EMV made easy - VDE Bayern Young Pro Symposium 2023

Für ein grundlegendes Verständnis eines EMV-Modells kann das vereinfachte Sender-Empfänger-Modell betrachtet werden.

• Grundsätzlich: Jede elektronische Einrichtung zum Sender werden.
• Beispielhaft: Funksignale von Sendeanlagen können zu Störungen in umliegenden mobilen Endgeräten führen.

Aber auch in industriellen Umgebungen tauchen massenweise Sender auf. So stellen leistungsstarke Elektromotoren große induktive Lasten dar, die beim Ein- bzw. Abschalten starke Magnetfelder ausbilden und so ihre Umgebung stören. Prinzipiell entstehen an jeder Stelle der Applikation potentielle Störer, an der große Spannungen oder Ströme mit steilen Flanken geschalten werden und so große elektrische oder magnetische Feldänderungen verursachen. Als Empfänger können alle elektrischen Einrichtungen betrachtet werden, die sich im Wirkbereich des Störfeldes befinden wie z.B. Smartphones oder Laptops.

In der Elektrotechnik kann jeder Leiter eine Antenne sein und die Ausbreitung der elektromagnetischen Emissionen verstärken. Dabei spielt die Frequenz bzw. die Wellenlänge des Signals bei der Ausbreitung eine entscheidende Rolle. Zwischen Wellenlänge und Frequenz gibt es folgende simple Beziehung:
Je niedriger die Signalfrequenz desto länger ist die dazugehörige Wellenlänge.

Aus Perspektive der EMV ist es umso wahrscheinlicher, dass aus einer elektrischen Einrichtung Emissionen austreten, je kleiner die Wellenlänge oder je höher die Frequenz ist. Dabei wirken die angeschlossenen Kabel bzw. Leiterbahnen der PCB als Antenne. Für die Verbreitung der Störenergie existieren drei grundlegende Kopplungsmechanismen:

• Kapazitive Kopplung: Entstehung durch zwei parallele Leiter, die immer einen Kondensator bilden - Störgröße ist die Änderungsrate der elektr. Spannung (du/dt)
• Induktive Kopplung: Um einen stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld aus, das auch benachbarte Leiter durchdringt - Ursache ist ein magnetisches Wechselfeld bzw. Änderungsrate des Stroms (di/dt)
• Galvanische Kopplung: Diese tritt auf, wenn zwei Stromkreise miteinander leitend verbunden. Sie tritt häufig auf, wenn Ströme verschiedener Verbraucher über gemeinsame Versorgungs- oder Masseleitungen fließen.

Ausreichende EMV lässt sich meist durch geeignete Maßnahmen an Sender, Pfad oder Empfänger erreichen. In der EMV werden dabei folgende Maßnahmen unterschieden:

• Primärmaßnahmen: Emissionen des Senders minimieren
• Sekundärmaßnahmen: Unterbrechung der Koppelmechanismen
• Tertiärmaßnahmen: Störfestigkeit des Empfängers erhöhen

Oftmals bietet ein gut designtes EMV-Layout bereits einen Großteil der Lösung zur Vermeidung der Emissionen. Beispielhaft ist eine sternförmige Aufteilung der Masseleitung zur Vermeidung sogenannter Masseschleifen hilfreich, um der Verbreitung von Störströmen im System entgegenzuwirken. Ebenfalls lassen sich kapazitive und induktive Kopplungswege durch Einhaltung einiger Layoutregeln unterbrechen. So kann es beispielhaft bereits ausreichend sein, den Abstand zweier Leiter unterschiedlicher Stromkreise im System groß genug zu halten, um eine Kopplung zu vermeiden.

Reichen diese Maßnahmen alleine nicht aus oder lassen sich gewisse Kopplungswege im Layout nicht vermeiden, so werden passive Filter zur Dämpfung der Störenergie eingesetzt. Das Prinzip eines passiven Filters entspricht dem eines frequenzabhängigen Spannungsteilers. Die Filteranordnung enthält immer mindestens ein frequenzselektives Bauteil wie bei einem Kondensator oder einer Induktivität. Die Bauteile werden dabei so ausgewählt, dass sie angepasst an die Nutzfrequenz des Systems keine Auswirkung auf das Nutzsignal haben, allerdings fehlangepasst an die Störfrequenz sind. So wird erreicht, dass die Frequenz des Störsignals ausgefiltert wird. Eine sehr häufig eingesetzte Filtertopologie ist der Tiefpass, der seinem Namen entsprechend tiefe Frequenzen ungehindert passieren lässt und oberhalb eines definierten Wertes Frequenzen ausfiltert.