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professoren_webseiten:rebholz:emv-labor

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professoren_webseiten:rebholz:emv-labor [2026/04/22 09:03] – [Aufgabe 4] hrebholzprofessoren_webseiten:rebholz:emv-labor [2026/04/22 09:14] (aktuell) – [Aufgabe 11] hrebholz
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 ==== Spektrumanalyse ==== ==== Spektrumanalyse ====
  
-Wie Sie sicher festgestellt haben ist es sehr mühsam mit dem Oszilloskop die spektralen Anteile eines Signals zu erfassen. Das ist ja eigentlich auch nicht deren primäre Aufgabe. Oft ist es einfacher die Rohdaten der Messwerte +Wie Sie vermutlich festgestellt haben, ist es mit einem Oszilloskop relativ aufwendig, die spektralen Anteile eines Signals zu bestimmen. Dies liegt daran, dass das Oszilloskop primär ein Zeitbereichsgerät ist. Häufig ist es daher sinnvoll, die Messdaten nach Matlab zu exportieren und die Frequenzanalyse dort durchzuführen. Dabei sind jedoch verschiedene Aspekte zu beachten, wie z. B. die korrekte Skalierung, der Einfluss von Fensterfunktionen sowie weitere numerische Effekte. Zudem ist die Eingangsbandbreite des Oszilloskops in der Regel begrenzt. \\
-an Matlab zu übermitteln und die Auswertung der Signale im Frequenzbereich dann dort durchzuführen. Dabei ist allerdings auf allerhand zu achten. Zum Beispiel, dass die richtige Skalierung gewählt wird, Fehler durch Fensterfunktionen und so weiter .... +
-Je nach Oszilloskop ist vermutlich auch die Eingangsbandbreite der Geräte limitiert.\\+
  
 <WRAP center round todo 60%> <WRAP center round todo 60%>
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 </WRAP> </WRAP>
  
-Im Labor haben wir ein Oszilloskop von Rhode&Schwarz welches genau die oben beschriebenen Probleme bei der Messung behebt. Das Gerät besitzt eine sehr große Eingangsbandbreite und bietet zahlreiche Möglichkeiten +Im Labor steht ein Oszilloskop von Rohde & Schwarz zur Verfügung, das viele der genannten Einschränkungen reduziert. Es verfügt über eine hohe Eingangsbandbreite und bietet integrierte FFT-Funktionen zur komfortablen Darstellung des Frequenzspektrums.
-über eine FFT sich das Spektrum komfortabel anzeigen zu lassen. Eleganter als mit einem Oszilloskop lassen sich die Spektralanteile im Frequenzbereich mit Hilfe eines Spektrumanalysator oder Messempfänger darstellen.  +
-Das Spektrum des Eingangssignals wird dabei nicht aus dem Zeitverlauf berechnet, sondern durch Analyse direkt im Frequenzbereich ermittelt. Für eine solche Analyse ist es notwendig,das Eingangsspektrum in seine einzelnen Komponenten zu zerlegen. +
-Am Einfachsten ist die Funktion der Geräte zu erklären wenn man sich einen Bandpass vorstellt, der im Frequenzbereich über unser Spektrum hinwegläuft. Während dessen sammelt der Bandbass die vorhandenen Signalanteile auf, die dann als +
-am Ausgang des Filters abgegriffen werden können. (Siehe nachfolgende Abbildung oder, Video zu Kapitel 3 im EMV-Skript)+
  
-{{ :professoren_webseiten:rebholz:spektrumanalysator.jpg?800 |}}+Noch eleganter lassen sich spektrale Anteile mit einem Spektrumanalysator bzw. Messempfänger darstellen. Im Gegensatz zum Oszilloskop wird das Spektrum hier nicht aus dem Zeitverlauf berechnet, sondern direkt im Frequenzbereich analysiert. Dazu wird das Eingangssignal in seine Frequenzkomponenten zerlegt.
  
 +Anschaulich kann man sich dies als einen Bandpass vorstellen, der über das Frequenzspektrum „wandert“. Während dieses Durchlaufs erfasst der Bandpass die jeweiligen Signalanteile, die anschließend am Ausgang dargestellt werden.
  
-Folgende Parameter können bzw. müssen eingestellt werden: +{{ :professoren_webseiten:rebholz:spektrumanalysator.jpg?800 |}}
-  * **Frequenzbereich:** Der darzustellende Frequenzbereich kann durch Start- und Stopp-Frequenz, also der niedrigsten bzw. höchsten darzustellenden Frequenz, oder durch die Mittenfrequenz (Center Frequency) und den Darstellbereich (Span), zentriert um die Mittenfrequenz, eingestellt werden. \\+
  
-  * **Frequenzauflösung:** Bei Analysatoren die im Frequenzbereich arbeiten kann die Auflösebandbreite (Bandbreite des eingesetzten Bandbass) eingestellt werden.  (Resolution Bandwidth, RBW).+Typische Einstellparameter eines Spektrumanalysators sind:
  
-  * **Sweep-Zeit:** Die Zeit, die benötigt wird, um das gesamte interessierende Frequenzspektrum aufzunehmen, wird als Sweep-Zeit (Sweep Time) bezeichnet.+  * **Frequenzbereich:** Festlegung über Start- und Stoppfrequenz oder alternativ über Mittenfrequenz (Center Frequency) und Span. 
 +   
 +  * **Frequenzauflösung:** Bestimmt durch die Auflösebandbreite (Resolution Bandwidth, RBW), also die Bandbreite des eingesetzten Bandpasses. 
 +   
 +  * **Sweep-Zeit:** Zeit, die benötigt wird, um das gesamte Frequenzspektrum zu erfassen. 
 +   
 +  * **Pegeldarstellbereich:** Definiert über den Referenzpegel (Reference Level) und den darzustellenden Dynamikbereich.
  
-  * **Pegeldarstellbereich:** Die Einstellung erfolgt über den maximal darzustellenden Pegel, den sog. Referenzpegel (Reference Level), und den Darstellbereich. +Diese Parameter sind voneinander abhängig. Beispielsweise beeinflussen der gewählte Frequenzbereich und die Auflösebandbreite direkt die notwendige Sweep-Zeit. \\
  
 +Die Vorstellung eines über das Spektrum wandernden Bandpasses ist didaktisch hilfreich, aber technisch nur eingeschränkt realisierbar. In der Praxis wird daher ein anderes Verfahren verwendet: Der Bandpass bleibt auf einer festen Zwischenfrequenz, während das Eingangssignal durch Mischen mit einem variablen Oszillator in diesen Frequenzbereich verschoben wird.
 +
 +Dabei wird das Eingangssignal mit einem Sinussignal eines variablen Oszillators multipliziert, sodass seine Frequenzanteile gezielt in das Durchlassband des festen Bandpasses verschoben werden.
  
-Die Parameter sind nicht unabhängig voneinander. So hat zum Beispiel der betrachtete Frequenzbereich und die Auflösebandbreite natürlich Einfluss darauf wie lange es dauert bis der Bandbass den gesamten Frequenzbereich erfasst hat, also auf die Sweep-Time. \\ 
-Die Vorstellung, dass ein Bandpass über das 
-Frequenzspektrum geschoben wird ist eine gute Möglichkeit sich die Funktion der Geräte herzuleiten. Allerdings ist so ein Bandpass über einen großen Frequenzbereich in der Realität nur sehr schwer realisierbar. In Wirklichkeit lässt man den Bandpass einfach bei einer festen Frequenz stehen, der sogenannten 
-Zwischenfrequenz, und schiebt das betrachtete Signal durch den Bandpass. Mit der konstanten Bandbreite und Mittenfrequenz des Bandpass lässt sich dieser sehr exakt und stabil aufbauen. Variable Oszillatoren bzw. Sinusförmige Quellen lassen sich hingegen einfacher aufbauen. Über einen Mischer wird das Eingangssignal mit dem 
-Signal es variablen Oszillators multipliziert und damit in das Fenster unseres Bandbpass geschoben.  
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:heterodyn.jpg?800 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:heterodyn.jpg?800 |}}
  
-Dieses Verfahren wird auch Überlagerungsprinzip oder [[https://en.wikipedia.org/wiki/Heterodyne|Heterodyn-Prinzip]] bezeichnet. Weitere Informationen findet man zum Beispiel als Application Note von Rohde&Schwarz "Messen mit modernen +Dieses Verfahren wird als Überlagerungsprinzip bzw. Heterodyn-Prinzip bezeichnet.
-Spektrumanalysatoren" oder wenn man nach "Grundlagen der Spektrumanalyse" googelt findet man das Buch von Christoph Rauscher als pdf welches einen guten Überblick zu den Messverfahren gibt.+
  
- +Weiterführende Informationen finden sich beispielsweise in der Application Note von Rohde & Schwarz „Messen mit modernen Spektrumanalysatoren“ oder in einschlägiger Literatur wie „Grundlagen der Spektrumanalyse“ von Christoph Rauscher. 
-==== Achtung, 50Ω ====+==== Achtung, 50 Ω ====
  
 {{:professoren_webseiten:rebholz:warnung_eingang.jpg?100 |}} {{:professoren_webseiten:rebholz:warnung_eingang.jpg?100 |}}
-Bevor wir uns den Spektrumanalysatoren nähern, müssen wir uns die Eingangsbeschaltung anschauen. Um Reflexionen und Fehlanpassungen am Leitungsende zu vermeiden (siehe, letzte Aufgabe) sind die Eingänge 
-der Messgeräte typischerweise mit 50Ω terminiert. Das kommt daher, dass Koaxialleiter in der Messtechnik einen Wellenwiderstand von 50Ω aufweisen. In der Rundfunk und Fernsehtechnik sind 75Ω Systeme im Einsatz. 
-Für einen Wechsel der Impedanzen sind von den Herstellern Anpassnetzwerke verfügbar. Wichtiger als die Eingangsimpedanz sind allerdings die weiteren Angaben auf der Warntafel. **0V DC** bedeutet, dass keine Gleichspannung 
-an das Messgerät angelegt werden darf. Wozu auch, der Gleichspannungsanteil bzw. die Amplitude für f = 0Hz interessiert uns in der EMV nie. Eine Gleichspannung würde die Eingangsbeschaltung vermutlich sehr schnell zerstören.  
-Daher keinesfalls den Funktionsgenerator direkt mit dem Analysator verbinden. Die Warntafel deutet mit //DC Coupled// weiter darauf hin, dass keine Schutz gegenüber Gleichströmen bzw. ein Hochpassfilter implementiert ist. 
-Das ist unsere Aufgabe. Generell gilt, falls Sie sich nicht sicher sind lieber einen sogenannten DC-Block verwenden. Das ist einfach ein Kondensator in Serienschaltung als Hochpassfilter. Er verhindert, dass ein Gleichstrom 
-fließen kann.\\ 
-Die letzte Angabe auf dem Warnschild zeigt uns an wie viel Leistung der 50Ω Abschlusswiderstand aufnehmen kann. Ganz EMV-Typisch natürlich in dBm angegeben. Aus der maximalen Leistungsangabe von +30dBm können wir berechnen, welchen maximalen 
-Spannungspegel wir an die Eingangsbeschaltung anlegen dürfen ohne diese zu schädigen. Nachfolgende Herleitung hilft uns diesen Wert in Abhängigkeit der Spannungsamplitude zu berechnen. \\ 
-\\ 
-{{ :professoren_webseiten:rebholz:umax_pmax.jpg?800 |}} 
  
-Wie gezeigt und vermutet ist dieser Wert abhängig von der Kurvenform. Da die Messgeräte sehr teuer sind sollte es allerdings niemals unser Ziel sein den Eingangsspannungsbereich voll auszureizen. Meist haben die Geräte eine derart hohe +Bevor wir mit Spektrumanalysatoren arbeiten, betrachten wir zunächst die Eingangsbeschaltung. Um Reflexionen und Fehlanpassungen am Leitungsende zu vermeiden (siehe letzte Aufgabe), sind die Eingänge von Messgeräten typischerweise mit 50 Ω terminiert. Dies liegt daran, dass Koaxialleitungen in der Messtechnik üblicherweise einen Wellenwiderstand von 50 Ω besitzen. In der Rundfunk- und Fernsehtechnik werden hingegen häufig 75-Ω-Systeme verwendet. Für den Übergang zwischen unterschiedlichen Impedanzen stehen entsprechende Anpassnetzwerke zur Verfügung. 
-Dynamik (Pegelauflösung) damit wir ohne Sorge ein sogenanntes [[https://de.wikipedia.org/wiki/D%C3%A4mpfungsglied|Dämpfungsglied]] z.B. 10dB oder 20dB einsetzen können.+ 
 +Neben der Eingangsimpedanz sind die weiteren Angaben auf dem Warnschild besonders wichtig. Die Kennzeichnung **0 V DC** bedeutet, dass keine Gleichspannung an den Eingang des Messgeräts angelegt werden darf. In der EMV ist der Gleichanteil (f = 0 Hz) in der Regel nicht von Interesse. Eine angelegte Gleichspannung kann die Eingangsstufe des Geräts beschädigen. 
 + 
 +Der Hinweis **DC Coupled** zeigt, dass der Eingang keine interne Gleichstromsperre (z. B. keinen Hochpass) besitzt. Das bedeutet, dass ein Schutz gegen Gleichspannungsanteile nicht integriert ist – dieser muss extern realisiert werden. Daher gilt: Im Zweifel sollte immer ein sogenannter DC-Block verwendet werden. Dabei handelt es sich um einen in Serie geschalteten Kondensator, der als Hochpass wirkt und Gleichstromanteile unterdrückt. \\ 
 + 
 +Die letzte Angabe auf dem Warnschild beschreibt die maximal zulässige Eingangsleistung des 50-Ω-Abschlusswiderstands, üblicherweise angegeben in dBm. Aus dieser maximalen Leistung (z. B. +30 dBm) lässt sich die maximal zulässige Eingangsspannung berechnen, ohne das Gerät zu beschädigen. 
 + 
 +{{ :professoren_webseiten:rebholz:umax_pmax.jpg?800 |}}
  
