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Koppelmechanismen

Koppelmechanismen beschreiben die Art und Weise, wie Störgrößen von einer Störquelle auf eine Störsenke übertragen werden. Das folgende Bild verdeutlicht die möglichen Koppelmechanismen.

Grundlegend wird zwischen leitungsgebundenen und feldgebundenen Koppelmechanismen unterschieden. Während sich die leitungsgebundenen Störungen innerhalb von gemeinsamen Stromkreisen ausbreiten, erfolgt die Ausbreitung feldgebundener Störungen auch zwischen galvanisch getrennten Systemen.

 

Galvanische Kopplung

Die galvanische Kopplung tritt in Stromkreisen mit gemeinsamen Spannungsquellen und gemeinsamen Leiterbahnen bzw. gemeinsamen Leitungen auf.
Nebenstehendes Bild verdeutlicht an einem Beispiel die Zusammenhänge. Der Strom I1 im Gerät 1 verursacht an der Leitungsimpedanz Z einen Spannungsabfall UZ. Die Versorgungsspannung U2 für das Gerät 2 ergibt sich nach dem Maschensatz zu:

U2 = UB - UZ

Damit verursacht der Strom I1 eine Absenkung der Versorgungsspannung U2 für das Gerät 2. Diese Absenkung ist um so größer,

• je größer der Strom I1,
• je größer die Änderungsgeschwindigkeit di1/dt des Stromes I1
• und je größer die Leitungsimpedanz Z sind.
  

Induktive Kopplung

Die induktive Kopplung wird durch die zeitliche Veränderung eines Magnetfeldes hervorgerufen.
Jeder stromdurchflossene Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben. Dieses Magnetfeld durchsetzt benachbarte Stromkreise. Ändert sich der im Leiter fließende Strom I1 zeitlich, induziert das damit verbundene veränderliche Magnetfeld eine Spannung Uind im benachbarten Stromkreis. Diese induzierte Spannung ist der eigentlichen Betriebsspannung U2 überlagert. An der Verbraucherimpedanz Z2 wird die Summenspannung

Usumme = U2 + Uind

wirksam. Wäre beispielsweise Z2 die Eingangsimpedanz eines Meßverstärkers, würde die eigentliche Messspannung U2 durch eine überlagerte Störspannung verfälscht.

Die induzierte Spannung Uind ist um so größer,

• je größer die Änderungsgeschwindigkeit di1/dt des Stromes I1
• und je größer die Koppelinduktivität zwischen dem Leiter und dem beeinflussten Stromkreis sind.
  

Das nebenstehende Bild zeigt den wirksamen Ersatzschaltplan.

 

Die kapazitive Kopplung

Die kapazitive Kopplung wird durch die zeitliche Veränderung eines elektrischen Feldes hervorgerufen.
Jeder spannungsführende Leiter 1 ist von einem elektrischen Feld umgeben. Dieses Feld durchsetzt auch den benachbarten Leiter 2. Ändert sich das Potential des Leiters 1, so ändert sich auch sein elektrisches Feld. Das führt zum Aufbau bzw. Abbau von Ladungsträgern im Leiter 2. Der Auf- und Abbau von Ladungsträgern in Leiter 2 hat einen Stromfluss im Stromkreis 2 zur Folge, der einen veränderten Spannungsabfall Usumme an der Verbraucherimpedanz Z2 hervorruft.

Usumme = U2 + Ukap

Wäre beispielsweise Z2 die Eingangsimpedanz eines Messverstärkers, würde die eigentliche Messspannung U2 durch eine überlagerte Störspannung verfälscht.

Prinzipiell kann eine kapazitive Verkopplung auch zwischen Leitern eines Stromkreises auftreten.

Die Fehlerspannung Spannung Ukap ist um so größer,

• je größer die Änderungsgeschwindigkeit du1/dt der Spannung U1
• und je größer die Koppelkapazität zwischen den Leitern 1 und 2 sind.
  

Das nebenstehende Bild zeigt den wirksamen Ersatzschaltplan und den Lade- bzw. Entladestrom der Koppelkapazität.

 

Kopplung durch elektromagnetische Strahlung

Die Kopplung durch elektromagnetische Strahlung wird durch elektromagnetische Wellen hervorgerufen. Elektromagnetische Wellen lösen sich von Stromkreisen ab und breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus. Sie sind quantitativ durch ihre elektrische und magnetische Feldstärke gekennzeichnet. Beide Komponenten sind fest miteinander verknüpft. Das veränderliche Magnetfeld ruft ein veränderliches elektrisches Feld hervor, das wiederum ein Magnetfeld hervorruft. Über diesen Mechanismus breitet sich die Welle im Raum aus.

Elektromagnetische Wellen entstehen ursächlich entweder

• durch ein starkes zeitlich veränderliches Magnetfeld oder
• durch ein starkes zeitlich veränderliches elektrisches Feld.

Anordnungen, die diese Felder hervorrufen oder auf solche Felder reagieren, bezeichnet man als Dipole oder Antennen.

• Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld wird durch einen zeitlich veränderlichen Strom in einem magnetischen Dipol bzw. einer Leiterschleife hervorgerufen. Dieser Dipol kann jedoch auch als Empfänger arbeiten, wenn er von einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld einer anderen Quelle durchsetzt wird. Dann induziert das Magnetfeld eine Spannung im Dipol.
  Je größer die Fläche des Dipols bzw. der Leiterschleife ist, um so tiefere Frequenzen können abgestrahlt bzw. empfangen werden.
• Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld wird durch eine zeitlich veränderliche Spannung in einem elektrischen Dipol bzw. einem geraden Leiter hervorgerufen. Auch dieser Dipol kann als Empfänger arbeiten, wenn er von einem zeitlich veränderlichen elektrischen Feld einer anderen Quelle durchsetzt wird. Dann influenziert das elektrische Feld die Bewegung von Ladungsträgern im Dipol.
  Je länger der Dipol bzw. der gerade Leiter ist, um so tiefere Frequenzen können abgestrahlt bzw. empfangen werden.

Das nebenstehende Bild zeigt den wirksamen Ersatzschaltplan bei Einkopplung elektromagnetischer Strahlung. Die Wirkung des Dipols wird durch eine zusätzliche Wechselspannungsquelle im Stromkreis berücksichtigt.

 

Nah- und Fernfelder

Die elektromagnetische Strahlung hat ihre Ursache in magnetischen und elektrischen Wechselfeldern und ist damit den induktiven und kapazitiven Koppelmechanismen verwandt. Die Unterscheidung, ob induktive bzw. kapazitive Störbeeinflussung oder elektromagnetische Strahlung vorliegt, lässt sich anhand der Entfernung zwischen Störquelle und Störsenke beurteilen. Man unterscheidet

• ein Nahfeld und
• ein Fernfeld.

Diese Definition bezieht sich auf die Wellenlänge λ des Störsignals S. Das Störsignal S als Funktion des Weges x ist definiert durch:

S = Smax*sin(x*2π/λ)

Für Abstände x, die sehr viel größer sind als λ/2π spricht man von einem Fernfeld. Im Fernfeld liegt eine Beeinflussung durch elektromagnetische Strahlung vor.

Mit der Gleichung

	c: Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s)
c = f * λ	f: Frequenz
	λ: Wellenlänge

lässt sich nebenstehendes Diagramm zu Unterscheidung von Nah- und Fernfeldern in Abhängigkeit von der Frequenz des Störsignals angeben.