Kopplung von Strahlungsemissionen minimiert, wenn die Leiterpaare so nahe wie möglich gehalten werden, und das beste Beispiel ist ein verdrilltes Paar. Bei hohen Frequenzen ist die kleine verbleibende Fläche zwischen den Leitern jedoch immer noch in der Lage, abgestrahlte Emissionen zu koppeln, und dies begrenzt die Amplitude und Frequenz von Breitbandsignalen, die entlang der Kabel transportiert werden können.
Es ist oft schwierig, innerhalb von Teams auf allen Strecken die optimale Geometrie beizubehalten. Die internen Verdrahtungs- und Designbeschränkungen von ICTs neigen dazu, die Regel zu kompromittieren, Stromschleifenbereiche auf einem Minimum zu halten. Daher ist die gestrahlte differentielle Kopplung der internen Schaltung wichtiger, im Allgemeinen über 100–200 MHz, insbesondere für Frequenzen, bei denen Strukturen resonant sein können. Wenn eine abgeschirmte Box oder ein abgeschirmter Schrank verwendet wird, wird eine absichtliche Barriere geschaffen, so dass dieser Kopplungsmodus reduziert wird.
Abgestrahlte EMIs im Gleichtaktmodus
Der Gleichtaktstrompfad verstößt naturgemäß gegen die optimale Designanforderung, immer die Nähe zwischen dem Signal und seiner Rückleitung sicherzustellen. Oft gibt es keine gute Kontrolle bei der Installation und der Platzierung der Kabel und daher gibt es keine ausreichende Kontrolle über den Bereich der Gleichtaktschleifen, der sehr groß sein kann. Nur wenn die Kabel über ihre gesamte Länge verlegt werden und eine Struktur (Chassis, Kabelkanal, Wanne usw.) berühren, die absichtlich den Gleichtakt-Rückstrom führt, ist die Koppelschleifenfläche minimal. Wenn das Kabel unter anderen Umständen nicht in der Nähe des Gehäuses oder der Wanne installiert ist, wirkt das Kabel als eine einigermaßen effiziente Antenne, wobei die maximale Effizienz bei ihrer Resonanzfrequenz liegt. Schlimmer noch, es ist sehr gut möglich (und tatsächlich am häufigsten), dass die Ströme im Gleichtakt durch die Abschirmungen der abgeschirmten Kabel fließen. Bei der Auslegung von Kabelschirmen ist darauf zu achten, dass intern erzeugte Gleichtaktströme nicht auf die Außenseite des Schirms übertragen werden und dass im Gegenteil eingehende EMI-Ströme, die zwangsläufig nach außen zirkulieren, nicht auf interne Schaltkreise übertragen werden. Die gute Qualität des Schirms (niedriger Zt) und sein Abschluss an den Enden (ohne Pigtails oder "Pigtails", die den Zt verschlechtern und ihn erhöhen) sind entscheidende Faktoren, um diese Probleme zu vermeiden.
Die Gleichtaktkopplung von gestrahlten Emissionen ist nicht auf Kabel beschränkt, obwohl sie aufgrund ihrer Länge von großer Bedeutung ist. Jede metallische Struktur (Chassis, Tablett, Schrank usw.) führt Ströme im Gleichtakt und fungiert als Sender oder Empfänger von abgestrahlten EMIs. Die Stromflüsse und die Spannungsunterschiede treten außerhalb der Metallgehäuse auf und die abgestrahlte Emission wird bei Resonanzfrequenzen effizienter sein. Da Metallstrukturen in den meisten Systemen und Installationen nicht vermieden werden können, muss bei einem guten EMV-Design darauf geachtet werden, dass vom System erzeugte EMI-Ströme nicht fließen und dass von externen EMI-Quellen aufgenommene Ströme nicht auf die internen Schaltkreise der Geräte übertragen werden.
Ideale/echte Fallantwort
Abbildung 7 zeigt die ideale und reale Reaktion eines Gegentaktsignalempfängers auf ein eingehendes Gleichtaktsignal. Offensichtlich ist in der idealen Schaltung von Fig. 7(A) der Empfängerausgang unabhängig vom Eingangs-Gleichtaktstrom, unabhängig davon, ob die Schaltung vollständig differenziell (symmetrisch) ist oder nur einen symmetrischen Eingang hat. In Abbildung 7(B) zeigt der eigentliche Empfänger unterschiedliche Reaktionen auf Gleichtaktstrom, je nachdem, ob die Schaltung symmetrisch oder unsymmetrisch ist. Wenn in der Praxis in der realen Welt die differenzielle Signalleitung nicht perfekt symmetrisch ist, erscheint ein unerwünschtes differenzielles Signal als Ergebnis des Gleichtaktsignals aufgrund von Unterschieden in den differenziellen Signalpfaden in Amplitude und Phase. Symmetrische Schaltungen sind unsymmetrischen Schaltungen aufgrund ihrer höheren Immunität gegenüber Gleichtakt-EMIs überlegen. Die Begriffe „Differentialschaltung“ und „symmetrische Schaltung“ sollten nicht als Synonyme behandelt werden. Eine symmetrische Schaltung muss differenziell sein, während eine differenzielle Schaltung unsymmetrisch sein kann. Nur symmetrische Schaltungen können alle Vorteile einer differentiellen Signalschaltung garantieren. Der Grad der Symmetrie einer Schaltung wird durch die Streukapazität zwischen jeder differentiellen Leitung und der gemeinsamen Referenz (Masse) begrenzt.