 +Wie ersichtlich, hängt dieser Grenzwert von der Signalform ab. Da Messgeräte dieser Klasse sehr kostenintensiv sind, sollte der maximale Eingangsbereich jedoch niemals ausgereizt werden. In der Praxis verfügen die Geräte über eine hohe Dynamik, sodass problemlos Dämpfungsglieder (z. B. 10 dB oder 20 dB) eingesetzt werden können, um den Eingangspegel sicher zu reduzieren.
 ==== Aufgabe 5 ==== ==== Aufgabe 5 ====
  
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 ==== Was liegt wohl alles in der Luft? ==== ==== Was liegt wohl alles in der Luft? ====
  
-Um die Messgeräte besser kennenzulernen ermitteln wir mit Hilfe einer Antenne und dem Spektrumanalysator die empfangbaren Rundfunk oder Mobilfunkfrequenzen. Verbinden Sie dazu im ersten Schritt die Antenne  +Um die Messgeräte besser kennenzulernen, ermitteln wir mit Hilfe einer Antenne und eines Spektrumanalysators die empfangbaren Rundfunk- und Mobilfunkfrequenzen. Verbinden Sie dazu im ersten Schritt die Antenne mit dem Messgerät und überlegen Sie, welchen Frequenzbereich Sie analysieren möchten.
-mit dem Messgerät. Überlegen Sie sich welchen Frequenzbereich Sie analysieren möchten.+
  
 === Klickanleitung === === Klickanleitung ===
  
-Diese Anleitung soll eine kurze Einführung in Einstellung und Messung mit dem Spektrumanalysator / Messempfänger geben. Ziel ist es mit einer Antenne Radiofrequenzen zu erfassen. Zuerst wird überprüft ob der Spektralanalysator im richtigen Modus arbeitet.  +Diese Anleitung dient als kurze Einführung in die Einstellung und Messung mit dem Spektrumanalysator bzw. Messempfänger. Ziel ist es, mit einer Antenne Funkfrequenzen zu erfassen. Zunächst wird überprüft, ob sich das Gerät im richtigen Betriebsmodus befindet.
-{{ :professoren_webseiten:rebholz:klick_1-7_2.jpg?800 |}}+
  
-  - Dazu wird der Button **"Mode"** gedrückt und die Option **"Spectrum Analyzer"** eingestellt. +{{ :professoren_webseiten:rebholz:klick_1-7_2.jpg?800 |}}
-  - Daraufhin sollte mit dem Button **"FREQ Channel"** das Frequenz Menü geöffnet werden. Dort sind die Optionen für das Einstellen der Start- und Stop-Frequenzen zu finden. Damit wird das Frequenzband eingestellt welches überwacht werden soll. Die Einstellung erfolgt mithilfe der Nummern Tasten.  +
-  - Im nächsten Schritt muss die Brandbreite eingestellt werden mit welcher der Frequenzbereich durchgegangen wird. Dazu muss das Menü **"BW"** mit der Taste **"BW"** aufgerufen werden. Um die Radiofrequenzen zu erfassen, wurde die **"Res. BW"** auf 100kHz eingestellt. +
-  - Nun kann im Marker Bereich der Button **"Peak Search"** angewählt werden. Damit platziert das Messgerät einen Marker an einem der Peaks im Frequenzbereich. Dieser Marker kann entweder mit dem  Stellrad oder mit der Option **"Next Pk Right/Left"** an einen weiteren Peak rechts bzw. links von dem bisherigen verschoben werden. Da es in dem Beispiel ein Radiosignal zu erfassen gilt, wird der Marker auf eine bekannte Radiofrequenz eingestellt. +
-  - Als Nächstes muss das gewählte Radiosignal demoduliert werden. Dazu wird in des Messungsmenü mit dem Button **"Meas Setup"** gewechselt. Um die Option der Demodulierung zu finden, muss mit der **"More"** Option die zweite Seite des Menüs geöffnet werden. Nun wird **"AnalogDemod Tune&Listen"** ausgewählt. +
-  - Daraufhin muss noch die Art der Demodulation gewählt werden. Um Radio zu hören wird die Demodulation **"FM"** gewählt. +
-  - Nun sollte das Messgerät einen Ton ausgeben. Mit den Lautsprechertasten unterhalb der Anzeige kann die Lautstärke eingestellt werden. Damit ist nun das Beispiel abgeschlossen. +
  
 +  - Drücken Sie den Button **"Mode"** und wählen Sie die Option **"Spectrum Analyzer"**.
 +  - Öffnen Sie anschließend mit dem Button **"FREQ Channel"** das Frequenzmenü. Dort können Start- und Stoppfrequenz eingestellt werden, um den gewünschten Frequenzbereich festzulegen. Die Eingabe erfolgt über die numerischen Tasten.
 +  - Im nächsten Schritt wird die Auflösebandbreite eingestellt. Öffnen Sie dazu das Menü **"BW"** über die entsprechende Taste. Für die Erfassung von Radiosignalen wird beispielsweise eine **Resolution Bandwidth (Res. BW)** von 100 kHz gewählt.
 +  - Aktivieren Sie im Marker-Menü die Funktion **"Peak Search"**. Das Gerät setzt automatisch einen Marker auf ein Maximum im Spektrum. Mit dem Drehregler oder den Funktionen **"Next Pk Right/Left"** kann zwischen weiteren Peaks navigiert werden. Für dieses Beispiel wird ein bekannter Radiosender ausgewählt.
 +  - Im nächsten Schritt erfolgt die Demodulation des Signals. Wechseln Sie dazu mit dem Button **"Meas Setup"** in das Messmenü. Über **"More"** gelangen Sie zur zweiten Menüseite und wählen dort **"Analog Demod Tune & Listen"**.
 +  - Wählen Sie anschließend die Demodulationsart **"FM"**, um Radiosignale hörbar zu machen.
 +  - Das Messgerät sollte nun ein Audiosignal ausgeben. Die Lautstärke kann über die entsprechenden Tasten unterhalb der Anzeige eingestellt werden.
  
-In vielen Fällen will man mit dem Messgerät jedoch etwas auf Störeinkopplungen bzw. Aussendungen überprüfen. Besonders auf das Einhalten der EMV-Normen wird Wert gelegt. Dankenswerter Weise sind bestimme EMV-Normen bereits im Messgerät eingespeichert. Damit muss man sich keine Gedanken machen um die korrekte Einstellung des Frequenzbereichs oder der Bandweite. +Damit ist die grundlegende Messung abgeschlossen.
  
-  - Um eine Voreinstellung auszuwählen muss wieder mir der Taste **"Mode"** das **"Mode Setup"** geöffnet werden. Unter **"EMC Standard"** wird nun die Art der EMV-Norm ausgewählt. Für den Laboraufbau wird sich auf die CISPR Normen bezogen. +In vielen Anwendungen wird der Spektrumanalysator jedoch zur Untersuchung von Störaussendungen und Einkopplungen eingesetzt, insbesondere zur Überprüfung der Einhaltung von EMV-Normen. Moderne Geräte bieten hierfür vordefinierte Einstellungen.
-  - Nun kann mit der Option **"CISPR Presets"** die gewollte Voreinstellung ausgewählt werden. +
  
 +  - Öffnen Sie erneut das Menü **"Mode Setup"** über die Taste **"Mode"**.
 +  - Wählen Sie unter **"EMC Standard"** die gewünschte Norm aus (z. B. CISPR).
 +  - Über **"CISPR Presets"** können passende Voreinstellungen für typische Messaufgaben geladen werden.
 ==== Aufgabe 6 ==== ==== Aufgabe 6 ====
  
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 ===== Teil 2 Tiefsetzsteller  ===== ===== Teil 2 Tiefsetzsteller  =====
 ==== Funktionsbeschreibung ==== ==== Funktionsbeschreibung ====
-Ich möchte Ihnen eine Schaltung vorstellen welche als Grundschaltung jeder Leistungselektronik angesehen werden kann und welche den zuvor eingeführten Rechteckimpuls zur Funktion benötigt. Die Rede ist vom sogenannten Tiefsetzsteller (engl. Buck-Converter). Tiefsetzsteller sind heutzutage in nahezu allen elektronischen Geräten verbaut. Sie passen die DC-Versorgungsspannung auf die jeweilige Anwendung an, zum Beispiel für Mikrocontroller, als LED-Treiber, für Displays und viele mehr. Die Ausgangsspannung ist dabei stets kleiner oder maximal gleich groß wie die Eingangsspannung.  + 
-\\: +Im Folgenden wird eine Schaltung vorgestellt, die als Grundschaltung der Leistungselektronik gilt und den zuvor eingeführten Rechteckimpuls zur Funktion nutzt: der sogenannte Tiefsetzsteller (engl. Buck Converter). 
-Dabei gilt \\ + 
-Ausgangsspannung U<sub>Aus</sub> = D∙U<sub>Ein</sub>, D x Eingangsspannung \\  +Tiefsetzsteller sind heute in nahezu allen elektronischen Geräten zu finden. Sie dienen dazu, eine vorhandene Gleichspannung an die jeweilige Anwendung anzupassen, beispielsweise für Mikrocontroller, LED-Treiber, Displays und viele weitere Systeme. Dabei gilt: Die Ausgangsspannung ist stets kleiner oder höchstens gleich der Eingangsspannung. \\ 
-D bezeichnet den sogenannten Tastgrad oder auch Duty-Cycle.  Er definiert das Verhältnis zwischen Einschaltzeit (Ton) und Periodendauer (T) eines Rechtecksignals. Ein Tastgrad von 50% entspricht dem uns bereits bekannten symmetrischen Rechtecksignal. Nachfolgende Abbildung zeigt die Rechteckimpulse bei verschiedenem Duty-Cycle oder auf deutsch für verschiedene Puls-Pausenverhaltnisse (oder auch als Tastgrad bezeichnet).+ 
 +Es gilt: 
 +U_Aus = D · U_Ein \\ 
 + 
 +D bezeichnet den Tastgrad (Duty Cycle). Er beschreibt das Verhältnis zwischen Einschaltzeit (T_on) und Periodendauer (T) eines Rechtecksignals. Ein Tastgrad von 50 % entspricht einem symmetrischen Rechtecksignal. Die folgende Abbildung zeigt Rechtecksignale für unterschiedliche Tastgrade bzw. Puls-Pausen-Verhältnisse. 
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:duty.jpg?600 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:duty.jpg?600 |}}
  
-Die Gleichung zeigt, dass sich über den Tastgrad komfortabel die Ausgangsspannung U<sub>Aus</sub> einstellen lässt. Die Hardware des Tiefsetzstellers besteht dabei aus nur wenigen Elementen, einem Schaltelement S zum Ein- und Ausschalten des Stromflusses, einer Induktivität L als Zwischenspeicher und einer Freilaufdiode D welche einen kontinuierlichen Stromfluss gewährleistet. Zur Glättung der Ausgangsspannung wird typischerweise ein Glättungskondensator am Ausgang hinzugefügt. Das Schaltelement wird mit Hilfe der Pulsweitenmodulation angesteuert und entscheidet somit über die aus der Quelle entnommene Leistung.  +Die Gleichung zeigt, dass sich die Ausgangsspannung über den Tastgrad direkt einstellen lässt. 
-Nachfolgende Abbildung zeigt den Stromfluss innerhalb der Schaltung je nach Zustand des Schaltelements. Wird der Schalter S geschlossen fließt der Strom in der großen Schleife durch die Last RL zurück in die Quelle. Da der Stromfluss durch eine Induktivität kontinuierlich sein muss fließt der Strom bei geöffnetem Schalter S durch die Freilaufdiode, die kleine Schleife im Bild in Grün dargestellt. Wir sprechen dabei davon, dass der Strom auf die Freilaufdiode kommutiert.+ 
 +Die Hardware eines Tiefsetzstellers besteht aus wenigen Komponenten: 
 +- einem Schaltelement S (z. B. Transistor), 
 +- einer Induktivität L als Energiespeicher, 
 +- einer Freilaufdiode D zur Aufrechterhaltung des Stromflusses, 
 +- sowie einem Glättungskondensator zur Reduktion der Ausgangsspannungswelligkeit. 
 + 
 +Das Schaltelement wird mittels Pulsweitenmodulation angesteuert und bestimmt damit die aus der Quelle entnommene Leistung. 
 + 
 +Die folgende Abbildung zeigt die Strompfade in Abhängigkeit vom Schaltzustand:
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:tiefsetzsteller.jpg?600 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:tiefsetzsteller.jpg?600 |}}
  
