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E-Book

EMV für Geräteentwickler und Systemintegratoren

AutorKarl-Heinz Gonschorek
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2006
Seitenanzahl498 Seiten
ISBN9783540282976
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis40,00 EUR

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.



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.

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Leseprobe

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.

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis5
1 Motivation und Übersicht11
1.1 Zu den im Buch aufgeführten Programmen15
1.2 Zu den Abbildungen des Buches15
2 Das Denken in Spannungen, Strömen, Feldern und Impedanzen17
3 Elektrische Felder27
3.1 Wirkung elektrischer Felder und ihre Berechnung29
4 Magnetische Felder37
4.1 Wirkung magnetischer Felder37
4.2 Berechnung der magnetischen Feldstärke von Ein- und39
4.3 Magnetfelder von Geofoltrafos41
4.4 Magnetische Streufelder beliebiger Anordnungen dünner Drähte42
4.4.1 Magnetfeld einer Vierleiteranordnung43
4.4.2 Magnetfeld eines verdrillten Kabels44
4.4.3 Beispiel für die Berechnung mit dem mitgelieferten Programm46
4.4.4 Besonderheiten von Magnetfeldern verdrillter Kabel48
5 Elektromagnetische Felder51
5.1 Wirkung elektromagnetischer Felder55
5.2 Die Elementardipole59
5.2.1 Abstandsumrechnung66
5.2.2 Die Feldwellenwiderstände70
5.3 Effektive Höhe, wirksame Fläche und Strahlungswiderstand72
5.4 Feldstärkeabschätzungen für Flächenantennen79
5.4.1 Leistungsdichte und elektrische Feldstärke im Fernfeld80
5.4.2 Leistungsdichte und elektrische Feldstärke im Nahfeld81
5.4.3 Quellcode des Programms APERTUR83
6 Das Beeinflussungsmodell85
6.1 Galvanische Kopplung92
6.1.1 Maßnahmen gegen eine galvanische Beeinflussung bzw.94
6.2 Kapazitive Kopplung96
6.2.1 Maßnahmen zur Verringerung der kapazitiven Kopplung98
6.3 Induktive Kopplung100
6.3.1 Magnetische Entkopplung102
6.3.2 Definition einer effektiven Gegeninduktivität für103
6.3.3 Maßnahmen zur Verringerung der induktiven Kopplung106
6.4 Elektromagnetische Kopplung108
6.4.1 Maßnahmen zur Verringerung der elektromagnetischen109
6.4.2 Das110
6.4.3 Zur Abschätzung der elektromagnetischen Kopplung113
7 Intrasystemmaßnahmen121
7.1 Allgemeines zur Massung, Schirmung, Verkabelung und Filterung123
7.1.1 Massung123
7.1.2 Schirmung124
7.1.3 Verkabelung126
7.1.4 Filterung129
7.2 Schirmung gegen elektrische Felder – Gitterschirme138
7.3 Schirmung gegen Magnetfelder140
7.3.1 Schirmung gegen magnetische Gleichfelder140
7.3.2 Schirmung gegen mittelfrequente magnetische Felder147
7.3.3 Zwei Parallele Platten gegen magnetische Wechselfelder147
7.3.4 Hohlkugel gegen Magnetfelder148
7.3.5 Hohlzylinder im magnetischen Querfeld148
7.3.6 Hohlzylinder im magnetischen Längsfeld149
7.4 Schirmung nach Schelkunoff – kurz und knapp151
7.5 Leckagen, Durchgriffe, Hohlraumresonanzen170
7.5.1 Leckagen, Durchgriffe172
7.5.2 Niederfrequente Resonanzen Hohlraumresonanzen179
7.6 Kabelkopplung und Kabeltransferimpedanz183
7.6.1 Kabelkopplung184
7.6.2 Einkopplung in verdrillte und unverdrillte Zweileiter hinein186
7.6.3 Ein- und Überkopplung bei geschirmten Leitungen188
7.6.3.1 Berechnung der Einkopplung188
7.6.3.2 Auskopplung aus einem Koaxialkabel heraus202
7.6.3.3 Beispiel für eine Impulsüberkopplung202
7.6.3.4 Kabeltransferimpedanz203
7.6.4 Kabelschirmauflegung am Geräteeingang210
8 Natürliche Rauschquellen, elektromagnetische Umwelt und Grenzwerte215
8.1 Natürliche Rauschquellen, elektromagnetische Umwelt216
8.2 Umrechnung von Grenzwerten227
8.2.1 Abstandsumrechnung227
8.2.2 Umrechnung E -> H und H ->E229
9 EMV-Planung und Analysen235
9.1 Entstehungsphasen eines komplexen Systems237
9.1.1 Konzeptphase237
9.1.2 Definitionsphase238
9.1.3 Konstruktions- und Bauphase240
9.2 EMV- Prüfplanung242
9.3 Durchführung von Analysen250
10 Numerische Verfahren zur Feldberechnung255
10.1 Zur Auswahl des geeigneten Verfahrens257
10.2 Plausibilitätskontrollen263
10.3 Analysebeispiele273
10.3.1 Resonanzuntersuchungen an einem PKW273
10.3.2 Einfluss des Dielektrikums auf die Abstrahlung von einer275
10.3.3 Abstrahlungen von einem Mobiltelefon275
10.3.4 Elektromagnetisches Feld auf einer Fregatte276
10.4 Hinweise zum Einsatz numerischer Verfahren278
10.5 Anwendung: Antennenkopplung283
