Optimierung von EMV-Sperrimpedanzen für Kurzwelle

27.02.2010 Distrikt Ruhrgebiet / Referat für EMV/EMVUDJ7UA Dr. Mario Perkuhn

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Optimierung von EMV-Sperrimpedanzenfür Kurzwelle

Beitrag zur 19. EMV-Tagung in Bebra am 27. und 28. Februar 2010


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Inhalt

1. Aufgabe der Sperrimpedanz2. Fallstricke in der Praxis3. Das Impedanzniveau4. HF-Stromzange 5. Impedanzmessung6. Eigenschaften von Sperrimpedanzen7. Abschätzung von Aufwand und Effekt8. Messergebnisse 9. Beispielanwendungen Mantelwellensperre10.Zum Abschluss


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Inhalt

1. Aufgabe der Sperrimpedanz2. Fallstricke in der Praxis3. Das Impedanzniveau4. HF-Stromzange 5. Impedanzmessung6. Eigenschaften von Sperrimpedanzen7. Abschätzung von Aufwand und Effekt8. Messergebnisse 9. Beispielanwendungen Mantelwellensperre 10.Zum Abschluss


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Die Verkopplung zwischen der von der Funkstation erzeugten Leistung mit der beeinträchtigten Einrichtung führt zu Einströmungen, deren Intensität höher ist als die vorhandene EMV-Festigkeit.

Problemstellung


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Der in das beeinträchtigte Gerät eingekoppelte Strom soll dadurch verringert werden, dass eine zusätzlich eingefügte Impedanz den Strompfad hochohmig macht.

(Unterdrückung Gleichtaktwelle).

Zur Berechnung des Effektes findet man in der Literatur die Beschreibung dieser Wirkung als Einfügungsdämpfung.

Übliche Lösungsstrategie: Verdrosselung

Quelle:www.eue24.net/pi/index.php?StoryID=253&articleID=7887


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Inhalt

1. Aufgabe der Sperrimpedanz2. Fallstricke in der Praxis3. Das Impedanzniveau4. HF-Stromzange 5. Impedanzmessung6. Eigenschaften von Sperrimpedanzen7. Abschätzung von Aufwand und Effekt8. Messergebnisse 9. Beispielanwendungen Mantelwellensperre 10.Zum Abschluss


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Effektivität

•Problem behoben, Funktion einwandfrei – der Idealfall

•Problem verringert – der Effekt reicht nicht aus

•Keine Veränderung – kein oder zu geringer Effekt

•Verschlechterung eingetreten – der Gau schlechthin

Akzeptanz

•Maßnahme wird nicht als Beeinträchtigung gesehen

•Maßnahme ist nicht schön, wird aber toleriert

•Maßnahme wird nicht akzeptiert, Rückbau

Aufwand

•Maßnahme finanziell tragbar

•Maßnahme ist teuer, aber lohnenswert

•Maßnahme ist zu aufwändig im Hinblick auf den Nutzeffekt

Die Bandbreite der möglichen Ergebnisse ist groß

zu dickes Kabel

zu wenig

Windungen

zu kleiner Kern

falscher Kern

Einfügung an

falscher Stelle

Resonanzeffekte


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•Die Sperrimpedanz soll rückbaufähig sein (Zusteckteil o. ä.)

•Keine Eingriffe ins Gerät

•Ästhetisch ansprechende Bauform

•Kosten möglichst so niedrig halten

•Ausreichende Wirksamkeit mit einigen dB Reserve

•Keine Beeinträchtigung der Funktion

Klein, leicht, billig, harmlos, hochwirksam….

Wie soll das gehen?

Anforderungsprofil


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Inhalt



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Angaben zur Dämpfungswirkung

Das Impedanzniveau…

…bezieht sich üblicherweise auf 50 Ohm!

Aber ist das so?

Quelle: Homepage DARC-Verlag


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Messungen im häuslichen Bereich

Das Impedanzniveau liegt meist über 50 Ohm.Was bedeutet das für die Dämpfung?