-Jetzt aber zum eigentlichen Problem. Dazu schauen wir uns den Strom durch das Schaltelement S bzw. die Batterie am Eingang genauer an. Der Eingangsstrom in den Tiefsetzsteller ist gezwungen direkt dem Schalterzustand zu folgen, also entsprechend dem Ansteuersignal. Damit übergeben wird die Rechtecksignale und deren Oberschwingungen direkt auf die Zuleitungen. Nachfolgende Abbildung zeigt ein Simulationsbeispiel aus LT-Spice mit dem dazugehörigen Eingangsstrom im Zeit- und Frequenzbereich. Die Schaltung könnte so in einer Anwendung eingesetzt werden welche in einem Fahrzeug aus einer Batterie die Versorgungsspannung für einen Mikrocontroller bereitstellt. +Ist der Schalter S geschlossen, fließt der Strom durch die Induktivität und die Last zurück zur Quelle (große Schleife). Wird der Schalter geöffnet, kann der Strom durch die Induktivität nicht abrupt abreißen. Er fließt daher über die Freilaufdiode weiter (kleine Schleife). Dieser Vorgang wird als Kommutierung auf die Freilaufdiode bezeichnet. 
 + 
 +Betrachten wir nun den Eingangsstrom des Wandlers. Dieser folgt direkt dem Schaltzustand des Schalters, also dem Rechtecksignal der Ansteuerung. Dadurch werden die Rechteckanteile einschließlich ihrer Oberschwingungen direkt in die Versorgungsleitungen eingespeist. 
 + 
 +Die folgende Abbildung zeigt ein Simulationsbeispiel aus LTspice mit dem Eingangsstrom im Zeit- und Frequenzbereich:
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:tiefsetzsteller_simulation.jpg?800 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:tiefsetzsteller_simulation.jpg?800 |}}
  
-Wie wir später sehen werden, in einer Simulation zu den leitungsgebundenen Störungen, müssen wir das Ergebnis noch als Störspannung interpretieren. Mir ist an dieser Stelle nicht wichtig einen direkten Vergleich mit dem Grenzwert herzuleiten, sondern vielmehr zu zeigen, dass jegliche Art von Elektronik welche Ströme schaltet ohne eine Filterschaltung nicht betrieben werden kann. Die in obiger Abbildung berechneten Oberschwingungen werden ansonsten auf den Versorgungsleitungen sichtbar und sich zu allen am Netz angeschlossenen Verbraucher aus. Aufgrund der hohen Elektronikdichte in modernen Kraftfahrzeugen muss hier besonders genau auf die von den einzelnen Steuergeräten generierten Emissionen geachtet werden. +In der Praxis müssen diese Stromanteile als leitungsgebundene Störungen interpretiert werden. Ohne geeignete Filtermaßnahmen würden die erzeugten Oberschwingungen über die Versorgungsleitungen in andere Systeme eingekoppelt und sich im gesamten Netz ausbreiten. 
-Die im Strom sichtbaren Oberschwingungen folgen den Oberschwingungen unseres Rechtecksignals. Eine symmetrische Anregung des Schalters (50% Duty) ohne die geradzahligen Oberschwingungen in dessen Spektrum wird auch ein Stromsignal ohne geradzahlige Oberschwingungen generieren. Da die Simulation den Schalter mit 100kHz anregt ist dies in Bild 2.15 schön zu sehen durch die hohe Dämpfung der Oberschwingungen bei 200kHz, 400kHz usw..  + 
-Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sämtliche getakteten Systeme eine unendliche Anzahl an hochfrequenten Signalen generieren. Unsere Aufgabe als EMV-Ingenieur ist es diese hochfrequenten Anteile soweit zu dämpfen, dass Sie abgesehen von deren funktionalen Eigenschaften keinen Schaden anrichten können.+Besonders in Systemen mit hoher Integrationsdichte, wie z. B. modernen Fahrzeugen, ist dies kritisch. Hier müssen die von einzelnen Komponenten erzeugten Emissionen gezielt begrenzt werden. 
 + 
 +Die im Eingangsstrom enthaltenen Oberschwingungen entsprechen den Oberschwingungen des Ansteuersignals. Bei einem symmetrischen Rechtecksignal (50 % Duty Cycle) treten keine geradzahligen Oberschwingungen auf. Entsprechend zeigt auch der Eingangsstrom keine signifikanten Anteile bei Vielfachen wie 2f, 4f usw. Dies ist in der Simulation bei einer Schaltfrequenz von 100 kHz gut erkennbar (z. B. starke Dämpfung bei 200 kHz, 400 kHz usw.).
  
 +Zusammenfassend gilt:
 +Getaktete Systeme erzeugen grundsätzlich eine Vielzahl hochfrequenter Störanteile. Aufgabe der EMV-Entwicklung ist es, diese durch geeignete Maßnahmen (z. B. Filter, Layout, Schirmung) so weit zu reduzieren, dass keine unzulässigen Beeinflussungen anderer Systeme auftreten.
 ==== Es schwingt ==== ==== Es schwingt ====
-Mit dem Rechteckimpuls kennen wir die wichtigste Quelle hochfrequenter Signale. Reale Schaltungen verwenden natürlich eine Reihe weitere Signale mit dreieck- oder trapezförmigem Verlauf bzw. einer beliebigen Kombination daraus. Alle diese Signale lassen sich mit Hilfe der EMV-Tafel auf unser einhüllendes Spektrum zurückführen. Es bleibt daher die Frage: Warum folgen Emissionsmessungen nicht prinzipiell dem Verlauf der Einhüllenden aus der EMV-Tafel?  
-Wir haben bereits in einführenden Beispielen gesehen, die Emissionen in höheren Frequenzbereichen stark ansteigen können. Eine häufige Ursache dieser Anstiege sind Schwingkreise welche durch unsere periodischen Signale angeregt werden.  
  
-Schwingkreise entstehen immer dann, wenn Kapazitäten auf Induktivitäten treffen. Beide Bauteile können elektrische Energie speichern. Kapazitäten nutzen hierzu elektrische Felder, Induktivitäten das magnetische Feld.  +Mit dem Rechteckimpuls kennen wir bereits die wichtigste Quelle hochfrequenter Signale. Reale Schaltungen nutzen jedoch eine Vielzahl weiterer Signalformen, wie dreieck- oder trapezförmige Verläufe oder Kombinationen daraus. Diese lassen sich mithilfe der EMV-Tafel auf ein einhüllendes Spektrum zurückführen. Es stellt sich daher die Frage: Warum folgen reale Emissionsmessungen nicht exakt dieser Hüllkurve? 
-Wenn wir ausdrücken welcher elektrische Widerstand die Bauelemente dem hochfrequenten Strom entgegensetzen sprechen wir von Impedanzen. Wir sagen dann zum Beispiel, ein Kondensator besitzt an der Frequenz 10MHz eine Impedanz von 5Ω.  + 
-In Schwingkreisen pendelt die elektrische Energie zwischen diesen beiden Energiespeichern hin und her. Das Maximum dieser Pendelbewegung wird erreicht an der Resonanzfrequenz f<sub>R</sub>, hier ist die Impedanz der Kapazität gleich groß wie die der Induktivität. +Wie bereits in ersten Beispielen gesehen, können Emissionen in bestimmten Frequenzbereichen stark ansteigen. Eine häufige Ursache hierfür sind Schwingkreise, die durch periodische Signale angeregt werden. 
 + 
 +Schwingkreise entstehen immer dann, wenn Kapazitäten und Induktivitäten zusammenwirken. Beide Bauelemente speichern Energie: Kapazitäten im elektrischen Feld, Induktivitäten im magnetischen Feld. 
 + 
 +Zur Beschreibung des frequenzabhängigen Verhaltens verwenden wir den Begriff der Impedanz. Beispielsweise kann ein Kondensator bei 10 MHz eine Impedanz von 5 Ω besitzen. 
 + 
 +In einem Schwingkreis wird Energie zwischen Kapazität und Induktivität hin- und her übertragen. Das Maximum dieser Energieübertragung tritt bei der Resonanzfrequenz f_R auf. An diesem Punkt sind die Impedanzen von Kapazität und Induktivität betragsmäßig gleich.
  
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-An der Resonanzfrequenz ist die Impedanz von Induktivität und Kapazität gleich groß, sie heben sich auf!+An der Resonanzfrequenz sind die Impedanzen von Induktivität und Kapazität betragsgleich – ihre Blindanteile kompensieren sich.
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-Die Resonanzfrequenz ist für uns kritisch, da es hier zu einer Spannungs- oder Stromüberhöhung kommen kann. Dieser bei uns auf der Leiterkarte oder im Aufbau ungewollte Effekt wird in anderen Bereichen der Elektrotechnik, zum Beispiel in der Hochspannungsprüftechnik zur Erzeugung hoher Prüfspannungen, sehr häufig eingesetzt. 
-Die für einen Schwingkreis notwendige Kapazität und Induktivität besteht überwiegend nicht aus diskreten (auf der Platine oder im Aufbau geplanten) Bauelementen, sondern vielmehr aus den sogenannten parasitären Eigenschaften des Aufbaus bzw. der verwendeten Komponenten. Ganz allgemein lässt sich sagen, zwischen allen Knotenpunkten einer elektrischen Schaltung bilden sich Kapazitäten aus, jeder Strompfad bildet eine Induktivität.  
-Oder etwas spezifischer:  
-  * An jeder Stelle mit einer Potenzialdifferenz kann man sich gedanklich eine Kapazität denken 
-  * Jeder stromdurchflossene Leiter bildet ein Magnetfeld und damit eine Induktivität 
  
-Wenn wir an die Vielzahl an unterschiedlichen Potenzialen in unserer Schaltung denken und die Menge an Leitungsverbindungen, stellen wir schnell fest, dass es eine hohe Anzahl an schwingfähigen Gebilden geben muss in unseren Systemen. Viele davon sind allerdings so gering, dass sie sich kaum bemerkbar machen. Andere hingegen dominieren den Emissionsverlauf in weiten Bereichen des Frequenzbereichs. \\ +Die Resonanzfrequenz ist kritisch, da es hier zu Strom- oder Spannungsüberhöhungen kommen kann. Während dieser Effekt in der Hochspannungstechnik gezielt genutzt wird, ist er in elektronischen Schaltungen meist unerwünscht. 
-In der Literatur findet man parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten auch unter dem Begriff Streukapazität bzw. Streuinduktivität. + 
-Die Impedanz einer beliebigen Kapazität berechnet sich zu Z<sub>C</sub>=  1/ωC , die Impedanz einer Induktivität zu Z<sub>L</sub>= ωL. An diesen Gleichungen lässt sich bereits jetzt erkennen, dass beide Bauteile unsere wichtigsten Verbündeten zur Reduktion hochfrequenter Signale sind. Aufgrund der wachsenden Impedanz bei steigender Frequenz, können mit Induktivitäten hochfrequente Störströme reduziert werden. In einer Serienschaltung verhindern wird damit deren Ausbreitung. Kapazitäten hingegen können verwendet werden die hochfrequenten Anteile kurzzuschließen bzw. gegen die Masse abzuleiten, da deren Impedanz mit steigender Frequenz mit 1/f abnimmt. Nachfolgende Abbildung zeigt den Verlauf der Impedanz über der Frequenz idealer Kapazitäten und Induktivitäten.+Die für einen Schwingkreis notwendigen Kapazitäten und Induktivitäten entstehen in der Praxis häufig nicht durch diskrete Bauelemente, sondern durch parasitäre Eigenschaften der Schaltung. Allgemein gilt: 
 + 
 +  * Zwischen allen Knoten mit Potenzialdifferenz existieren parasitäre Kapazitäten. 
 +  * Jeder stromdurchflossene Leiter besitzt eine parasitäre Induktivität. 
 + 
 +Aufgrund der Vielzahl an Knoten und Leiterbahnen entstehen in realen Schaltungen zahlreiche potenzielle Schwingkreise. Viele davon sind vernachlässigbar, andere dominieren jedoch das Emissionsverhalten. 
 + 
 +In der Literatur werden diese Effekte auch als Streukapazitäten und Streuinduktivitäten bezeichnet. 
 + 
 +Die Impedanzen idealer Bauelemente lauten: 
 +- Z_C = 1 / (ω · C) 
 +- Z_L = ω · L 
 + 
 +Daraus ergibt sich: 
 +- Induktivitäten erhöhen ihre Impedanz mit steigender Frequenz → sie wirken strombegrenzend für hochfrequente Anteile. 
 +- Kapazitäten verringern ihre Impedanz mit steigender Frequenz → sie leiten hochfrequente Anteile gegen Masse ab. 
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:zlzc.jpg?800 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:zlzc.jpg?800 |}}
  
-Um ein Gefühl dafür zu bekommen in welcher Größenordnung wir uns bewegen, einige Beispiele ausgewählter Kapazitäten und Induktivitäten. +Die folgende Tabelle gibt typische Größenordnungen parasitärer Elemente an:
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:schaetzwerte_l-c.jpg?600 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:schaetzwerte_l-c.jpg?600 |}}
  
-An der Resonanzfrequenz f<sub>R</sub> sind beide Impedanzen (der Kapazität und der Induktivität) gleich groß und es gilt:+Die Resonanzfrequenz ergibt sich zu:
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:resonanzfrequenz.jpg?200 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:resonanzfrequenz.jpg?200 |}}
  
-Wir sehen, je kleiner die Kapazitäts- und Induktivitätswerte, desto höherfrequent ist die auftretende Resonanzfrequenz. Die Gleichung gilt übrigens sowohl für den Serien- als auch den Parallelschwingkreis. +Je kleiner L und C sind, desto höher liegt die Resonanzfrequenz. Diese Beziehung gilt sowohl für Serien- als auch für Parallelschwingkreise. 
-Schauen wir uns jetzt ein Beispiel für die Auswirkungen von Schwingkreisen an. Den einfachen Tiefsetzsteller mit seiner periodischen Anregung haben wir ja bereits kennengelernt. Ihn erweitern wir jetzt um eine Induktivität Ls, welche ein kurzes Stück einer Leiterbahn darstellen soll. Die gewählten 10nH entsprechen einer Verbindungslänge zum Knotenpunkt A von ca. 2cm Länge. Nachfolgende Abbildung zeigt den erweiterten Schaltplan. Darin sind die Bauelemente markiert, welche den Schwingkreis bilden.+ 
 +Betrachten wir nun ein praktisches Beispiel. Der bekannte Tiefsetzsteller wird um eine parasitäre Induktivität L_s erweitert, die eine Leiterbahn repräsentiert (z. B. 10 nH ≈ 2 cm Leiterlänge). Die beteiligten Bauelemente bilden einen Schwingkreis: 
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:tiefsetzsteller_mit_parl.jpg?800 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:tiefsetzsteller_mit_parl.jpg?800 |}}
  
