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EMV – Was ist eigentlich “Elektromagnetische Verträglichkeit” und wo betrifft uns das? | Grundlagen

Das Thema EMV taucht immer wieder im Zusammenhang mit Elektronik aller Art auf. Dieser kleine Artikel soll grob erklären, was es mit diesem Thema auf sich hat. Da dieses Thema so umfangreich ist, dass es bereits mehrere Bücher dazu gibt, werde ich es sehr oberflächlich halten. Die Zusammenhänge werde ich dementsprechend auch nur vereinfacht darstellen, da alles andere jeden vernünftigen Rahmen für einen Artikel für eine IT-Seite sprengt. Es ist also definitiv keine wissenschaftliche Arbeit, sondern nur eine sehr grobe Erklärung. Auch hier wurden wieder Bilder von Igor‘sLAB verwendet. Vielen Dank für die Erlaubnis.

Was ist EMV?

Die Abkürzung EMV steht für Elektro-Magnetische-Verträglichkeit. Dies bedeutet letzten Endes: Das Gerät verursacht selbst nicht so viel Elektromagnetismus, dass es andere Geräte oder ähnliches stört und wird auch selbst nicht von Geräten, die sich an die Vorschriften halten, gestört. Das hört sich wesentlich simpler an als es ist. Die EMV ist immer von der Frequenz abhängig. Es gibt Frequenzbereiche, in denen EMV-Emissionen unerwünscht sind. Daher wurden Vorschriften erlassen die festlegen, in welchen Frequenzbereich wie viele EMV-Emissionen erlaubt sind. Dementsprechend sind die Vorschriften fast immer so gestaltet, dass relativ schnell ersichtlich ist, in welchen Frequenzbereich wieviel erlaubt ist. Üblicherweise sind diese als Graphen dargestellt.

Hier ein Beispiel, wie so etwas aussehen kann:

Abbildung 1: Beispielkurve für EMV-Grenzwerte

Die Frequenz wird üblicherweise logarithmisch dargestellt. Nicht unüblich sind Graphen für jeden einzelnen Frequenzbereich. Stellenweise werden Maximalwerte für die Spitzen und Maximalwerte für den Durchschnitt genannt.  Man kann auf jeden Fall davon ausgehen, dass zu viele Emissionen im Frequenzbereich des Tetra-Funks, Mobilfunk, WLAN oder ähnlichem relativ schnell Probleme und Ärger mit Behörden verursachen können.

Elektromagnetismus-Grundwissen

Um zu verstehen, was es mit der EMV eigentlich auf sich hat, ist etwas Grundwissen über den Elektromagnetismus von Nöten. Dieses Wissen wird häufig auch an Schulen gelehrt und danach wieder vergessen. Dabei begegnet uns dieses Thema eigentlich permanent. Grundsätzlich erzeugt ein von Strom durchflossener Leiter ein magnetisches Feld um sich herum. Zur optischen Veranschaulichung hat man sich auf Feldlinien geeinigt, welche die Ausrichtung des magnetischen Feldes zeigen.

Abbildung 2: Feldlinien an einem stromdurchflossenen Leiter

Prinzipiell gilt: Das Magnetfeld ist umso stärker, ja näher man an dem Stromdurchflossenen Leiter ist. Auch haben Spannung und Strom Einfluss auf die Stärke des Magnetfeldes. Gleichzeitig kann man das Magnetfeld mit einem geerdeten Metallgehäuse einschränken. Packt man nun einen 2ten, nicht Stromdurchflossenen Leiter daneben, passiert erstmal relativ wenig. Wenn sich der Leiter oder das Magnetfeld verändert oder bewegt, hat das Einfluss auf die Spannung im Leiter. Es wird aus dem sich änderndem Magnetfeld eine Spannung in den 2ten Leiter induziert.

Das ganze muss natürlich bei Leiterplatten auch beachtet werden. Wenn man bedenkt, dass moderne Leiterplatten aus mehreren Kupferlagen bestehen, muss man nicht nur bedenken, was neben der Leiterbahn ist, sondern auch was drüber und darunter ist. Hier werfen wir mal einen Blick in eine 4-lagige Leiterplatte:

Abbildung 3: Feldlinien an einer Stromdurchflossenen Leiterbahn

Das hier eingezeichnete Feld zeigt beispielhaft nur eine einzelne Position an. In Wirklichkeit muss das über die gesamte Länge der Leiterbahn bedacht werden. Und als nächstes muss man bedenken: Die anderen Leiterbahnen können auch stören. Und weil es so lustig ist: Diese Magnetfelder können auch anderer Leiterplatten in der Nähe beeinflussen.

