Symmetrische und asymmetrische Störungen
Symmetrische und asymmetrische Störungen sind die wesentlichen Herausforderungen im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Das Verständnis dieser beiden Störungsarten ist entscheidend, um Störungen in elektrischen Systemen zu erkennen und geeignete Maßnahmen zur Reduktion zu ergreifen. Beide Arten von Störungen unterscheiden sich grundlegend in ihrer Entstehung, ihrer Ausbreitungsart und ihren Wirkungen auf elektronische Geräte und Systeme.
Asymmetrische Störungen, auch als Gleichtaktstörungen bezeichnet, treten auf, wenn sich in beiden Leitern eines Leitungspaares dieselbe Störspannung mit identischer Polarität ausbreitet. Das bedeutet, dass die Störung in beiden Leitern gleichzeitig und in die gleiche Richtung fließt. Eine typische Quelle asymmetrischer Störungen sind externe, sowie interne elektromagnetische Felder, die kapazitiv und induktiv, aber auch über Strahlung in das Netz einkoppeln. Beispielsweise können Frequenzumrichter, die nicht ausreichend entstört sind, solche Felder erzeugen, die sich als Gleichtaktstörungen über die Stromversorgung auf andere Geräte übertragen. Da die Störung auf beide Leiter in gleicher Weise einwirkt, kann sie sich über große Flächen ausbreiten und mehrere Geräte gleichzeitig beeinflussen. Ein weiteres charakteristisches Merkmal von Gleichtaktstörungen ist, dass sie sich oft über Gehäuse und Masseverbindungen einkoppeln und zu Funktionsstörungen in empfindlichen Geräten führen können.
Im Gegensatz dazu entstehen symmetrische Störungen, die auch als Gegentaktstörungen bezeichnet werden, durch Spannungsdifferenzen zwischen den Leitern eines Leitungspaares. Diese Störungen wirken sich als Differenzspannung aus, wobei der Störstrom in entgegengesetzten Richtungen in den beiden Leitern fließt. Symmetrische Störungen treten typischerweise innerhalb eines Systems auf und sind oft das Resultat von unsymmetrischen Leiterführungen, Schaltvorgängen durch die Leistungselektronik oder Massepotenzialverschiebungen. Ein klassisches Beispiel für symmetrische Störungen sind Störungen, die durch die Schaltvorgänge in Transformatoren oder durch Streufelder in elektrischen Schaltungen entstehen. Diese Art von Störung beeinträchtigt vor allem die Signalqualität, da sie zu Verzerrungen oder Datenfehlern in Kommunikationssystemen führt. Im Hochfrequenzbereich können symmetrische Störungen zudem ungewollte Rückkopplungen verursachen, was die Funktionalität empfindlicher Schaltungen beeinträchtigt.
Die Ursachen dieser beiden Störungsarten sind vielfältig und reichen von externen elektromagnetischen Einflüssen bis hin zu internen systembedingten Prozessen. Beide Arten von Störungen können erhebliche Auswirkungen auf die Funktion elektrischer Systeme haben. Asymmetrische Störungen führen dazu, dass Geräte unerwartet neu starten, Signale gestört oder verfälscht werden und sicherheitskritische Funktionen ausfallen. Symmetrische Störungen beeinflussen insbesondere die Qualität der Signalübertragung und bewirken Datenfehler in Kommunikationssystemen, Störungen im Hochfrequenzbereich und ungewollte Rückkopplungen in Schaltungen.
Um Störungen zu erkennen und zu analysieren, müssen geeignete Messverfahren genutzt werden. Bei der Gleichtaktmessung wird geprüft, ob auf beiden Leitern eine gleichartige Störung auftritt, während bei der Differenztaktmessung gemessen wird, ob eine Spannungsdifferenz zwischen den Leitern vorliegt. Zur Messung werden vor allem Spektrumsanalysatoren und Oszilloskope eingesetzt. Eine messtechnische Erfassung ist essenziell, um den Störungstyp korrekt zu bestimmen und entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
Zu den Maßnahmen gegen asymmetrische Störungen gehören der Einsatz von Gleichtaktdrosseln, die Abschirmung gegen externe elektromagnetische Felder, sowie die Verbesserung des Erdungskonzepts. Gleichtaktdrosseln reduzieren asymmetrische Störsignale, indem sie die Impedanz des Strompfades erhöhen und somit den Strom in beiden Leitern gleichermaßen im erforderlichen Frequenzbereich dämpfen. Abschirmungen verhindern das Eindringen externer elektromagnetischer Felder in das System und eine sorgfältige Erdung stellt sicher, dass keine unerwünschten Störströme über das Gerätegehäuse abfließen können. Um darüber hinaus Störungen auf dem Schutzleiter zu minimieren, kommen Schutzleiterdrosseln zum Einsatz.
Gegen symmetrische Störungen helfen vor allem Differenztaktfilter, die speziell dafür ausgelegt sind, Spannungsdifferenzen zwischen dem Hin- und dem Rückleiter zu reduzieren. Zudem ist eine Optimierung der Leiterführung wichtig, um symmetrische Störungen von vornherein zu vermeiden. Eine Reduktion von Streufeldern, beispielsweise durch den Einsatz geeigneter Bauelemente wie geschirmter Transformatoren, kann ebenfalls dazu beitragen, symmetrische Störungen zu minimieren.
In der Praxis treten häufig beide Störungstypen gleichzeitig auf. Ein Beispiel dafür ist ein Schaltnetzteil. Asymmetrische Störungen können dabei durch elektromagnetische Felder entstehen, die vom Netzteilgehäuse abstrahlen und umliegende Bauteile stören. Gleichzeitig können symmetrische Störungen durch interne Schaltvorgänge erzeugt werden, die Spannungsdifferenzen zwischen den Leiterbahnen verursachen und die Signalqualität reduzieren. Der kombinierte Einsatz von Gleichtaktdrosseln, Filtern und einer optimierten Leiterführung kann solche Störungen effektiv reduzieren und die elektromagnetische Verträglichkeit des Systems verbessern.
Die Unterscheidung zwischen symmetrischen und asymmetrischen Störungen ist ein essenzieller Bestandteil der EMV-Analyse und -Optimierung. Nur durch eine gezielte Identifikation des Störungstyps können geeignete Maßnahmen zur Störungsvermeidung implementiert werden. Der Einsatz von Filtern, Abschirmungen und geeigneten Leiterstrukturen spielt eine zentrale Rolle in der Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit und gewährleistet langfristig stabile und störungsfreie Systeme.