-Um die Schwingung zu bewerten messen wir den Strom Is durch die parasitäre Induktivität, welcher gleichzeitig auch dem Strom durch unseren Leistungsschalter (Drain-Strom des Mosfets) entspricht. In nachfolgender Abbildung ist die sich ausbildende Schwingung beim Abschalten des Mosfets deutlich zu erkennen.+Zur Analyse wird der Strom I_s durch die parasitäre Induktivität betrachtet, der gleichzeitig dem Schalterstrom entspricht. Beim Abschalten des MOSFETs zeigt sich eine gedämpfte Schwingung: 
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:schwingen_mosfet.jpg?800 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:schwingen_mosfet.jpg?800 |}}
  
-Mit Hilfe der Cursor-Funktion in LT-Spice ermitteln wir die Schwingungsdauer Ts zu 14ns woraus sich eine Frequenz f<sub>R</sub> von 72MHz ergibt. Die Resonanzfrequenz tritt natürlich im Frequenzspektrum deutlich hervor, welches sich durch die Berechnung der FFT-Funktion anzeigen lässt,+Mit der Cursorfunktion ergibt sich eine Periodendauer T_s von etwa 14 ns, entsprechend einer Resonanzfrequenz von: 
 + 
 +f_R ≈ 72 MHz 
 + 
 +Diese Frequenz ist auch im Spektrum deutlich sichtbar: 
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:resonanz_schalten.jpg?800 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:resonanz_schalten.jpg?800 |}}
  
-Aus der Resonanzfrequenz und der in unserem Beispiel bekannten Induktivität des Schwingkreises lässt sich der Kapazitätswert berechnen aus:+Aus f_R und der bekannten Induktivität kann die parasitäre Kapazität berechnet werden: 
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:c-berechnung.jpg?400 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:c-berechnung.jpg?400 |}}
  
-Dieser Wert deckt sich in seiner Größenordnung mit den Angaben zu den parasitären Kapazitäten des Mofets IRF3717 aus dessen Datenblatt. Zu beachten ist, dass die Angaben im Datenblatt nur zu einem speziellen Betriebspunkt und der dazugehörigen Testschaltung gehören. Ein Vergleich zu anderen Betriebspunkten ist nur bedingt möglich, da die Streukapazitäten von der Höhe der angelegten Spannung abhängig sind. \\ +Der berechnete Wert stimmt gut mit typischen parasitären Kapazitäten eines MOSFETs (z. B. IRF3717) überein. Zu beachten ist, dass diese Werte betriebspunktabhängig sind, da die Kapazitäten spannungsabhängig variieren.
-{{:professoren_webseiten:rebholz:kondensator_luft.jpg?100 |}}+
  
-Um einen Kapazitätswert im pF- Bereich (1x10<sup>-12</sup>) von seiner Größe her einzuordnen erinnern wir uns zurück in den Physikunterricht unserer Schulzeit. Dort gab es meist große Plattenkondensatoren für einfache Versuche mit einer Kapazität. Um eine Kapazität von 10pF mit Hilfe eines Plattenkondensators herzustellen benötigen wir lediglich Platten mit einer Seitenlänge von 3,4cm, bei einem Plattenabstand von 1cm, umringt von Luft. Sie erinnern sich vielleicht, dass sich die Kapazität massiv steigern lässt durch das Einbringen eines Dielektrikums. Das bedeutet, Kapazitäten im Bereich von wenigen pF entstehen nahezu überall zwischen geometrischen Strukturen. Insbesondere innerhalb dielektrischer Materialien steigt deren Kapazität massiv an. Dieser Effekt ist bei Halbleitern und meist isolierenden Medien (Klebstoffen, Vergussmassen) zu beobachten.\\+{{:professoren_webseiten:rebholz:kondensator_luft.jpg?100 |}}
  
-Unser einfaches Beispiel mit nur einer dominanten Resonanzfrequenz kann natürlich nicht den komplexen Aufbau einer realen Schaltung abbilden. Hier gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Schwingkreise, die angeregt werden können. Bei Messungen zur Störemissionsmessung dominieren meist zwei bis drei Schwingkreise den Emissionspegel. Die Resonanzfrequenzen der weitern Schwingkreise werden dabei durch die Pegel der dominanten Schwingkreise überdeckt und tauchen erst dann auf, falls es uns gelingt diese mit geeigneten EMV-Maßnahmen zu reduzieren.+Zur Einordnung: Eine Kapazität von 10 pF lässt sich bereits mit zwei Metallplatten von etwa 3,4 cm Seitenlänge und 1 cm Abstand in Luft realisieren. In realen Schaltungen entstehen solche Kapazitäten daher nahezu unvermeidlich – insbesondere in dielektrischen Materialien wie Leiterplatten, Vergussmassen oder Halbleiterstrukturen.
  
 +Das gezeigte Beispiel enthält nur einen dominanten Schwingkreis. In realen Schaltungen existieren jedoch zahlreiche solcher Resonanzen. In der Praxis dominieren meist wenige davon das Emissionsverhalten, während andere durch deren Pegel überdeckt werden. Erst durch gezielte EMV-Maßnahmen werden weitere Resonanzen sichtbar.
 ==== Aufgabe 7 ==== ==== Aufgabe 7 ====
  
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 ==== Messung leitungsgebundener Emissionen ==== ==== Messung leitungsgebundener Emissionen ====
  
-Unser Simulationsbeispiel des Tiefsetzstellers haben wir im Frequenzbereich bewertet über den Strom der durch den Mosfet fließt. Dem Gesetzgeber ist es allerdings ziemlich egal, welche internen Ströme intern fließen und ob sich innerhalb der Geräte hochfrequente Resonanzkreise ausbilden. Wichtig ist, dass davon nichts nach außen dringen kann. Weder über gestrahlte Emissionen, in Form elektromagnetischer Wellen, noch über die Versorgungsleitungen. Bei Störungen auf den Versorgungsleitungen sprechen wir von "leitungsgebundenen Emissionen". Besonders in hochintegrierten Systemen, wie modernen Kraftfahrzeugen mit sehr vielen Steuergeräten, muss dieser Art der Störung besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Gelangen die Störungen auf diesem Pfad in das System erreichen sie alle weiteren angeschlossenen Steuergeräte und können so massiven Schaden anrichten. +Im Simulationsbeispiel des Tiefsetzstellers wurde der Frequenzbereich über den Strom durch den MOSFET analysiert. Für die EMV-Bewertung ist jedoch nicht entscheidend, welche internen Ströme im Gerät fließen oder ob sich Resonanzen ausbilden. Maßgeblich ist vielmehr, dass keine Störungen nach außen gelangen – weder als gestrahlte Emissionen (elektromagnetische Wellen) noch über die Versorgungsleitungen. 
-Zur Auskopplung der Störströme werden sogenannte Netznachbildungen verwendet. Ihre Aufgabe ist es die auf den Versorgungsleitungen fließenden Störströme auszukoppeln und einem Messgerät (Oszilloskop oder Netznachbildung) zuzuführen. Bitte schauen Sie sich dazu im [[professoren_webseiten:rebholz:emv|]] das Kapitel 2.3 an.\\ + 
-Für unsere Laborarbeit verwenden wir folgende Netznachbildung: +Störungen, die über Leitungen übertragen werden, bezeichnet man als **leitungsgebundene Emissionen**. Insbesondere in hochintegrierten Systemen, wie modernen Kraftfahrzeugen mit zahlreichen Steuergeräten, ist diese Art der Störung kritisch. Gelangen Störungen über die Versorgung in das System, können sie sich auf alle angeschlossenen Komponenten ausbreiten und Fehlfunktionen verursachen. 
 + 
 +Zur Messung dieser Störungen werden sogenannte **Netznachbildungen (LISN – Line Impedance Stabilization Network)** eingesetzt. Ihre Aufgabe besteht darin, die auf den Versorgungsleitungen fließenden hochfrequenten Störanteile auszukoppeln und einem Messgerät (z. B. Spektrumanalysator oder Oszilloskop) zuzuführen. Gleichzeitig stellen sie eine definierte Impedanz gegenüber dem Prüfling sicher. 
 + 
 +Bitte beachten Sie hierzu auch das entsprechende Kapitel im EMV-Skript (Kapitel 2.3). \\ 
 + 
 +Für die Laborarbeit wird folgende Netznachbildung verwendet:
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:elektor_netznachbildung.jpg?400 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:elektor_netznachbildung.jpg?400 |}}
-(Bild: [[https://www.elektormagazine.de/magazine/elektor-182/59858|Elektor Magazin]]) Diese Art der Netznachbildung kann für Messungen nach der CISPR25 bzw. DIN EN55025 verwendet werden. Sie besitzt bereits ein integriertes 10dB Dämpfungsgrlied welches bei der Messung entsprechend addiert werden muss. Im Labor haben wir noch eine zweite Variante (Entstanden in einer Abschlussarbeit) ohne integriertes Dämpfungsglied.\\ 
  
-<WRAP center round tip 60%> +(Bild: Elektor Magazin)
-Innerhalb des Hochschulnetz (alternativ mit VPN-Verbindung) haben wir Zugang zu allen DIN EN Normen über den Link: [[https://dbis.ur.de/dbinfo/detail.php?titel_id=4888&bib_id=fhkn|Datenbank-Infosystem (DBIS)]] +
-</WRAP>+
  
 +Diese Netznachbildung ist für Messungen gemäß CISPR 25 bzw. DIN EN 55025 geeignet. Sie enthält bereits ein integriertes Dämpfungsglied von 10 dB, das bei der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt werden muss.
  
 +Im Labor steht zusätzlich eine zweite Variante zur Verfügung (entwickelt im Rahmen einer Abschlussarbeit), die kein integriertes Dämpfungsglied besitzt. \\
 +
 +<WRAP center round tip 60%>
 +Innerhalb des Hochschulnetzes (oder per VPN) haben Sie Zugriff auf die DIN-EN-Normen über das Datenbank-Infosystem (DBIS):
 +[[https://dbis.ur.de/dbinfo/detail.php?titel_id=4888&bib_id=fhkn|Datenbank-Infosystem (DBIS)]]
 +</WRAP>
 ==== Aufgabe 8 ==== ==== Aufgabe 8 ====
  
-Wir haben die Chance unseren Tiefsetzsteller als Sitzheizung einem Fahrzeughersteller zu verkaufen. Unser Kunde verlangt allerdings bereits in der Entwicklungsphase Nachweise welche Maßnahmen wir zur Einhaltung +Wir haben die Chance, unseren Tiefsetzsteller als Sitzheizung an einen Fahrzeughersteller zu verkaufen. Unser Kunde verlangt jedoch bereits in der Entwicklungsphase Nachweise darüber, welche Maßnahmen wir zur Einhaltung der EMV treffen.
-der EMV treffen.+
  
 <WRAP center round todo 60%> <WRAP center round todo 60%>
   - Recherchieren Sie den normgerechten Aufbau zur Messung der leitungsgebundenen Emissionen und erstellen Sie eine Skizze.   - Recherchieren Sie den normgerechten Aufbau zur Messung der leitungsgebundenen Emissionen und erstellen Sie eine Skizze.
-  - Welche Grenzwerte gelten für unsren Tiefsetzsteller?+  - Welche Grenzwerte gelten für unseren Tiefsetzsteller?
   - Erweitern Sie Ihre Simulation des Tiefsetzstellers um die Netznachbildungen.   - Erweitern Sie Ihre Simulation des Tiefsetzstellers um die Netznachbildungen.
-Um Vertrauen in das neue Messmittel zu bekommen sollten wir ein bekanntes Signal messen: + 
-  - Schließen Sie einen Signalgenerator an die Netznachbildung an und messen Sie die Emissionen mit Hilfe eines Oszilloskiops oder Spektrumanalysator. +Um Vertrauen in das neue Messmittel zu gewinnen, sollten wir zunächst ein bekanntes Signal messen: 
-  - Entspricht das Ergebnis Ihren Erwartungen? Falls nicht, versuchen Sie das Problem mit Hilfe einer einfachen Simulation zu lösen.+  - Schließen Sie einen Signalgenerator an die Netznachbildung an und messen Sie die Emissionen mithilfe eines Oszilloskops oder Spektrumanalysators. 
 +  - Entspricht das Ergebnis Ihren Erwartungen? Falls nicht, versuchen Sie, das Problem mithilfe einer einfachen Simulation zu erklären.
 </WRAP> </WRAP>
 +===== Teil 3: Tiefsetzsteller / Hardwareaufbau =====
  
 +Im nächsten Schritt betrachten wir die Hardware des Versuchs. Die Schaltung enthält einen einfachen Tiefsetzsteller, an dessen Ausgang ein Leistungswiderstand (PTC-Heizelement) angeschlossen ist, der die Sitzheizung nachbildet.
  
