Zum Verständnis elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder und der hiermit verbundenen technischen Störungen

1. Was Sie schon immer über Hochfrequenz wissen sollten Stefan Fassbinder Deutsches Kupferinstitut Am Bonneshof 5 D-40474 Düsseldorf Tel.: +49 211 4796-323 Fax: +49 211 4796-310 sfassbinder@kupferinstitut.de stf@eurocopper.org www.kupferinstitut.de

3. Handwerk

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11. Telefax

12. E-Mail

13. Web-Seite

14. Online-Datenbank

16. Was ist das eigentlich,E = 1 V/m? Die Feldstärkezwischen zweiElektrodenim Abstand von d = 1 m,zwischendenen eineSpannung von U = 1 Vanliegt

17. Was ist das eigentlich,H = 1 A/m? I = 1 A Eine Feldlinie von 1m Länge um einen Leiter, durch den ein Strom von 1A fließt Im Abstand vonherrscht eine Feldstärke von 1A/m

18. Was ist das eigentlich, eine magnetische Flussdichte von B = 1 T = 1 Vs/m² ? Eisenweg: Z. B. mittlere Länge 300 mm,µR = 300 Entsprichtinsgesamt600 mm Eisen oder2 mm Luft Feldstärkeim Kern: im Luftspalt: imgesamtenFeldverlauf, wobei: Luftspalt: Z. B. 1 mm, µR = 1

19. Komplementäre Elemente: Induktivitäten und Kapazitäten

20. I I IL IC U U UL UC Komplementäre Elemente Induktivität: Strom eilt der Spannung 90° nach bzw. Spannung eilt dem Strom 90° vor Kapazität: Strom eilt der Spannung 90° vor bzw. Spannung eilt dem Strom 90° nach

21. Z R XC+ XL XCRXL Komplementäre Elemente Fazit: 180° Phasen-Versatz zwischen Spannungen an bzw. Strömen in L und C, also: Induktive und kapazitive Reaktanzen subtrahieren sich linear! Vektoriell: Skalar:

22. XCRXL Klärung einiger Begriffe1. Resonanz

23. i Wie muss man sich das vorstellen?

24. i i i i i i Wie muss man sich das vorstellen?

25. i i i i i i Wie muss man sich das vorstellen?

26. i i i i i i Wie muss man sich das vorstellen?

27. Reihen-Resonanzfilter (Saugkreise) UR R U lassen die Resonanzfrequenz f0 ungehindert passieren  vektorielle Darstellung L UL UC C

28. Achtung: Man sieht von außen nicht,was drinnen abgeht! UR R U L UL UC Sprich: L und C begrenzen den Strom nicht! C I

29. Parallel-Resonanzfilter (Sperrkreise) I≈0 U sperren Ströme der Resonanz-frequenzf0 (vektorielle Darstellung) C L R≈0

30. Achtung: Man sieht von außen nicht,was drinnen abgeht! I≈0 U Es fließt praktisch kein Strom durch den Schwingkreis, aber möglicherweise eine Menge im Schwingkreis! C L R≈0

31. Viele LC-Paare führen zur selben Resonanzfrequenz, ob NF, ob HF…

32. …doch L zu C ist bedeutend für das Verhalten im restlichen Bereich!

33. …doch L zu C ist bedeutend für das Verhalten im restlichen Bereich! Reactor reactance Capacitor reactance Serial impedance Phase angle

34. Die Gesamt-Energie im Schwingkreis bleibt erhalten

35. 2. Wellenwiderstand errechnet sich aus den Leitungsbelägen: Längsinduktivität L‘ und Querkapazität C‘je LängeneinheitModell eines Kabels oder einer Leitung:

36. Leitung mit großemWellenwiderstand:Leitung mit geringem Wellenwiderstand:

37. LeitungmitgeringemWellenwiderstand Ausbreitungs-Geschwindigkeit: 299.792,5 km/s

38. LeitungmitgroßemWellenwiderstand Ausbreitungs-Geschwindigkeit: 299.792,5 km/s

39. Ach übrigens, wie schnell fließt der Strom eigentlich wirklich? 1 Kupferatom hat 29 Elektronen. Davon ist eines beweglich. 1 Mol Kupfer (63,546g entsprechend 7,108cm³)enthält L = 6,02*1022 Atome (Loschmidtsche Zahl). 1 g Kupfer enthält somit 9,47345*1021 Elektronen. Je Gramm sind also 3,26671*1020 beweglich,das macht 3,654*1019 je Kubikzentimeter. Eine Stromstärke von 1 A bedeutet, dass an jederStelle des Leiters pro Sekunde 6,25*1018 Elektronenvorbei fließen (denn jedes Elektron führt eine Ladungvon e = 1,9*10-19 As mit sich). Das ergibt bei 16 A in einer Installationsleitungmit 1,5 mm² etwa 0,8 mm/s. Im Kurzschlussfall können es auch mal 50 mm/s werden!