10.5.1 Allgemeines zur N-Tor-Theorie283
10.5.2 Zweitorparameter284
10.5.3 Berechnung einer Antennenkopplung286
10.5.4 Quellcode des Programms ANPASS291
11 Modellierung und Bewertung von Störfestigkeitsnachweisen293
11.1 Standardisierte Störfestigkeitsnachweise294
11.2 Statistische Modellierung der Störfestigkeit296
11.2.1 Störwahrscheinlichkeit297
11.2.2 Störverhaltensfunktion300
11.2.3 Interpretation von Störfestigkeitsnachweisen303
11.3 Zeitvariante Störfestigkeit304
11.3.1 Modellierung305
11.3.2 Verhalten von Mikroprozessorschaltungen310
A1 Elektrische Felder von Stabanordnungen313
A1.1 Potentialkoeffizienten und Teilkapazitäten314
A1.2 Potentiale, elektrische Feldstärken und Teilkapazitäten315
A1.2.1 Quellcode des Programms HLEITER321
A1.3 Potentiale, elektrische Feldstärken und Teilkapazitäten von325
A1.3.1 Quellcode des Programms VSTAB330
A2 Magnetische Streufelder335
A2.1 Streufeldarme Verlegung335
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 Rückleitern337
A2.1.4 Verlegung von Hin- und Rückleiter über einer Massefläche338
A2.1.5 Verwendung von vier Hin- und vier Rückleitern339
A2.2 Rechenprogramm zur Bestimmung magnetischer Streufelder340
A2.2.1 Feld eines endlich langen Drahtes340
A2.2.2 Feld einer einlagigen Spule342
A2.2.3 Berücksichtigung von Phasenbeziehungen346
A2.2.4 Quellcode des Programms SFELD348
A3 Eigen- und Gegeninduktivitäten369
A3.1 Gegeninduktivität zwischen einem endlich langen Leiter369
A3.2 Zerlegung einer durch Geraden begrenzten Fläche in der xy-371
A3.3 Behandlung von beliebigen Leiterschleifen im Raum373
A3.4 Gegeninduktivität zwischen 2 Kreisschleifen mit seitlicher375
A3.5 Quellcode des Programms GEGEN377
A4 Elementardipole391
A4.1 Hertzscher Dipol391
A4.2 Stromschleife (Rahmenantenne)396
A4.3 Gegenüberstellung der Wellenimpedanzen402
A5 Die Polarisationsellipse403
A5.1 Zweidimensionaler Fall (E404
A5.2 Dreidimensionaler Fall – Lösungen im Zeitbereich406
A5.3 Dreidimensionaler Fall – Lösungen im Bildbereich416
A6 Skineffekt und Schirmungstheorie von Schelkunoff419
A6.1 Skineffekt beim leitfähigen Halbraum419
A6.1.1 Starker Skineffekt421
A6.1.2 Schwacher Skineffekt421
A6.2 Schirmungstheorie nach Schelkunoff422
A6.2.1 Einleitung422
A6.2.2 Notwendige Gleichungen422
A6.2.3 Schirmungsmechanismus423
A6.2.4 Schirmdämpfung425
A6.2.5 Einfache Anwendung von Schelkunoff’s Theorie426
A6.2.7 Fehlerbetrachtungen432
A6.2.8 Zusammenfassung433
A7 Muster einer EMV- Designrichtlinie für Systeme435
A7.1 Massung, Erdung435
A7.2 Systemfilterung437
A7.3 Schirmung437
A7.4 Verkabelung438
A8 25 Regeln für den EMV-gerechten Platinen- und Geräteaufbau443
A9 Einfache Bestimmung von Kabeltransferimpedanzen451
A9.1 Bestimmung des Spannungsverhältnisses mit einem Oszilloskop455
A9.2 Bestimmung des Verhältnisses mit einem Netzwerkanalysator457
A10 Kapazitäten und Induktivitäten einiger grundsätzlicher Anordnungen463
1. Ebene / Ebene463
2. Geschichtetes Dielektikum463
3. Konzentrische Kugeln463
4. Kugel / Ebene464
5. Kugel / Kugel - Kugelfunkenstrecke464
6. Konzentrische Zylinder464
7. Elliptisches Kabel464
8. Geschichtetes Dielektrikum im Zylinderkondensator464
9. Exzentrische Zylinder mit 2 Achsen465
10. Zweileiterkabel465
11. Zylindrischer Leiter / Ebene465
12. Zwei parallele Bandleiter465
13. Vertikalantenne466
14. Horizontalantenne466
15. Zwei parallele Drähte begrenzter Länge466
16. Parallele Kreiszylinder466
17. Zwei Leiter gegen eine Ebene467
18. Leiter gegen zwei Ebenen467
19. Zwei hintereinanderliegende gerade Leiter467
20. Ringspule468
21. Drehstromkabel468
22. Zylinderspule468
23. Zwei parallele Leiterbahnen oberhalb eines Trägermaterials468
24. Zwei parallele Leiterbahnen, oberhalb und unterhalb eines Trägermaterials469
25. Leiterbahn oberhalb einer Masseebene469
A11 Berichte von elektromagnetischen Unverträglichkeiten471
A12 Lösungen der Aufgaben475
A13 Physikalische Konstanten und Umrechnungsbeziehungen493
A13.1 Physikalische Größen und Konstanten493
A13.2 Umrechnungstabelle Druck494
A13.3 Umrechnungstabelle Energie495
A13.4 Umrechnung für elektrische und magnetische Größen495
A13.5 Umrechnung logarithmischer Größen496
A13.6 Abkürzungen497
A14 Literaturverzeichnis499
14.1 Literatur zum Kapitel 11502
Sachverzeichnis503
A503
B503
C503
D503
E503
F504
G504
H504
I504
K504
L504
M505
N505
O505
P505
S505
T506
U506
Vv506
W507
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