Allerdings können diese Eigenschaften auch positiv wirken. Bei Generatoren (Abbildung 4) und Transformatoren (Abbildung 5) werden diese Eigenschaften nämlich sehr ausgiebig ausgenutzt. An der Ankerwicklung  des Generators wird beispielsweise Gleichstrom angelegt. Durch die Drehung dreht sich auch das Magnetfeld mit und induziert den rechts unten dargestellten Spannungsverlauf in den äußeren Spulen. Üblicherweise werden Generatoren zur Schirmung mit einem Metallgehäuse ausgestattet

Abbildung 4: Schemata eines Generators

Bei einem Transformator wird zusätzlich die Eigenschaft ausgenutzt, dass man ein Magnetfeld mit einem Eisenkern durch die Magnetfelderzeugende Wicklung etwas „führen“ kann. Somit geht das Magnetfeld von z.B. der linken Spule zur rechten Spule und induziert da eine Spannung. Das Verhältnis der Spannung ist dabei direkt proportional zur Windungszahl.

Abbildung 5: Schemata eines Transformators

 

Signalaufbau-Grundwissen

Jetzt kommen wir zu dem etwas tiefergreifenden Wissen, das unter anderem auch Teil des Elektrotechnikstudiums ist. Der Spannungsverlauf eines optimalen Bus-Signales würde in im direkten Vergleich zum eher realistischen Abbild in der Praxis in etwa wie folgt aussehen:

Abbildung 6: Ideales Bussignal
Abbildung 7: Realistischeres Bussignal

Und selbst das ist noch sehr optimistisch. Bei High-Speed-Signalen, wie z.B. PCIe sieht es häufig wesentlich schlechter aus. Will man nun das Frequenzspektrum des Signals erhalten, bietet beispielsweise sich die Fourier-Analyse an. Dabei wird das Signal in die 1. Harmonische Welle und die weiteren Oberwellen zerlegt. Addiert man all diese Wellen zusammen, erhält man wieder den ursprünglichen Spannungsverlauf des Signals.

Abbildung 8: Zerlegung des Bussignals auf Fourierbasis

Jede der einzelnen Wellen hat eine eigene Frequenz und eigene Spannungspegel. Setzt man diese jetzt in ein Diagramm, erhält man folgendes Bild:

Abbildung 9: Frequenzspektrum des Bussignals

Dieses Bild zeigt recht schön das Spektrum des Beispiel-Bus-Signals um die Grundfrequenz in der Mitte herum. Zeichnet man hier eine Hull-Kurve ein, sieht man recht schönen einen Frequenzbereich in dem das Bussignal arbeitet. Und diese Frequenzen sind es dann auch, in denen sich das Magnetfeld um die Leiter vom Bus ändert.

Glossar

EMV Elektro-Magnetische-Verträglichkeit
RGB Rot-Grün-Blau (Additive Farbmischung)
Übliche verwendete LED-Farben mit der möglichst viele Farben gemixt werden können
Tetra-Funk Digitaler Behördenfunk. Wird als Nachfolger des analogen
Funksystems mit 2m und 4m Wellenlänge gesehen
USB

Universal Serial Bus; Allzweckbus zum Anschluss von Peripheriegeräten

PWM Pulsweitenmodulation; Ansteuerung bei dem z.B. die Leistung
über eine pulsweise Ansteuerung gesteuert wird.
Tastverhältnis Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltzeit bei PWM
WLAN Wireless Local Area Network

PCIe

Peripheral Component Interconnect Express; High-Speed-Bus
Wird häufig in 16-facher Ausführung zur Anbindung von Grafikkarten verwendet
Aktiv-Lautsprecher Lautsprecher mit integriertem (normalerweise) analogen Verstärker
Oszi Abkürzung für Oszilloskope;
Ein Gerät das den Verlauf von Spannungen misst und optisch darstellen kann.