 +Das Pulsweitenverhältnis kann entweder über den bekannten Timerbaustein NE555 oder über einen kleinen Mikrocontroller eingestellt werden. Die Auswahl erfolgt über Jumper. \\
  
 +Dadurch haben wir die Möglichkeit, unsere Sitzheizungssteuerung in verschiedenen Varianten anzubieten:  
 +Die **Basisversion** erlaubt eine stufenlose Einstellung der Heizleistung und kann als kostengünstige analoge Einstiegsversion betrachtet werden. In der **Premiumvariante** können sowohl die PWM-Frequenz als auch die Heizleistung digital eingestellt werden. Zusätzlich werden wichtige Parameter auf einem Display ausgegeben, das später in der Anwendung genutzt werden kann. \\
  
 +Die folgende Abbildung zeigt den fertigen Aufbau der Platine:
 +{{ :professoren_webseiten:rebholz:platine_einleitung1.jpg?600 |}}
  
 +<color #ed1c24>**ACHTUNG: Auf dem Bild ist der Arduino falsch herum aufgesteckt. Es handelt sich nur um ein Dummybild.**</color>
  
 +Die Platine enthält mehrere Jumper zur Aktivierung bzw. Deaktivierung einzelner Filterelemente sowie zur Auswahl zwischen der Ansteuerung über den Timer-IC oder den Arduino. Da ein Jumper gemäß Datenblatt nur etwa 3 A führen kann, werden zur Überbrückung der Gleichtaktdrossel (CMC) bzw. der Induktivität jeweils zwei Jumper parallel geschaltet. Über einen Net-Tie wird die Trennung zwischen Leistungs- und Logikpfad realisiert.
  
 +{{ :professoren_webseiten:rebholz:layout_schematic.png?800 |}}
  
- ===== Teil3: Tiefsetzsteller / Hardwareaufbau =====+Informationen zu den einzelnen Bauelementen können über den Distributor abgerufen werden: 
 +{{ :professoren_webseiten:rebholz:bestellung_mouser.xls |}}; {{ :professoren_webseiten:rebholz:bestellung_reichelt.xls |}}
  
-Im nächsten Schritt schauen wir die Hardware zum Versuch an. Die Schaltung enthält einen einfachen Tiefsetzsteller an dessen Ausgang ein Leistungswiderstand (PTC-Heizelement) angeschlossen ist (Nachbildung der Sitzheizung). +Das Platinenlayout beeinflusst stets die Ausbreitungs- und Einkoppelpfade elektromagnetischer Störungen. Deshalb wurden bereits im Layout Maßnahmen berücksichtigt, um negative EMV-Effekte zu minimieren. Grundsätzlich gilt, dass kritische Pfade (Hochstrom, hochfrequente Signale usw.) möglichst kurz gehalten werden sollten. Große Schleifen sind zu vermeiden, insbesondere um induktive Einkopplungen zu reduzieren.
-Das Pulsweitenverhältnis kann entweder über den bekannten Timerbaustein NE555 eingestellt werden oder über einen kleinen Mikrocontroller. Die Auswahl wird über Jumper eingestellt. \\ +
-Dadurch haben wir die Möglichkeit unsere Sitzheizungssteuerung in verschiedenen Versionen unseren Kunden anzubieten:\\ +
-Die **Basisversion** stellt die Wärmeleistung im Heizelement stufenlos ein und kann als günstige analoge Einstiegsversion angesehen werden. In der **Premiumvariante** kann sowohl die PWM-Frequenz als auch die Wärmemenge digital eingestellt werden. Zusätzlich werden wichtige Parameter +
-auf einem Display ausgegeben welches für die spätere Anwendung appliziert werden kann.  \\ +
- Nachfolgende Abbildung zeigt den fertigen Aufbau der Platine. +
-{{ :professoren_webseiten:rebholz:platine_einleitung1.jpg?600 |}}+
  
-<color #ed1c24>**ACHTUNG: Auf dem Bild ist der Arduino falsch herum aufgesteckt!!! Dummybild ...**</color>+Dies wurde bei der Ansteuerung über den Arduino und den Timer-IC nur teilweise umgesetzt, da die Platine zugleich übersichtlich und für Änderungen über Potentiometer gut zugänglich bleiben sollte. Außerdem sollte der EMV-Filter über Jumper manuell zuschaltbar sein.
  
-Die Platine enthält einige Jumper zur Aktivierung/Deaktivierung einzelner Filterelemente, sowie der Auswahl der Steuerung über den Timer-IC oder über den Arduino. Da ein Jumper entsprechend dem Datenblatt nur etwa drei Ampere tragen kann, werden zur Überbrückung der Gleichtaktspule (CMC) bzw der Spule jeweils zwei Jumper parallell geschlatet. Über einen Net-Tie wird die Trennung des Leistungs- und Logikpfad umgesetzt. +Für die Platine wurden dennoch mehrere gängige EMV-Maßnahmen berücksichtigt. Diese sind nachfolgend aufgelistet:
-{{ :professoren_webseiten:rebholz:layout_schematic.png?800 |}}+
  
-Infos zu den einzelnen Bauelemente können über den Distributor abgerufen werden: +  * Trennung von Leistungspfad und Logikpfad durch Aufteilung der Masseflächen in Power Ground und Logic Ground 
-{{ :professoren_webseiten:rebholz:bestellung_mouser.xls |}}; {{ :professoren_webseiten:rebholz:bestellung_reichelt.xls |}}+  * Bereitstellung eines RC-Snubbers zur Dämpfung von Überschwingungen am MOSFET 
 +  * Platzierung von Stütz- bzw. Bypasskondensatoren möglichst nahe an den betroffenen Bausteinen 
 +  * Verbindung der Masseflächen an einer „ruhigen“ Stelle 
 +  * Ausführung des EMV-Filters ohne durchgehende Massefläche, um einen galvanischen Pfad durch den Filter zu erzwingen
  
-Das Platinen-Layout bietet in der EMV immer Ausbreitungs- und Einkoppelpfade an. Deshalb gibt es hier bereits Maßnahmen um negative Auswirkungen zu minimieren. Prinzipiell gilt es, kritische Pfade (Hochstrom, Hochfrequenz, ...) möglichst kurz zu halten. Große Schleifen sollten vermieden werden um vor allem induktive Einkopplungen zu vermeiden. Dies wurde für die Ansteuerung über den Arudino und den Timer-IC nur bedingt eingehalten, da die Platine auch übersichtlich und zugänglich für Änderungen über die Potentiometer sein soll. Ebenfalls sollte der EMV-Filter mit seinen einzelnen Bestandteilen per Hand über die Jumper zuschaltbar sein. Für die Platine wurden trotzdem bereits mehrere gängige Maßnahmen im Layout berücksichtigt, um die Emmissionen der Schaltung zu reduzieren. Diese werden im folgenden kurz aufgelistet: 
-  * Trennung des Leistungpfad und des Logikpfad: Teilung der Masseflächen in Power-Ground und Logic-Ground 
-  * Vorhalt eines RC-Snubbers zur Bedämpfung der Überschwingungen am MOSFET 
-  * Stützkondensatoren/Bypasskondensatoren möglichst nahe am betroffenen Baustein 
-  * Verbindung der Masseflächen an einer //ruhigen// Stelle  
-  * EMV-Filter ohne Massefläche um galvanisch Weg durch den Filter zu erzwingen 
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:layout_platine.png?800 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:layout_platine.png?800 |}}
  
-Falls Sie das Layout im CAD anschauen möchten und KiCAD installiert haben: {{ :professoren_webseiten:rebholz:emv_projekt.zip |}}+Falls Sie das Layout im CAD betrachten möchten und KiCad installiert haben: 
 +{{ :professoren_webseiten:rebholz:emv_projekt.zip |}}
  
 (Alte Version: {{ :professoren_webseiten:rebholz:kicad_emv_projekt.zip |}}) (Alte Version: {{ :professoren_webseiten:rebholz:kicad_emv_projekt.zip |}})
  
-Sicherlich wurde der Platz nicht optimal ausgenutzt, dies ist aber auch der komfortablen Nutzung der Platine geschuldet. Sehr gut zu erkennen ist der Platzbedarf des EMV-Eingangsfilters. Es ist üblich bereits zu Entwicklungsbeginn etwa ein Drittel des verfügbaren Bauraum bzw. der Platine als Vorhalt für EMV-Maßnahmen zu berücksichtigen.+Sicherlich wurde der verfügbare Platz nicht optimal ausgenutzt. Dies ist jedoch der komfortablen Nutzung der Platine geschuldet. Gut erkennbar ist insbesondere der Platzbedarf des EMV-Eingangsfilters. Es ist üblich, bereits zu Beginn der Entwicklung etwa ein Drittel des verfügbaren Bauraums bzw. der Leiterplatte für mögliche EMV-Maßnahmen vorzusehen. 
 +==== Gate-Treiber ==== 
 + 
 +In unserem einfachen Tiefsetzsteller wurde in der Simulation und im Grundmodell eine Freilaufdiode verwendet. Dies ist prinzipiell korrekt. Zur Reduktion der Durchlassverluste – an einer Diode fällt stets eine Vorwärtsspannung ab – wird diese in der Praxis jedoch häufig durch einen zweiten MOSFET ersetzt. Daraus ergibt sich die typische Halbbrücken-Konfiguration. 
 + 
 +MOSFETs können als spannungsgesteuerte Schalter betrachtet werden. Wird zwischen Gate und Source eine ausreichend positive Spannung angelegt, kann ein Strom zwischen Drain und Source fließen (Drainstrom), sowohl in positiver als auch in negativer Richtung. 
 + 
 +Eine Herausforderung dieser Konfiguration besteht darin, dass das Source-Potenzial des oberen MOSFETs (High-Side MOSFET) nicht auf Masse liegt. Zur Ansteuerung dieses Transistors ist daher eine zusätzliche Schaltung erforderlich. \\ 
 + 
 +Hierfür werden häufig sogenannte Bootstrap-Treiber eingesetzt. Dabei handelt es sich um integrierte Schaltungen, die mithilfe eines geladenen Kondensators (Bootstrap-Kondensator) eine Gate-Source-Spannung für den High-Side MOSFET erzeugen. Während der Einschaltphase wird der Kondensator zwischen Gate und Source geschaltet und aktiviert den MOSFET. Während der Ausschaltphase wird der Kondensator über einen Ladepfad wieder aufgeladen und steht für den nächsten Schaltvorgang bereit. \\ 
 + 
 +Die folgende Abbildung zeigt die Grundschaltung eines Bootstrap-Treibers aus dem Datenblatt. Das zentrale Element ist der Bootstrap-Kondensator (grün markiert) sowie dessen Ladepfad (orange).
  
-==== Gate- Treiber ==== 
-Unseren einfachen Tiefsetzsteller haben wir in der Simulation und im Erklärmodell mit einer Freilaufdiode ausgestattet. Das ist prinzipiell richtig, allerdings wird zur Reduktion der Durchlassverluste (an einer Diode fällt ja stets die Vorwärtsspannung ab) die Diode durch einen zweiten Mosfet ersetzt. Dadurch ergibt sich die typische und oft eingesetzte Halbbrücken-Konfiguration. Mosfets kann man sich als spannungsgesteuerte Schalter vorstellen. Wird eine positive Spannung zwischen den Anschlüssen Gate und Source angelegt, kann ein Strom (positiv wie negativ) durch den Mosfet fließen (Drainstrom, zwischen Drain und Source). Nachteilig in dieser Konfiguration ist, dass das Source-Potential des oberen Mosfet (High-Side Mosfet) nicht auf Masse liegt. Um diesen Mosfet zu aktivieren müssen wir uns eine Trick einfallen lassen:\\ 
-Sehr häufig werden dazu sogenannte Boot-Strap Treiber eingesetzt. Das sind fertige IC-Lösungen welche zum aktivieren des High-Side Mosfet einen geladenen Kondensator (Boot-Strap Kondensator) mit Gate und Source verbindet. Dadurch wird der Mosfet aktiviert. Während der "Aus-Phasen" des High-Side Mosfet wird dieser Kondensator wieder nachgeladen und ist dann für den nächsten Einschaltvorgang bereit.\\ 
-Nachfolgende Abbildung zeigt die Grundschaltung der Bootstrap-Schaltung aus dem Datenblatt. Das zentrale Element ist der Bootstrap-Kondensator (Grün markiert) mit dessen Ladepfad (Orange). 
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:bootstrap.jpg?800 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:bootstrap.jpg?800 |}}
  
-In unserem Beispiel wird durch den Steuereingang "IN" ein Logikpegel angelegt welcher direkt den High-Side Mosfet aktiviert. Gleichzeitig zu einer Aktivierung des High-Side Mosfet muss der Low-Side Mosfet deaktiviert werden da sich ansonsten eine direkter Kurzschluss der Spannungsversorgung ergeben würde. Ein sogenannter Brückenkurzschluss oder "heißer Zweig". Da Mosfets nicht unendlich schnell schalten können muss zwischen den Aktivierungen der Mosfets eine Totzeit eingefügt werden. In diesem Schaltzustand sind beide Mosfets deaktiviert. In unserer Schaltung kann die Totzeit über das Potentiometer RV4 eingestellt werden.+In unserem Beispiel wird über den Steuereingang „IN“ ein Logiksignal angelegt, das den High-Side MOSFET aktiviert. Gleichzeitig muss der Low-Side MOSFET deaktiviert werden, da sonst ein direkter Kurzschluss der Versorgungsspannung entstehen würde (sogenannter Brückenkurzschluss oder „Shoot-Through“).
  