Messort

Frequenz [MHz]

LS_K

abel

TV_7

5Ohm

RG59

_TRX

LAN-

Kabe

l28

,014

,07,0

3,7

1,8

28,0

14,07,

03,

71,

828

,014

,07,0

3,7

1,8

28,0

14,07,

03,

71,

8

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

Z [O

hm]

Impedanzniveaus für Kabelverbindungen (Gleichtaktwelle)eigene Messungen mit RF-1

Messung zwischen den Kontakten der aufgetrennten Leitungen:

1. 30m LAN-Kabel gegen PC-Masse

2. Abschirmung RG59-Antennenkabel am BNC-Stecker gegen Stationsmasse TS50S

3. Abschirmung 75-Ohm-TV-Kabel für DVBT-Dachantenne gegen TV-Masse

4. 15m Lautsprecher-kabel im Wohnzimmer gegen Verstärkermasse


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Zusammenhang Dämpfung/Impedanzniveau

ModellvorstellungG ist die EMV-SpannungsquelleZ1: Generatorinnenwiderstand (Impedanzniveau) für Gleichtaktwelle auf betreffendem KabelZ2: Impedanz der SenkeZx: Impedanz der eingefügten Sperre

Dämpfung [dB]= 20*log(I1/I2)=20*log((Z1+Z2+Zx)/(Z1+Z2))

Für Z1,Zx>>Z2 vereinfacht sich das zu: Dämpfung [dB]=20*log((Z1+Zx)/Z1)Bei hoher Sperrwirkung gilt zusätzlich näherungsweise Zx>>Z1. Das ergibt:

Dämpfung [dB] ≈ 20*log(Zx/Z1)

I1: EMV-HF-Strom ohne Zx

I2: EMV-HF-Strom mit Zx

Sperrimpedanz


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Vergleich Dämpfung bei 50 und 500 Ohm

Dämpfung [dB] ≈ 20*log(Zx/Z1)für Zx>>Z1

406050000

20405000

620500

Z1=500 OhmZ1=50 OhmZx [Ohm]

Dämpfung [dB] für

Beispielrechnung:

Der Wert einer EMV-Einströmung soll auf 1% des angetroffenen Niveaus ohne Sperrimpedanz reduziert werden. Das entspricht -40 dB. Für ein Impedanzniveau von 50 Ohm genügen dazu ca. 5000 Ohm Sperrimpedanz.

Für ein Impedanzniveau von 500 Ohm benötigen wir aber bereits 50 kOhm, denn die 40 dB aus dem Datenblatt gelten ja nur für die 50 Ohm-Welt! Eine mit 40 dB Dämpfung angegebeneDrossel würde den EMV-Strom nur um 20 dB, also nur auf 10% statt auf 1% reduzieren.

50 kOhm oder mehr - Geht das überhaupt und wie hoch ist der Aufwand? Mehr dazu später.


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Inhalt



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Strategie bei Einströmungsproblemen

•Lokalisieren der (HF-) stromführenden Leitungen durch Abziehen der Kabel(Suche nach dem Hauptübeltäter)

•Vermindern der HF-Ströme durch sternförmige Erdung, Vermeidung Netzschleifen

•Messung des HF-Stromes auf der identifizierten Leitung und Ermittlung des kritischen Pegels, ab dem das Problem auftritt

•Abschätzung der benötigten Dämpfung (max. Betriebsleistung gegenüber kritischem Pegel plus Reserve)

•Vermindern der HF-Ströme durch entsprechend ausreichend hohe Sperrimpedanz

•Nachmessung bei voller Sendeleistung, ob genügend Reservedämpfung da ist

Ohne HF-Messung auf der kritischen Leitung ist es ein Blindflug!


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HF-Strommesszange für unter 10 €

Aufbau und Wirkungsweise:Ein Ferrit-Klappkern ist das Kernmaterial für einen Stromtransformator. Die umschlossene Leitung ist die Primärwicklung, die Spule mit 17 Windungen die Sekundärseite. Eine Plastik-Leimzwinge aus dem Baumarkt dient als Halter. Durch die 270II270=135 Ohm fließt also 1/17 des Leiterstroms.Die Diode arbeitet als Spitzenwertgleichrichter. Wegen der hochohmigen Spannungsmessung mit einem Digitalvoltmeter ist die Messung trotz Diodenkennlinie ausreichend linear.


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Inhalt

1. Aufgabe der Sperrimpedanz2. Fallstricke in der Praxis3. Das Impedanzniveau4. HF-Stromzange5. Impedanzmessung6. Eigenschaften von Sperrimpedanzen7. Abschätzung von Aufwand und Effekt8. Messergebnisse 9. Beispielanwendungen Mantelwellensperre


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Praxis Impedanzmessung (Teil 1)

Drossel aus DimmerNur für tiefste Frequenzen geeignet,

keine Resonanz,

minVNA kann hohen Z-Wert nicht berechnen

Klappkern mit 11 WdgL=140 μH, f=?, Q=7,5

Messung nicht aussagekräftig

Widerstand 100 Ohm(natürlich) kein Problem für den RF ANALYST

aber bei hohen Impedanzen ungenau


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Zeilentrafokern N27, 24 WdgNur bis 3,8 MHz brauchbar, Messung oberhalb

unsicher wegen mangelnder Dynamik (kapazitive Kopplung Messanschlüsse), keine Resonanz

Klappkern mit 8 Wdg Teflon RG179für 1,8 MHz zu niederohmig, oberhalb 7 MHz Resonaz


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Mein Favorit:

Messung mit der StromzangeTestfrequenz 1,8 MHz

Prüfling hat 2000 Ohm

Bei P=100 Watt ergeben die gemessenen 0,316 Volt ≙ 0,0316A einen Impedanzwert von 2238 Ohm.

