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Kapazitive Beeinflussungen

Kapazitive Beeinflussungen entstehen durch parasitäre Koppelkapazitäten zwischen Leiteranordnungen, die zu verschiedenen Stromkreisen gehören. Die Stromkreise können

• galvanisch getrennt sein oder
• einen gemeinsamen Bezugsleiter haben.

Bei langen, einseitig geerdeten Signalleitungen können Beeinflussungen auftreten, wenn

• große Kapazitäten gegen Erde vorhanden sind.

Die Impedanz der Koppelkapazitäten nimmt mit steigender Frequenz der Störsignale ab. Es gilt:

	1
|Zc| =	______
	ωC

Damit werden hochfrequente Störsignale über kapazitive Koppelwege stärker übertragen als niederfrequente Störsignale.

 

Kapazitive Beeinflussungen zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen

Das nebenstehende Bild zeigt das kapazitive Beeinflussungsmodell zweier galvanisch getrennter Stromkreise. Im beeinflussten Stromkreis ist die Impedanz der Spannungsquelle und der Leitung mit dargestellt. Der Betrag der Impedanz steigt mit zunehmende Signalfrequenz. Für hohe Frequenzen trennt die Impedanz den Widerstand Re praktisch von der Spannungsquelle ab.
Zwischen den Leitern der Stromkreise bilden sich parasitäre Koppelkapazitäten heraus, über die eine Beeinflussung stattfinden kann. Von Bedeutung sind dabei insbesondere die Kapazitäten C13, C14, C23, C24. Die Kapazität C34 liegt parallel zum Widerstand Re und wirkt damit dämpfend auf die Störspannung ustör.

Zeichnet man das Schaltbild um und verzichtet auf die Darstellung der Spannungsquelle im beeinflussten Stromkreis, ergibt sich nebenstehendes Ersatzschaltbild, das für hohe Frequenzen gültig ist. Für die Symmetriebedingung:

verschwindet die Störspannung ust über dem Widerstand Re. Damit ist bereits ein wichtiger Hinweis auf Möglichkeiten zur Störunterdrückung gegeben.

Die Beeinflussung ist um so größer,

• je unsymmetrischer die parasitären Koppelkapazitäten und
• je größer die Koppelkapazitäten im Vergleich zur Kapazität C34

ausgeprägt sind.

 

Gegenmaßnahmen zur Unterdrückung von kapazitiven Beeinflussungen zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen

Geht man davon aus, dass die Frequenz der Spannung ua im beeinflussenden Stromkreis nicht abgesenkt werden kann, verbleiben folgende Maßnahmen zur Reduzierung bzw. Unterdrückung der Störbeeinflussung.

• Die Koppelkapazitäten müssen symmetriert werden.
  Eine Symmetrierung ist praktisch möglich, wenn Leitungen mit
  • symmetrischer Leiteranordnung oder
  • paarweiser Verdrillung der Leiter 1-2 und 3-4
  
  
  verwendet werden.
  
  
• Die parasitären Koppelkapazitäten müssen so klein wie möglich gehalten werden.
  Eine minimale Koppelkapazität zwischen zwei Leitern ergibt sich, wenn:
  • die Leitungslänge l möglichst kurz
  • der Durchschnitt D möglichst groß und
  • der Abstand d der Leiter möglichst groß
  bemessen werden. Besonders in langen Leitungen bilden sich zwischen parallelgeführten Leitern relativ große Koppelkapazitäten aus.
  

• Die parasitären Koppelkapazitäten müssen verringert und die Kapazität C34 muss vergrößert werden.
  Die Reduktion der Koppelkapazitäten bei gleichzeitiger Vergrößerung der Kapazität C34 wird
  • durch die Schirmung der Aderpaare mit elektrisch gut leitenden Schirmen und einseitiger Anbindung des Schirms an den jeweiligen Bezugsleiter und
  • Verdrillung der Leiter 3 und 4

  erreicht. Die Anfälligkeit gegen die Einstreuung von Störspannungen sinkt.
  
  Die Wirkung des Schirmes beruht auf dem Prinzip der Influenz. Auf die freien Elektronen des Schirms wirkt die Kraft des äußeren elektrischen Feldes ein. In Folge dessen verteilen sich die Elektronen so an der Schirmoberfläche, dass das äußere elektrische Feld im Inneren des Schirms kompensiert ist. Erst in diesem Zustand wirkt keine Kraft mehr auf die freien Elektronen des Schirms und es findet keine Bewegung von Elektronen mehr statt. Damit ist das Innere des Schirms feldfrei. Eine kapazitive Beeinflussung des im Inneren verlaufenden Stromkreises in nicht mehr möglich.
  Da der Leiter 4 mit dem Schirm galvanisch verbunden ist, erhöht die Schirmung die Kapazität C34 zwischen den Leitern 3 und 4.
  Ähnliches geschieht im Schirm, der die Leiter 1 und 2 umgibt. Allerdings verhindert hier der Schirm nicht das Eindringen eines äußeren elektrischen Feldes sondern sorgt dafür, daß das elektrische Feld der Leiter 1 und 2 nicht nach außen dringt. Die Schirmung beider Leiterpaare wirkt damit gleichzeitig an der Quelle und der Senke der kapazitiven Beeinflussung.

 

Kapazitive Beeinflussungen zwischen Stromkreisen mit gemeinsamen Bezugsleiter

Sind die Stromkreise galvanisch nicht getrennt und verfügen sie über ein gemeinsames Bezugspotential, wird lediglich noch die Kapazität C13 als parasitäre Koppelkapazität wirksam. Alle anderen Kapazitäten verändern zwar die elektrischen Parameter des jeweiligen Stromkreises, führen aber nicht zu einer gegenseitigen Beeinflussung.

Allerdings wird aus dem zugehörigen Ersatzschaltbild ersichtlich, dass nun jede Änderung der Spannung ua zu einer Störspannung ustör über dem Widerstand Re im beeinflussten Stromkreis führt.

Die Beeinflussung ist um so größer,

• je größer die parasitäre Koppelkapazität C13 im Vergleich zur Kapazität C34 ist.
  
  
  

Gegenmaßnahmen zur Unterdrückung von kapazitiven Beeinflussungen zwischen Stromkreisen mit gemeinsamen Bezugsleiter

Geht man davon aus, dass die Frequenz der Spannung ua im beeinflussenden Stromkreis nicht abgesenkt werden kann, verbleiben folgende Maßnahmen zur Reduzierung bzw. Unterdrückung der Störbeeinflussung.

• Die parasitären Koppelkapazitäten müssen so klein wie möglich gehalten werden.
  Eine minimale Koppelkapazität zwischen zwei Leitern ergibt sich, wenn:
  • die Leitungslänge l möglichst kurz
  • der Durchschnitt D möglichst groß und
  • der Abstand d der Leiter möglichst groß
  bemessen werden. Besonders in langen Leitungen parallelgeführte Leiter bilden relativ große Koppelkapazitäten aus.
  
  

• Die parasitäre Koppelkapazität C13 muss verringert und die Kapazität C34 muss vergrößert werden.
  Die Reduktion der Koppelkapazität C13 bei gleichzeitiger Vergrößerung der Kapazität C34 wird wie bei galvanisch getrennten Stromkreisen durch
  • die Schirmung der Leitungen mit elektrisch gut leitenden Schirmen und einseitiger Anbindung des Schirms an den Bezugsleiter und
  • Verdrillung der Leiter 3 und 4
  erreicht.