 +Da MOSFETs nicht ideal schnell schalten, muss zwischen dem Abschalten des einen und dem Einschalten des anderen Transistors eine Totzeit eingefügt werden. In dieser Zeit sind beide MOSFETs gesperrt. In der vorliegenden Schaltung kann diese Totzeit über das Potentiometer RV4 eingestellt werden.
 ==== NE555 ==== ==== NE555 ====
  
-Der integrierte Baustein NE555 ist ein Urgestein der Elektrotechnik. Wann immer eine einfache Timerlösung benötigt wird um z.B. eine LED blinken zu lassen kommt der Baustein schon seit Jahrzehnten zum Einsatz. Die Eigenschaften dieses Schaltvorgangs wird über dessen äußere Beschaltung vorgegeben. Mithilfe von Widerständen und einem Kondensator kann der NE555 ein periodisch wiederholtes Schaltsignal erzeugen. Dies eignet sich perfekt zum ansteuern der MOSFET bzw. des Gatetreibers.  +Der integrierte Baustein NE555 ist ein Klassiker der Elektrotechnik. Immer wenn eine einfache Timerlösung benötigt wird – beispielsweise zum Blinken einer LED – kommt dieser Baustein seit Jahrzehnten zum Einsatz. 
-{{ :professoren_webseiten:rebholz:ne555_beschaltung.jpg?500 |}}+
  
-Über das Widerstandsverhältnis in obiger Schaltung kann der Duty-Cycle am Ausgang des Timers eingestellt werden.+Die Eigenschaften des erzeugten Signals werden durch die externe Beschaltung festgelegt. Mithilfe von Widerständen und einem Kondensator kann der NE555 ein periodisches Schaltsignal erzeugen. Dieses eignet sich ideal zur Ansteuerung von MOSFETs bzw. eines Gate-Treibers. 
 + 
 +{{ :professoren_webseiten:rebholz:ne555_beschaltung.jpg?500 |}}
  
 +Über das Widerstandsverhältnis in der gezeigten Schaltung kann der Tastgrad (Duty Cycle) des Ausgangssignals eingestellt werden.
 ==== Arduino Nano ==== ==== Arduino Nano ====
  
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 ==== Aufgabe 9 ==== ==== Aufgabe 9 ====
  
-Jetzt geht es an die Inbetriebnahme der Schaltung. Organisieren Sie sich dazu im ersten Schritt eine Platine und alle benötigten Bauelemente. +Nun erfolgt die Inbetriebnahme der Schaltung. Organisieren Sie sich dazu zunächst eine Platine sowie alle benötigten Bauelemente. 
-Die Platine enthält auch einige SMD Bauteile. Falls Sie Hilfe benötigen beim Löten melden Sie sich bitte. Sie können den SMD-Lötplatz verwenden oder alternativ mit einer feinen Lötspitze arbeiten, siehe [[https://www.youtube.com/watch?v=HE2Mh_2LP8I|Einführungsvideo]].\\ + 
-Lötanleitung [[https://wiki.ei.htwg-konstanz.de/studierende/anleitungen/loeten|(Interner Link, bitte anmelden) +Die Platine enthält auch einige SMD-Bauteile. Falls Sie Unterstützung beim Löten benötigen, melden Sie sich bitte. Sie können den SMD-Lötplatz verwenden oder alternativ mit einer feinen Lötspitze arbeiten (siehe Einführungsvideo). \\ 
-]]+Lötanleitung: [[https://wiki.ei.htwg-konstanz.de/studierende/anleitungen/loeten|(Interner Link, bitte anmelden)]] \\
 \\ \\
 Allgemeine Hinweise: Allgemeine Hinweise:
-  * Orientieren Sie sich am Labormuster  +  * Orientieren Sie sich am Labormuster. 
-  * Achten Sie auf die richtige Polarität gepolter Bauelemente +  * Achten Sie auf die korrekte Polarität gepolter Bauelemente. 
-  * Alle ICs, Arduino und das Display werden auf Sockel montiert  +  * Alle ICs, der Arduino sowie das Display werden auf Sockel montiert. 
-  * Halten Sie sich an die nachfolgende Reihenfolge bei der Inbetriebnahme +  * Halten Sie sich an die nachfolgende Reihenfolge bei der Inbetriebnahme. 
-  * Die RC-Snubber (Dämpfungsschaltung parallel zu den Mosfets) bitte noch nicht mit auflöten +  * Die RC-Snubber (Dämpfungsschaltung parallel zu den MOSFETs) zunächst nicht bestücken. 
-  * **Die Filterelemente noch nicht mit auflöten. Zur Funktion werden die Jumper über der Gleichtaktdrossel und der Filterspule benötigt!** +  * **Die Filterelemente zunächst nicht bestücken. Für die Funktion werden die Jumper über der Gleichtaktdrossel und der Filterspule benötigt!**
  
 <WRAP center round todo 60%> <WRAP center round todo 60%>
-  - Nehmen Sie den Timerbaustein und den Mikrocontroller in Betrieb +  - Nehmen Sie den Timerbaustein und den Mikrocontroller in Betrieb. 
-  - Überprüfen Sie ob die PWM-Muster richtig ausgegeben werden und bestimmen Sie die einstellbaren Duty-Cycle Bereich +  - Überprüfen Sie, ob die PWM-Signale korrekt ausgegeben werden, und bestimmen Sie den einstellbaren Duty-Cycle-Bereich. 
-  - Erklären Sie warum der Duty-Cycle nicht von 0 ... 100% eingestellt werden kann (das ist so gewollt und kein Fehler) +  - Erklären Sie, warum der Duty Cycle nicht von 0 % bis 100 % einstellbar ist (dies ist beabsichtigt und kein Fehler). 
-  - Löten Sie nun den Treiberbaustein auf und überprüfen Sie ob die Ansteuersignale für den Low-Side Mosfet richtig ausgegeben werden +  - Löten Sie anschließend den Treiberbaustein auf und überprüfen Sie die Ansteuersignale für den Low-Side MOSFET. 
-  - Welches Signal erwarten Sie für die Ansteuerung des High-Side Mosfet? Messen Sie das Signal, worauf ist dabei zu achten? +  - Welches Signal erwarten Sie für die Ansteuerung des High-Side MOSFETs? Messen Sie dieses Signal – worauf ist dabei zu achten? 
-  - Installieren Sie die restlichen Bauelemente und überprüfen Sie ob die Schaltung funktioniert.  +  - Bestücken Sie nun die restlichen Bauelemente und überprüfen Sie die Funktion der Schaltung. 
-  - Überlegen Sie sich Kriterien wie Sie die Funktion der Schaltung mit den vorhandenen Messgeräten überprüfen können+  - Überlegen Sie sich geeignete Kriterien, mit denen Sie die Funktion der Schaltung mithilfe der vorhandenen Messgeräte überprüfen können.
 </WRAP> </WRAP>
  
-Achtung: Lötzinn ob bleihaltig oder nicht ist enthält giftige Chemikalien. Bitte waschen Sie sich nach Ihrer Arbeit sorgfältig die Hände. +Achtung: Lötzinn – unabhängig davon, ob bleihaltig oder bleifrei – enthält gesundheitsschädliche Stoffe. Waschen Sie sich nach der Arbeit sorgfältig die Hände.
 ===== Teil4: Messung und Entstörung ===== ===== Teil4: Messung und Entstörung =====
  
 Bei der Entwicklung unserer Sitzheizung müssen wir natürlich alle Verkaufsoptionen bei den EMV-Messungen berücksichtigen, also die Basis- und die Premiumvariante. B EMV-Messungen, zumindestens die Emissionsmessungen, haben prinzipiell immer einen ähnlichen Verlauf. Bei der Entwicklung unserer Sitzheizung müssen wir natürlich alle Verkaufsoptionen bei den EMV-Messungen berücksichtigen, also die Basis- und die Premiumvariante. B EMV-Messungen, zumindestens die Emissionsmessungen, haben prinzipiell immer einen ähnlichen Verlauf.
  
-==== Allgemeiner Messablauf ==== +==== Allgemeiner Messablauf ====
  
-Bevor es losgeht mit den Messungen müssen einige Vorarbeiten erledigt werden. Von vielen Kunden verlangt ist ein sogenannter EMV-Prüfplan. \\ +Bevor mit den Messungen begonnen wird, sind einige vorbereitende Schritte notwendig. Von vielen Kunden wird ein sogenannter EMV-Prüfplan gefordert. \\ 
-Der EMV-Prüflan enthält folgende Punkte+ 
 +Der EMV-Prüfplan enthält typischerweise folgende Punkte:
   * Einfache Funktionsbeschreibung   * Einfache Funktionsbeschreibung
   * Blockschaltbild des Prüflings   * Blockschaltbild des Prüflings
-  * Skizze zum Messaufbau mit Hilfsmittel+  * Skizze des Messaufbaus mit den verwendeten Hilfsmitteln
   * Einzuhaltende Grenzwerte   * Einzuhaltende Grenzwerte
   * Betriebszustände während der Messung   * Betriebszustände während der Messung
  
-Nach einer erfolgten Messung werden die Ergebnisse in den Prüfplan mit eingefügt und man erhält den **EMV-Prüfbericht**.+Nach Durchführung der Messungen werden die Ergebnisse in den Prüfplan integriert. Daraus entsteht der **EMV-Prüfbericht**. 
 + 
 +=== Schritt 1: Verifikation des Messgeräts === 
 + 
 +Dieser Schritt wurde bereits beim Kennenlernen der Messgeräte durchgeführt. Hochwertige Messgeräte müssen nicht nur regelmäßig kalibriert werden, sondern sollten idealerweise vor jeder Messung auf ihre korrekte Funktion überprüft werden. 
 + 
 +Ein Beispiel: Wird bei einer Abnahmemessung durch einen Bedienfehler ein zu niedriger Messwert angezeigt und daraufhin eine Serienproduktion gestartet, kann ein später entdecktes EMV-Problem (z. B. Ausfall einer selten genutzten Kommunikationsverbindung) erhebliche Konsequenzen haben. 
 + 
 +=== Schritt 2: Verifikation des Systemaufbaus === 
 + 
 +Im nächsten Schritt wird überprüft, ob externe Störungen den Messaufbau beeinflussen. EMV-Messungen werden üblicherweise in geschirmten Umgebungen durchgeführt (EMV-Kabine oder Absorberhalle, engl. *anechoic chamber*), um externe Einflüsse zu minimieren.
  
-=== Schritt 1: Verifikation Messgerät === +Neben externen Störungen können auch interne Quellen problematisch sein, z. B.: 
-  +  * zusätzliche Messtechnik (z. B. CAN-Messsysteme) 
-Diesen Schritt haben wir bereits beim Kennenlernen der Messgeräte durchgeführt. Wichtige Messgeräte müssen nicht nur regelmäßig kalibriert werden, sondern eigentlich vor jeder Messung auf die korrekte Arbeitsweise überprüft werden. +  * Hilfsstromversorgungen 
-Stellen Sie sich vor Sie bereiten eine Abnahmemessung vor und durch einen Bedienfehler zeigt ein Messgerät zur geringe Ergebnisse an. Werden daraufhin tausende von Einheiten produziert und eine EMV-Problem wird erst spät erkannt - zum Beispiel +  * das Messgerät selbst
-weil ein Kommunikationsverbindung eines selten genutzten Dienstes ausfällt - hat Ihre Firma ein Problem! +
  
-=== Schritt 2: Verifikation Systemaufbau ===+Zur Überprüfung wird eine **Leermessung** bzw. **Rauschmessung** durchgeführt. Dabei wird: 
 +  * der komplette Messaufbau inklusive Verkabelung aktiviert, 
 +  * der Prüfling jedoch nicht betrieben (z. B. Spannungsversorgung getrennt).
  
-Im nächsten Schritt überprüfen wir ob sich Störungen von außen in unseren Messaufbau einschleichen. EMV-Messungen werden normalerweise in geschirmten Kabinen (EMV-Kabine oder Absorberhalle, engl. anechoic chamber) durchgeführt, mit dem Ziel, dass +So kann sichergestellt werden, dass gemessene Signale tatsächlich vom Prüfling stammen.
-keine Störungen nach außen treten können - bei Störfestigkeitsprüfungen - oder in unserem Fall für die Emissionsmessung keine Störungen von außen eindringen können und das Messergebnis verfälschen. Nicht nur von außen eindringende Signale sind ein Problem. +
-Auch notwendige Messtechnik (z.B. CAN-Messtechnik) oder Hilfsspannungsquellen können Störungen generieren die nicht vom Prüfling selber kommen. Im schlimmsten Fall erzeugt sich das Messgerät intern selber die Störungen welche dauerhaft im Spektrum sichtbar sind. +
-Um hier alle Fehler auszuschließen und um sicherzustellen, dass die gemessenen Störungen auch von unserem Prüfling kommen machen wir eine **Leermessung** oder auch **Rauschmessung**. Dazu stellen wir das Messgerät entsprechend den Anforderungen der Norm im betrachteten +
-Frequenzbereich und Bandbreite ein und führen eine Messung durch. Wichtig ist, dass dabei alle Leitungsverbindungen, Spannungsversorgung usw. aktiv bzw. vorhanden sind, der Prüfling bleibt allerdings inaktiv (Hauptschalter unterbrochen bzw. Spannungsversorgung abgezogen in unserem Fall).+
  
 === Schritt 3: Bestandsaufnahme === === Schritt 3: Bestandsaufnahme ===
  
-Jetzt geht es darum ein Gefühl dafür zu bekommen ob das Gerät eventuell bereits die Grenzwerte einhält oder ob wir durch Hardwaremaßnahmen nachbessern müssen. Während der Bestandsaufnahme wird der Prüfling in definierte Zustände gebracht (typische Anwendungsfälle), die Emissionen gemessen +Im dritten Schritt wird bewertet, ob der Prüfling die Grenzwerte bereits einhält oder ob Maßnahmen erforderlich sind. Dazu wird der Prüfling in verschiedene typische Betriebszustände versetzt und die Emissionen gemessen. 
-und gegenüber den Grenzwertlinien bewertet. Bei einer Kundenentwicklung werden die Betriebszustände und der Messaufbau mit dem Auftraggeber abgesprochen. Bei Plattformentwicklungen, also Vorausentwicklungen eines Zulieferers können Sie die Zustände selber sinnvoll festlegen.+ 
 +Die Messergebnisse werden mit den zulässigen Grenzwerten verglichen.   
 +Bei Kundenprojekten werden die Betriebszustände in der Regel abgestimmt. Bei Vorentwicklungen können diese eigenständig sinnvoll definiert werden.
  