Elektromagnetische Felder und Moden
In der elektromagnetischen Feldtheorie ist das elektrische Feld E das direkte Ergebnis von Spannungsschwankungen (dV/dt) und das magnetische Feld H ist das direkte Ergebnis von Änderungen im Kreisstrom (dI/dt). Die Eigenschaften eines Feldes werden durch seinen Erzeuger, seine Frequenz, das Ausbreitungsmedium und die Entfernung zwischen Erzeuger und Empfänger bestimmt. An einem Punkt nahe der Quelle des Feldes werden die Eigenschaften des Feldes hauptsächlich durch die Eigenschaften der Quelle bestimmt. Im Gegenteil, die Eigenschaften werden durch das Vermehrungsmedium bestimmt. Aus diesem Grund wird der Raum basierend auf der Entfernung zwischen der Quelle des Feldes und dem Beobachtungspunkt in zwei Bereiche unterteilt. In der Nähe der Quelle befindet sich das sogenannte Nahfeld. In einem Abstand größer als die Länge I/2π befindet sich das sogenannte Fernfeld oder elektromagnetische Feld. I ist die Wellenlänge der höchsten Frequenz im Spektrum des Signals. Das E/H-Verhältnis bestimmt den Wellenwiderstand, der im Fernfeld gleich E/H = 377Ω ist. Wenn der Generator einen starken elektrischen Strom und eine niedrige Spannung (E/H < 377Ω) hat, ist das Nahfeld überwiegend magnetisch. Umgekehrt, wenn der Generator eine hohe Spannung und niedrige Intensität hat (E/H > 377 Ω), ist das Nahfeld hauptsächlich elektrisch.
Es ist wünschenswert, dass die von unseren Schaltkreisen erzeugten elektromagnetischen Felder in den Kabeln und Leitern der Schaltkreise bleiben, anstatt in den freien Raum abgestrahlt zu werden. Wenn die Wellenlänge eines Signals deutlich kleiner als die physikalische Länge des Leiters ist oder das Signal über Twisted-Pair- oder Koaxialkabel läuft, ist das Signal auf den Leiter beschränkt. Andernfalls kann der Leiter zu einer unerwünschten Antenne werden.
Probleme im Zusammenhang mit Strömen und Magnetfeldern sind normalerweise mit Gegentaktsituationen verbunden. In ähnlicher Weise sind Probleme im Zusammenhang mit Spannungen und elektrischen Feldern normalerweise mit Gleichtaktsituationen verbunden. Fälschlicherweise werden oft Lösungen ausprobiert, bevor verstanden wird, welche Art von Emission das EMV-Problem verursacht. Leider sind wirksame Lösungen für EMI-Probleme im Differentialmodus selten wirksam gegen EMI-Probleme im Gleichtaktmodus. Daher ist es wichtig, die Impedanz des Felds zu kennen, bevor versucht wird, verschiedene erfolglose Lösungen auszuprobieren.
Obwohl eine Spannungsänderung eine Stromänderung bewirkt und umgekehrt, wird einer dieser Vektoren vorherrschend sein. Die Impedanz der Strahlungsquelle bestimmt das vorherrschende Feld.
Mit Nahfeldsonden ist es in der Regel einfacher, Signale im Differenzmodus zu messen, da sie größere Werte haben als im Gleichtakt. Der Wert des Magnetfelds H wird deutlich höher sein als der Wert des elektrischen Felds E. Gleichzeitig nimmt das Magnetfeld H schneller ab als das E-Feld, wenn wir uns mit der Sonde von der Ausrüstung entfernen. Gleichtakt-EMI sind schwieriger zu messen, da sie sehr kleine Werte haben. Oft ist der beste Indikator die relative Amplitude zwischen den Feldern E und H. Hier ist das E-Feld viel größer als das H-Feld und die Abnahme von E mit der Entfernung ist größer als die Abnahme von H. Das E ist jedoch viel störanfälliger und reagiert daher sehr empfindlich auf die Lage der Kabel und die Position der messenden Person zum Gerät. Diese Effekte zeigen uns, dass das Feld von einer Spannungsquelle mit relativ hoher Impedanz stammt.