40. Wichtig zur Beurteilung der Reflexion von Stoß-wellen z. B. beim Über-gang von Freileitungen auf Kabel

41. Wichtig zur Vermeidung von Reflexionen: Abschluss-Widerstand, z. B. in einer Antennen-Steckdose, die als Durch-gangsdose konzipiert ist, dann aber als Enddose eingesetzt wird. Der Widerstandswert muss gleich dem Wellen-Widerstand sein,hier z. B. 75 Ω:

42. Anwendbar natürlich nur in der Nachrichtentechnik! Denn: Leitungsbeläge eines 380-kV-Kabels: VPE Öl Leitungsbelägeeiner 380-kV-Freileitung:

43. Das ergäbe eine »natürliche Leistung« von:

44. 3. Grenzfrequenzen,4. Bandbreite und somit5. die Güte einer Spule, eines Kondensators, eines Schwingkreises

45. 3. Grenzfrequenzen f1 und f24. Bandbreite B f2 f0 f1 B

46. 3. Grenzfrequenzen f1 und f24. Bandbreite B f2 f0è f1 è B

47. Sperrkreise

50. 6. Interferenz Addition zweier Spannungen von 50 Hz und 51 Hz und gleicher Amplitude

51. Gleichspannung; Niederfrequenz: Elektrische Felder Gleichstrom; Niederfrequenz: Magnetische Felder Hochfrequenz (ab ≈30 kHz):Elektromagnetische Felder

52. Wie muss man sich das vorstellen?

53. Wie muss man sich das vorstellen?

54. Wie muss man sich das vorstellen?

55. Wie muss man sich das vorstellen?

56. Wie muss man sich das vorstellen?

57. Wie muss man sich das vorstellen?

58. Wie muss man sich das vorstellen?

59. Wie muss man sich das vorstellen?

60. Wie muss man sich das vorstellen?

61. Wie muss man sich das vorstellen?

62. Wie muss man sich das vorstellen?

63. So muss man sich das vorstellen! Diese Felder strahlenab undkönnenzur Über-tragung vonNachrichten über kleine und große Entfer-nungen genutzt werden…

64. …oder eben solche Übertragungen stören! Warum heißt es bloß Rundfunk? Na, wenn man nicht entstört, dann…

65. Dieses ≈30 cm neben einer Leuchtstofflampe aufgestellte Batterie betriebene Thermometer zeigte die Raumtemperatur ganz ordentlich an, bis man die Leuchtstofflampe… … ein paar Mal geschaltet hatte – dann wurde die Anzeige plötzlich etwas kryptisch!

66. Aller schlechten Dinge sind drei: Koppelmechanismen Galvanisch: Elektrisch leitfähige Verbindung ê Elektronen fließen »persönlich« von der Störquelle zur Störsenke. Störungsart:Die »verPENnte«Installation Induktiv: Strom ê Magnetfeld ê Induktion Kapazitiv: ê Spannung elektrisches Feld ê Influenz NFNF HF Elektromagnetische Felder,Abstrahlung / Einstrahlung (HF)

67. 1. Galvanische Kopplung Was möchte dieser Herr Ihnen hier zeigen? Das Parade-Beispiel für galvanische Kopplung: Mehrfach-Verbindungen zwischen N und PA/PE, also zwischen Energie- und Nach-richtentechnik (Betriebserde)

68. U 2.InduktiveKopplung Bei Betriebsströmen: di/dt≈ 50 A/ms SignalpegelDatenkabel Kat. 3: 1 V SignalpegelDatenkabel Kat. 5: 500 mV Datenkabel 10Gbit/s am Anfang: 130 mV Datenkabel 10Gbit/s am Ende: 600 µV! Bei Kurzschlussströmen: di/dt≈ 1 kA/ms Bei Schaltspitzen: di/dt≈ 10 kA/ms In Umrichtern: di/dt≈ 50 kA/ms Bei Blitzströmen: di/dt≈ 50 kA/µs! l d ~ I

69. 3. Kapazitive Kopplung I U I

70. 3. Kapazitive Kopplung I U

71. 3. Kapazitive Kopplung I U I

72. Aller schlechten Dinge sind drei: Koppel-mechanismen in der Praxis  Induktive Kopplung: N gegen PE  Kapazitive Kopplung: MS gegen PE? Galvanische Kopplung: »Zweiter ZEP« Nur hier gehört er hin è 

74. Kapazitive Kopplung:Eine hauchdünne elektrischleitfähige Schicht genügt – falls geerdet!

76. Und: Angaben zur Anordnung der Kabel beachten! Z. B. IEC 60364-4-44 (DIN EN 50174-2 / VDE 0800-174-2)

77. Nicht verwechseln: Analog- und Digitalkabel Analogkabel haben einen Schirm. Digitalkabel haben etwas, was aussieht wie ein Schirm.

78. Wie man mit Koppel-mechanismenumgeht? Indem man sie umgeht! Zweidraht-Übertragung: Spart Ärger Eindraht-Übertragung: Spart Kupfer

79. Das Ganze noch mit HF würzen: Keine Kunst mittelselektronischen Transformators

80. Wenn der Strahler anfängt zu strahlen:Dekorative HF-Drosseln

81. Die Europäische Union förderte im Rahmen ihres LEONARDO-Programmsdurch sachkundige Partner 3 Jahre lang mit insgesamt 3 MillionenEuro die Erstellung der Internet-Seite zu allen Fragen der Netzqualität! Gehen Sie von Zeit zu Zeit aufwww.leonardo-energy.org oder http://leonardo-web.org/de und sehen Sie die Leonardo Power Quality Initiative wachsen! Wir wollen in 13 Sprachen Lehrmittel zur Minderung von EMV-Problemen entwickeln und verfügbar machen! Wir wenden uns an alle Elektro-Praktiker: Ingenieure, Handwerker, Gebäudetechniker, Architektur- und Planungsbüros sowie Auszubildende und Ausbilder. Wir sind bisher 165Partner aus Europa, Nord- und Südamerika, darunter Unternehmen, Institute, Hochschulen und 5 nationale Kupfer-Institute. Teilnahme und Beiträge weiterer Partner aus Industrie und Hochschulen sind jederzeit möglich und von den bisherigen Projektpartnern erwünscht. Klicken Sie rein! hat im Dezember 2004 drei Projekte von etwa 4000 ausgezeichnet – eines davon war die Leonardo Power Quality Initiative

82. Animation Folie 19 www.leonardo-energy.org/drupal/node/2116 www.leonardo-energy.org/Files/resonance.swf