 === Schritt 4: Entstörung === === Schritt 4: Entstörung ===
  
-Die ersten drei Schritte sind üblicherweise langweilig und laufen routiniert in vielen EMV-Laboren bzw. EMV-Abteilungen ab. Spannend wird es wenn die Grenzwerte überschritten sind und wir uns auf die Suche machen müssen nach geeigneten Gegenmaßnahmen. Zur Reduktion leitungsgebundener Emissionen kommen üblicherweise Filter in den Versorgungsleitungen zum Einsatz. In unserem EMV-Versuch haben wir es einfach, und müssen lediglich die Jumper über den Filterelementen entfernen. In der Realität gilt es geeignete Filterlemente auszuwählen entsprechend dem Bauraum und der geforderten Stromtragfähigkeit, Spannungsfestigkeit, usw.. Besonders bei der Auswahl geeigneter Filterelemente haben wir die Möglichkeit die Störungen in Gleich- und Gegentaktstörungen zu zerlegen und so die Filter gezielt im entsprechenden Frequenzbereich auszulegen.\\ +Die ersten drei Schritte verlaufen in der Praxis meist routiniert. Kritisch wird es, wenn Grenzwerte überschritten werden und Maßnahmen zur Entstörung erforderlich sind.
-Falls das alles nichts hilft oder zu wenig Bauraum vorhanden ist muss die Schaltung optimiert werden. In detektivischer Arbeit gilt es dann herauszufinden welche Baugruppe für die Störungen verantwortlich ist um diese dann lokal zu bekämpfen bzw. das Layout ggf. zu optimieren.+
  
 +Zur Reduktion leitungsgebundener Emissionen werden typischerweise Filter in den Versorgungsleitungen eingesetzt. Im vorliegenden Versuch können diese einfach durch Entfernen der entsprechenden Jumper aktiviert werden.
  
 +In der Praxis müssen geeignete Filterelemente unter Berücksichtigung von:
 +  * Bauraum
 +  * Stromtragfähigkeit
 +  * Spannungsfestigkeit
 +ausgewählt werden.
  
 +Ein wichtiger Ansatz ist die Trennung von Gleich- und Gegentaktstörungen, um Filter gezielt auslegen zu können. \\
 +
 +Falls dies nicht ausreicht oder kein ausreichender Bauraum vorhanden ist, muss die Schaltung selbst optimiert werden. In einer detaillierten Analyse wird ermittelt, welche Baugruppe die Störungen verursacht, um gezielte Maßnahmen (z. B. Layoutoptimierung) umzusetzen.
  
 <WRAP center round info 60%> <WRAP center round info 60%>
-Hinweis: Wir betrachten für unseren Aufbau nur die Maximalwerte der Störungen. Das bedeutet wir messen stets mit einem Spitzenwertdetektor. Durch die hohe Taktfrequenz des Tiefsetzstellers haben die verschiedenen Messverfahren Spitzenwert- Mittelwert- und Quasispitzenwert +Hinweis: In diesem Versuch werden ausschließlich Maximalwerte betrachtet. Die Messung erfolgt daher mit einem Spitzenwertdetektor. Aufgrund der hohen Schaltfrequenz des Tiefsetzstellers liefern Spitzenwert-, Mittelwert- und Quasispitzenwertdetektoren nahezu identische Ergebnisse.   
-nahezu identische Ergebnisse. Bewertet werden müssen stets die Störungen für beide Versorgungsklemmen (Bat + und Bat -).+Bewertet werden müssen die Emissionen an beiden Versorgungsklemmen (Bat+ und Bat−).
 </WRAP> </WRAP>
  
-Die Schritte 1 - 3 werden üblicherweise im Prüfplan und Prüfbericht mit dokumentiert und deuten damit auf ein vertrauenswürdiges Ergebnis hin. Finale EMV-Prüfberichte werden nur mit eingehaltenen Grenzwerte veröffentlicht oder nach außen bzw. an den Kunden gegeben. Bei eingefügten Entstörmaßnahmen oder optimierten Schaltungen bzw. Layouts handelt es sich um technisches Know-How Ihrer Firma und Ihnen und wird entsprechend vertraulich behandelt! +Die Schritte 1 bis 3 werden üblicherweise im Prüfplan und im Prüfbericht dokumentiert und dienen als Nachweis für die Validität der Messergebnisse.   
 +Finale EMV-Prüfberichte werden nur bei Einhaltung der Grenzwerte veröffentlicht bzw. an Kunden weitergegeben.  
  
 +Maßnahmen zur Entstörung sowie optimierte Schaltungs- und Layoutlösungen stellen unternehmensspezifisches Know-how dar und werden entsprechend vertraulich behandelt.
 ==== Aufgabe 10 ====  ==== Aufgabe 10 ==== 
  
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 </WRAP> </WRAP>
  
-==== Entstörung ==== +==== Entstörung ====
  
-In unserem Beispiel gilt es die Grenzwerte der leitungsgebundenen Emissionen einzuhalten. Da in modernen Fahrzeugen, und dabei vor allem im Innenraum, sehr viel Elektronikkomponenten +In unserem Beispiel müssen die Grenzwerte für leitungsgebundene Emissionen eingehalten werden. In modernen Fahrzeugen – insbesondere im Innenraum – ist eine hohe Dichte an elektronischen Komponenten vorhanden. Daher ist davon auszugehen, dass sehr strenge Grenzwerte an unsere Komponente gestellt werden.
-verbaut sind, müssen wir davon ausgehen, dass unsere Kunden die schärfsten Grenzwerte an unsere Komponente anlegen. Das bedeutet, wir müssen die Komponente entstören. Bisher haben wir den Eingangsfilter außen vorgelassen und ohne +
-jegliche Filterschaltung in den Versorgungsleitungen gemessen. In der Realität kommt keine Komponente ohne solche Filter am Eingang aus, womit diese immer im Design berücksichtigt werden müssen. Die Kunst besteht nun darin  +
-die Filterschaltung so klein wie notwendig und natürlich auch so günstig wie möglich darzustellen. Daher ist es immer schlauer die Entstehung hochfrequenter Emissionen zu verhindern, also die Störquelle zu reduzieren, als später deren +
-Auswirkungen zu unterdrücken. \\ +
-Die wichtigsten Layoutregeln lauten hier: +
-  * Masse stets so niederohmig wie möglich gestalten +
-  * Rückstrompfade nicht dem Zufall überlassen und dafür sorgen, dass diese nahe der Zuleitung verlaufen können +
-  * Strompfade bzw. Schleifen so klein wie möglich halten+
  
-Während der Entwicklung der Platine in einem studentischen Projekt wurden einige Punkte bereits berücksichtigt. Da die Grenzwerte noch nicht ganz eingehalten werden können müssen wir nun eine geeignete Filterschaltung wählen. +Dies bedeutet, dass eine gezielte Entstörung erforderlich ist. Bisher wurde der Eingangsfilter bewusst weggelassen, sodass Messungen ohne jegliche Filterung in den Versorgungsleitungen durchgeführt wurden. In der Praxis kommt jedoch keine elektronische Baugruppe ohne geeignete Eingangsfilter aus. Diese müssen daher bereits im Design berücksichtigt werden. 
-Nachfolgende Abbildung zeigt die möglichen Filterschaltungen die auf der Platine umgesetzt werden können:+ 
 +Die Herausforderung besteht darin, die Filterschaltung so klein und kostengünstig wie möglich auszulegen. Grundsätzlich gilt: Es ist immer effektiver, die Entstehung von Störungen zu minimieren, als deren Auswirkungen nachträglich zu unterdrücken. \\ 
 + 
 +Wichtige Layoutregeln sind: 
 +  * Masseverbindungen möglichst niederohmig ausführen 
 +  * Rückstrompfade gezielt führen und möglichst nahe an den zugehörigen Hinleitungen halten 
 +  * Stromschleifen möglichst klein halten 
 + 
 +Im Rahmen der bisherigen Entwicklung wurden bereits einige dieser Punkte berücksichtigt. Da die Grenzwerte jedoch noch nicht vollständig eingehalten werden, ist nun eine geeignete Filterschaltung zu implementieren. 
 + 
 +Die folgende Abbildung zeigt mögliche Filtertopologien, die auf der Platine realisiert werden können:
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:filterschaltung.jpg?800 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:filterschaltung.jpg?800 |}}
  
-Die Gleichtaktspule und die Filterinduktivität sind fest vorgegeben. Die Bauteile der Kondensatoren können Sie nach belieben wählen. Es muss lediglich der Footprint auf der Platine mit Ihrer Auswahl übereinstimmen. +Die Gleichtaktdrossel (L1) und die Filterinduktivität (L2) sind vorgegeben. Die Kondensatoren können frei gewählt werden, sofern ihre Bauform (Footprint) mit dem Layout kompatibel ist. Die im Schaltplan angegebenen Werte dienen lediglich als Richtwerte.
-Die im Schaltplan angegebenen Werte sind Richtwerte und müssen nicht übernommen werden. In einem realen Projekt wäre die Schaltung vorgegeben und Sie als EMV- Ingenieur müssen nun mit dem vorhandenen Filerdesign das Beste Ergebnis erzielen.+
  
-Schauen Sie sich doch einfach mal die Datenblätter der Gleichtaktspule L1 {{ :professoren_webseiten:rebholz:744290121-1721527.pdf |}} und der Filterinduktivität L2 {{ :professoren_webseiten:rebholz:7447709220.pdf |}}im Datenblatt an. +In einem realen Projekt ist das Filterdesign häufig vorgegeben, und die Aufgabe besteht darin, mit den vorhandenen Komponenten das bestmögliche Ergebnis zu erzielen.
-Dabei sind vor allem die Impedanzverläufe über der Frequenz interessant. Eine Spule soll ja hochfrequenten Strömen blockieren. Das bedeutet natürlich je höher die Impedanz, desto besser für uns. Auffällig ist natürlich jeweils, dass die Impedanz oberhalb +
-der Resonanzfrequenz drastisch abfällt.\\+
  
-==== Impedanzanalysator ==== +Betrachten Sie hierzu die Datenblätter der Gleichtaktdrossel L1   
 +{{ :professoren_webseiten:rebholz:744290121-1721527.pdf |}}   
 +und der Filterinduktivität L2   
 +{{ :professoren_webseiten:rebholz:7447709220.pdf |}}.
  
-Die verfügbaren Kondensatoren (X-Kondensatoren) können wir selber nachmessen mit unserem Impedanzanalysator. \\+Besonders relevant ist der Impedanzverlauf über der Frequenz. Ziel ist es, hochfrequente Störströme zu blockieren, was einer möglichst hohen Impedanz entspricht. Auffällig ist jedoch, dass die Impedanz oberhalb der Eigenresonanzfrequenz der Bauteile stark abfällt. Dies muss bei der Auslegung der Filter berücksichtigt werden. 
 +==== Impedanzanalysator ====
  
 +Die verfügbaren Kondensatoren (X-Kondensatoren) können mit dem Impedanzanalysator vermessen werden. \\
 +
 +Der Impedanzanalysator dient zur Bestimmung der frequenzabhängigen Impedanz sowie der Phasenverschiebung eines Bauteils. In diesem Fall können Messungen im Bereich von 20 Hz bis 120 MHz durchgeführt werden. Die folgende Anleitung beschreibt die grundlegende Inbetriebnahme des Geräts.
  