TRX an 50 Ohm

Messobjekt im Stromnebenzweig

I = 0,0316 A


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Impedanzmessung

•bei mehr als 300 Ohm ungenau•direkte Anzeige von Betrag, Phase, Real-, Imaginärteil •Sweep möglich•elegante Grafik ohne Zusatzaufwand

Mini-VNAEin-Tor-Reflexionsmessung(Antenna-Modus)

•keine Betragsmessung•Umrechnung aus L-Wert erforderlich•Messfrequenz nicht vorgebbar

•großer WertebereichRCL bridge PM 6302Messung an 2-poliger Prüfklemme

•Umrechnung DC-Volt in dB bzw. Ohm notwendig•Frequenzgang nur in Schritten messbar•keine Aussage über Real-/Imaginärteil

•extrem preiswert•vorhandener TRX als Signalgenerator nutzbar•Hoher Dynamikbereich über 60 dB

StromzangeParallelschaltung Prüfling zu Dummyload, Messung des Teilstroms mit Stromzange unter Annahme von P=100W

•Dynamikbereich maximal 50 dB,nutzbar eher nur 40 dB•Übersprechen nicht kompensierbar

•direkte Anzeige von Betrag, Phase und Dämpfung•Sweep möglich•elegante Grafik ohne Zusatzaufwand

Mini-VNAZwei-Tor-Messung (Transmission-Modus)

•max. bis 2 kOhm, ungenau•Frequenzgang nur in Schritten messbar

•direkte Anzeige von IZI•geringer Aufwand, stand alone-Lösung•portabler Einsatz mit Batteriebetrieb möglich

RF Analyst RF-1Ein-Tor-Reflexionsmessung

NachteilVorteilMessgerät /Prinzip


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Inhalt



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Eigenschaften von Sperrimpedanzen- Ferrite sind sehr unterschiedlich

Das 73er-Material eignet sich für tiefe, das 43er für mittlere und das 61er für höhere Frequenzen.

Das relativ neue 31er-Material kombiniert die guten Eigenschaften von #73 und #43.

Quelle: Fair Rite Catalog15th Edition


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Eigenschaften von Sperrimpedanzen

Eine als Ferritdrossel realisierte Spule ist ein komplexer Widerstand mit Real- und Imaginärteil. Die Permeabilität ist eine komplexe Größe. μ‘‘ ist maßgebend für die Verluste. Bei EMV-Drosseln sind Verluste erwünscht! Eine eingefügte Reaktanzkann unübersehbare Folgen haben und zu einer Verschlechterung führen.

Verluste



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Eigenschaften von Sperrimpedanzen

Die Impedanz wächst mit dem Quadrat der Windungszahl. Aber Resonanzeffekte setzen Grenzen.Für Breitbandanwendungen sind Kombinationslösungen sinnvoll. Beispiel: Kellermann-Balun. Da sind 1, 2 und 3-Windungsdrosseln in Reihe addiert.

Ohne Resonanz gilt:Verdopplung der Windungen = 6 dB(quadratischer Zuwachs)Vervierfachung der Kerne = 6 dB (linearer Zuwachs)



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Geometrie und Induktivität Ringkern

R h

r

Fläche des Ringauges: Ai = 2π r

Wir möchten eine möglichst große Ringöffnung (viele Windungen, dickes Kabel), aber auch ein möglichst großes L.

Das sind gegensätzliche Forderungen.


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Inhalt



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Abschätzung Aufwand und Effekt

Die nachfolgende Berechnung basiert auf den Angaben aus dem online-Shop von Firma Reimesch und ist nur ein Rechenbeispiel.

Analog kann man die Rechnung natürlich z. B. auch mit den Komponenten vom DARC-Verlag anwenden!

Quelle: http://www.reimesch.de


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Abschätzung Aufwand und EffektAufgabenstellung: Mantelwellensperre für RG142-Kabel mit mind. 60 dB bei 3,5 MHz

Mit hohem Materialaufwand sind Dämpfungswerte von 60 dB darstellbar.Die kostengünstigsten Varianten mit 18 bzw. 32 Windungen könnten allerdings bei 3,5 MHz bereits oberhalb der Resonanzfrequenz liegen und damit in der Praxis geringere Dämpfungen ergeben als berechnet.