-Der Impedanzanalysator dient dazu die Impedanz und die Phasenverschiebung eines beliebigen Bauteils zu ermitteln. In diesem Fall sind mit dem Gerät die Verläufe von 20Hz bis 120MHz darstellbar. Die folgende Einweisung soll helfen den Impedanzanalysator bis zur Betriebsfähigkeit einzustellen. 
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:impedanzanalysator_emv_lavor.jpg?600 |}} {{ :professoren_webseiten:rebholz:impedanzanalysator_emv_lavor.jpg?600 |}}
  
-  - Nach dem Hochfahren zeigt der Impedanzanalysator die Impedanz und die Phasenverschiebung in einem bestimmten Frequenzbereich an. Nun muss die verwendete Messeinrichtung kalibriert werden. Dazu wird zuerst mit der Taste „Cal“ das Kalibrierungsmenü geöffnet. Daraufhin muss mit dem Menüpunkt „Accessory“ die verwendete Messeinrichtung ausgewählt werden.  +  * Nach dem Einschalten zeigt der Impedanzanalysator die Impedanz und die Phasenverschiebung über einen bestimmten Frequenzbereich an. Zunächst muss die verwendete Messeinrichtung kalibriert werden. Öffnen Sie dazu mit der Taste „Cal“ das Kalibriermenü und wählen Sie unter „Accessory“ den verwendeten Messadapter aus.
-  - In diesem Beispiel wurde der Messadapter „16047E“ verwendet. In dem Untermenü „Fixture Compen“ wird die Kalibrierung gestartet. Zuerst wird der Messadapter „offen“ kalibriert. Dabei darf kein Bauteil eingespannt sein. Mit dem Button „open“ wird die Kalibrierung gestartet. Mit einem Piepsen ist der Vorgang abgeschlossen.  +
-  - Für den nächsten Schritt wird ein definiertes Bauteil in den Adapter eingespannt (Kurzschlussbügel). Dieses „goldene Plättchen“ ist mit an gerändelten Schraube an dem Messadapter befestigt. Das Plättchen ist zu lösen und in den Messadapter einzuspannen.  +
-  - Als nächstes wird im gleichen „Fixture Compen“ Menü die Kalibrierungsoption „Short“ genutzt. Wieder wird mit einem Piepsen den Abschluss des Vorgang bestätigt. Damit ist die Kalibrierung des Messadapter abgeschlossen. Nun können die Bauteile vermessen werden. Das weitere Vorgehen wird Anhand von einem 10nF Keramikkondensator beschrieben. Zuerst wird das Bauteil in den Messadapter eingespannt.  +
-  - Nun sollte Anzeige eingestellt werden. Dies erfolgt im „Sweep Setup“ Menü. Mit der Einstellung „Sweep Type“ und dann auf „Log Freq“ wird der Frequenzbereich logarithmisch dargestellt.  +
-  - Im „Format“ Menü kann zusätzlich sie Y-Achsen Skalierung auf logarithmisch eingestellt werden.  +
-  - Um nun die Anzeigen hinreichend passend darzustellen, kann im Menü „Scale“ die Funktion „Auto Scale“ für eine Darstellung bzw. „Auto Scale All“ für alle Darstellungen verwendet werden.  +
-  - Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt im „Analysis“ Menü. Um nun die Werte von der Kapazität, der Induktivität und des Widerstandes zu ermitteln, muss das Untermenü „Equivalent Circut“ ausgewählt werden. Der Sinn dieses Menü ist es die realen Werte des Bauteils mit denen von einer bestimmten Ersatzschaltung zu vergleichen. Wenn die Verläufe der Ersatzschaltung mit denen des realen Bauteils übereinstimmen, sind die Werte des Bauteils gefunden. Um den Visuellen Vergleich zu starten, sollten die Einstellungen „Simulate“ und „Display“ auf „ON“ gestellt werden.  +
-  - Nun muss eine Ersatzschaltung für das Bauteil im Untermenü „Select Circut“ ausgewählt werden. Die Wahl der Ersatzschaltung hängt von der Art des Bauteils ab.  +
-  - Man sollte verschiedene Ersatzschaltungen verwenden und dann über die Plausibilität der berechneten Werte nachdenken. Um einen berühmten Professor zu zitieren:„ Wenn die Bauteilwerte negativ sind, ist das schonmal schlecht“. Mit der Wahl des Ersatzschaltbild, kann nun im „Equivalent Circut“ Menü der Button „Calculate“ verwendet werden.  +
-  - Jetzt versucht das Programm Bauteilwerte zu bestimmen, welche einen Verlauf der Ergebnisse ergeben, die den realen Verläufen möglichst nahe kommen. Bei einfachen Bauteilen, wie diesem Kondensator, ist dies sehr zuverlässig. Wenn die Verläufe übereinstimmen, sind die Bauteilwerte bestimmt. Bei komplexeren Bauteilen kann es vorkommen, dass die Verläufe nicht sofort übereinstimmen. Dann können die Bauteilwerte der Ersatzschaltung angewählt und mit dem Stellrad oder mit den Nummerntasten nachkorrigiert werden.+
  
-==== Aufgabe 11 ====  +  * In diesem Beispiel wird der Messadapter „16047E“ verwendet. Im Menü „Fixture Compen“ wird die Kalibrierung gestartet. Zunächst erfolgt eine „Open“-Kalibrierung, bei der kein Bauteil eingespannt sein darf. Starten Sie den Vorgang mit „Open“. Ein akustisches Signal bestätigt den Abschluss.
  
-Bei der Auswahl der Filterelemente geht man üblicherweise wie folgt vor:+  * Für den nächsten Schritt wird ein definierter Kurzschluss (Kurzschlussbügel) in den Adapter eingespannt. Dieses Bauteil ist meist als kleines metallisches Plättchen am Adapter befestigt.
  
-**Schritt 1:**\\ +  * Anschließend wird im selben Menü die „Short“-Kalibrierung durchgeführt. Auch hier signalisiert ein Ton den erfolgreichen Abschluss. Damit ist die Kalibrierung abgeschlossen.
-Bestimmen der dominierenden Störgröße (Gleich- oder Gegentaktstörung). Diese Aufgabe haben wir bereits erledigt. Wir kennen nun die Größe gegen die wir hauptsächlich etwas unternehmen müssen. Typischerweise sind Gegentaktstörungen für tiefe Frequenzen dominant, Gleichtaktstörungen für Frequenzen ab ca. 10 MHz. Der Übergang zwischen den dominanten Störgrößen hängt hauptsächlich vom Aufbau ab, wobei es keinen allgemeine Regel gibt in welchem Frquenzbereich eine Störgröße dominiert.\\ +
-**Schritt 2:**\\ +
-Mit dem Wissen über die dominante Störgröße suchen wir uns nun ein geeignetes Filterelement aus und überprüfen in einer erneuten Messung die Wirkung. Da die Grenzwerte stets auf "nodale" Größen, also gegen Referenzmasse bezogen sind müssen wir nun noch überprüfen ob durch das +
-Filterelement auch eine Wirkung gegenüber den Grenzwerten erzielt werden kann. +
-Bei der Bewertung der Filterelemente stellen wir stets Messungen gegenüber mit / ohne Filterelement sowohl für Gleich-/ Gegentaktwirkung, als auch für die nodalen Größen.  +
-\\ +
-**Schritt 3:**\\ +
-Wir wiederholen die Schritte mit verschiedenen Filterelementen bis wir die Grenzwerte einhalten oder uns die Ideen ausgehen :-(\\ +
-Sollte das der Fall sein bleibt nur noch die Möglichkeit die Filterstruktur zu ändern (also alles von Vorne) oder nach der Quelle der Störungen zu suchen. Ist die Störquelle bekannt ist es vielleicht möglich durch eine Layoutänderung die EMV-Eigenschaften zu verbessern oder lokale  +
-Filter einzufügen. In vielen Fällen kann ein weiteres Hardwaremuster jetzt nicht mehr abgewendet werden. Für den Projektzeitplan hat dies ggf. fatale Folgen. +
  
-**Glück des Tüchtigen:**\\ +  * Nun kann das zu vermessende Bauteil (z. B. ein 10 nF Keramikkondensator) in den Messadapter eingesetzt werden.
-Auch Lösungen die auf den ersten Blick nichts mit den Versorgungsleitungen zu tun haben können helfen. \\ +
-Probieren Sie es doch einfach aus:\\ +
-  * Filter im Ausgangspfad (an der Last) +
-  * Ferrite auf der Zuleitung (können zur Not auch noch spät im Projekt angebracht werden) +
-  * Ferrit im Ausgangspfad (Heizelement)+
  
 +  - Die Darstellung wird im Menü „Sweep Setup“ konfiguriert. Wählen Sie unter „Sweep Type“ die Option „Log Freq“, um den Frequenzbereich logarithmisch darzustellen.
  
-**Fazit:**\\ +  * Im Menü „Format“ kann zusätzlich die Y-Achse auf eine logarithmische Darstellung eingestellt werden.
-EMV-Optimierungen in einer späten Musterphase (C-Muster bzw. Vorserie) sind viel zu spät. Treten Grenzwertüberscheitungen auf die durch reine Bauteilanpassungen nicht mehr behebbar sind muss ein neuer Musterstand eingeplant werden.+
  
 +  * Für eine optimale Darstellung wählen Sie im Menü „Scale“ die Funktion „Auto Scale“ bzw. „Auto Scale All“.
 +
 +  * Die Auswertung erfolgt im Menü „Analysis“. Um die Bauteilparameter zu bestimmen, wählen Sie das Untermenü „Equivalent Circuit“. Ziel ist es, die Messkurven mit einem geeigneten Ersatzschaltbild zu vergleichen.
 +
 +  * Aktivieren Sie dazu die Optionen „Simulate“ und „Display“. Anschließend wählen Sie im Untermenü „Select Circuit“ ein passendes Ersatzschaltbild aus. Die Wahl hängt vom Bauteiltyp ab.
 +
 +  * Es empfiehlt sich, verschiedene Ersatzschaltungen zu testen und die Plausibilität der berechneten Werte zu prüfen. Ein praktischer Hinweis: Sind berechnete Bauteilwerte negativ, ist das Ergebnis physikalisch nicht sinnvoll.
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 +  * Mit dem Button „Calculate“ wird eine Anpassung durchgeführt. Das Gerät bestimmt Bauteilwerte, deren simulierte Kennlinie möglichst gut mit den gemessenen Daten übereinstimmt.
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 +  * Bei einfachen Bauteilen wie Kondensatoren gelingt diese Anpassung in der Regel sehr zuverlässig. Bei komplexeren Bauteilen kann eine manuelle Nachjustierung erforderlich sein. In diesem Fall können die Parameter im Ersatzschaltbild gezielt angepasst werden.
 +==== Aufgabe 11 ====
 +
 +Bei der Auswahl geeigneter Filterelemente wird üblicherweise wie folgt vorgegangen:
 +
 +**Schritt 1:** \\
 +Bestimmung der dominierenden Störgröße (Gleich- oder Gegentaktstörung). Diese Aufgabe wurde bereits durchgeführt. Es ist bekannt, gegen welche Störgröße primär Maßnahmen erforderlich sind. Typischerweise dominieren Gegentaktstörungen im niedrigen Frequenzbereich, während Gleichtaktstörungen häufig ab etwa 10 MHz relevant werden. Der genaue Übergangsbereich hängt jedoch stark vom konkreten Aufbau ab und lässt sich nicht allgemeingültig festlegen. \\
 +
 +**Schritt 2:** \\
 +Basierend auf der dominierenden Störgröße wird ein geeignetes Filterelement ausgewählt und dessen Wirkung durch erneute Messungen überprüft. Da die Grenzwerte auf nodale Größen (Bezug zur Referenzmasse) bezogen sind, muss zusätzlich bewertet werden, ob das Filter auch in Bezug auf die Grenzwerte wirksam ist.
 +
 +Zur Bewertung werden stets Vergleichsmessungen durchgeführt:
 +  * mit und ohne Filterelement
 +  * für Gleich- und Gegentaktanteile
 +  * sowie für die resultierenden nodalen Größen \\
 +
 +**Schritt 3:** \\
 +Die Schritte werden mit unterschiedlichen Filterelementen wiederholt, bis die Grenzwerte eingehalten werden oder keine weiteren Optimierungsmöglichkeiten ersichtlich sind.
 +
 +Falls dies nicht zum Erfolg führt, bleibt nur:
 +  * eine Anpassung der Filterstruktur (Neudesign),
 +  * oder die gezielte Analyse und Reduktion der Störquelle.
 +
 +Ist die Störquelle identifiziert, kann diese oft durch Layoutoptimierungen oder lokale Filtermaßnahmen reduziert werden. In vielen Fällen ist jedoch ein neuer Hardwarestand erforderlich, was Auswirkungen auf den Projektzeitplan haben kann.
 +
 +**Glück des Tüchtigen:** \\
 +Auch Maßnahmen außerhalb der direkten Versorgungspfade können wirksam sein. Beispiele:
 +  * Filter im Ausgangspfad (an der Last)
 +  * Ferrite auf den Versorgungsleitungen
 +  * Ferrite im Ausgangspfad (z. B. am Heizelement)
 +
 +**Fazit:** \\
 +EMV-Optimierungen in späten Entwicklungsphasen (z. B. C-Muster oder Vorserie) sind kritisch. Können Grenzwertüberschreitungen nicht mehr durch einfache Bauteilanpassungen behoben werden, ist in der Regel ein neuer Hardwarestand erforderlich.
  
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-  - Messen Sie den Betrag der Impedanz verschiedener Kondensatoren und überlegen Sie ob diese als X-Kondensatorelement zum Einsatz kommen können. Stellen Sie den Impedanzverlauf verschiedener Kondensatoren gegenüber.  +  - Messen Sie den Betrag der Impedanz verschiedener Kondensatoren und bewerten Sie deren Eignung als X-Kondensatoren. Vergleichen Sie die Impedanzverläufe. 
-  - Suchen Sie nach der besten Filterlösung für unser Produkt +  - Finden Sie die optimale Filterlösung für das gegebene System. 
-  - Erklären Sie warum in unserem Beispiel keine Y-Kondensatoren zum Einsatz kommen können. +  - Erklären Sie, warum in diesem Aufbau keine Y-Kondensatoren eingesetzt werden können. 
-  - Erstellen Sie einen EMV-Prüfbericht mit dem Fazit und Endergebnis+  - Erstellen Sie einen EMV-Prüfbericht mit Fazit und Endergebnis.
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-Hinweis: Die von uns hier entwickelte Sitzheizung reicht nur für einen kleinen Sitz. Die Sitzheizung in modernen Fahrzeugen hat eine Leistung von mehreren hundert Watt. +Hinweis: Die hier entwickelte Sitzheizung ist für Demonstrationszwecke ausgelegt. In realen Anwendungen erreichen Sitzheizungen Leistungen von mehreren hundert Watt.
professoren_webseiten/rebholz/emv-labor.1776848624.txt.gz · Zuletzt geändert: 2026/04/22 09:03 von hrebholz
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