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Inhalt



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Messergebnisse

Reson

a nz-M

WS 8

0-40

-30;

2*4

C6-Ke

rn, 6

Wdg

n

R80-1

5 00, 2

3 Wdg

n . umlfd

. , minC

R80-1

500, 2

*12 W

dg um

lfd.

R80-1

500, 2

*12 W

dg n.

umlfd

. , minC

MWS N

27 24 W

dg

MWS N

27 11

Wdg

MWS m

it 2 g

roß en

Bolze

n RG17

4

MWS 2

Bolze

n ca.

10 W

dg

Klapp

kern

C, 4

Wdg

Klapp

kern

C

Kern

150 0e

r DX-

Wire

Da 3

5 ,4 D

i 24,

4 H 15 ,0

Fair

Rite 2643

1019

02 #

43 RG17

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Rite 26

4310

1902

#43

Dross

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a nz

8 Wdg

n RG17

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74 27

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WE

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n 351

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01, 5

Wdg

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en 3 51

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-01,

3 Wdg

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Däm

pfun

g [d

B]1,853,707,00

10,0014,0028,50

f_[MHz]

Dämpfung vs Frequenz und Ausführung


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Inhalt

1. Aufgabe der Sperrimpedanz2. Fallstricke in der Praxis3. Das Impedanzniveau4. HF-Stromzange 5. Impedanzmessung6. Eigenschaften von Sperrimpedanzen7. Abschätzung von Aufwand und Effekt8. Messergebnisse9. Beispielanwendungen Mantelwellensperre10.Zum Abschluss


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Mantelwellensperre 160m

R80-15

00, 2

3 Wdg

n. um

lfd., minC

R80-

1500

, 2*1

2 Wdg

umlfd

.

R80-

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MWS N2

7 24 W

dg

MWS mit 2

groß

en Bo

lzen R

G174

Kern

1500

er DX

-Wire

Da 3

5,4 D

i 24,4

H 15

,0

Fair R

ite 26

4310

1902

#43

RG1

74

60

50

40

30

20

10

0

Däm

pfun

g [d

B]

Dämpfung [dB] f = 1,8 MHz

60 dB für 1,8 MHz sind nicht einfach zu erzielen.13 Windungen dünnes RG174 helfen dabei. Eine weitere Drossel mit weniger

Windungen ist als Ergänzung für die Bänder oberhalb 80m in Serie geschaltet.


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Mantelwellensperre 160 – 10m

Eine sehr gute Lösung bis 10m: 23 Windungen RG400 auf einem R80-1500 von DX-Wire in einer kapazitätsarmen Wickeltechnik, alternierend je 2 Windungen auf jeder Seite. Eingang/Ausgang liegen maximal entfernt voneinander.

28,5014,007,003,701,85

70

60

50

40

30

20

10

0

f_[MHz]

Dae

mpf

ung_

[dB]

Chart of Daempfung_[dB]

68 dB!


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Für Härtefälle: Resonanzdrosseln

EXCEL-Tabelle zur Berechnung der zu erwartenden SperrimpedanzFrequenz, Kapazität und Q werden vorgegeben, Induktivität und Resonanzwiderstand berechnet.Auch bei kleinen Güten können bei hohem L/C-Verhältnis große Impedanzen erzielt werden.


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Abstimmbare Resonanzdrossel

Mit 2 Ferroxcube 4C65-Kernen erreicht man auf 80m 76 dB. Zu höheren Frequenzen hin fällt die Güte ab. Die Streukapazitäten im Metallgehäuse setzen die obere Frequenzgrenze herab. Die BNC-Buchsensind massefrei, haben aber ca. 12 pF Restkapazität.Nachteil: Schmalbandig, Abstimmung erforderlich

10,007,003,70

80

70

60

50

40

30

20

10

0

f_[MHz]

Mea

n of

Dae

mpf

ung_

[dB]

Chart of Mean( Daempfung_[dB] )


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1. Aufgabe der Sperrimpedanz2. Fallstricke in der Praxis3. Das Impedanzniveau4. HF-Stromzange 5. Impedanzmessung6. Eigenschaften von Sperrimpedanzen7. Abschätzung von Aufwand und Effekt8. Messergebnisse9. Beispielanwendungen Mantelwellensperre10.Zum Abschluss


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HF-Stromzange light – so geht‘s auch von 80-10m

Die Einfachstversion einer HF-Strommessung:3 Windungen um einen Klappkern plus LED

Leuchtet ab ca. 20 mA HF!HF-Strom

Optimierung von EMV-Sperrimpedanzen für Kurzwelle

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