EMV Störungen bei Längenmesssystem

[Entropie]

Hallo beisammen,

vielleicht findet sich ja der ein oder andere Spezialist unter euch der mir bei meinem Problem weiterhelfen kann. Ich hab ein Längemesssystem welches mit eine Durchlichtverfahren und einer inkrementalen Strichplatte arbeitet. Das Signal wird über einen Fotoelemtechip abgefangen und entsprechend gewandelt.

Es ist so das eine Vorschrift eingehalten werden muss die Besagt das Spannungstörungen die auf die mit Metall bedampfte Strichplatte nicht bis zum Ausgangssignal durchkommen dürfen, oder zumindest das Signal nicht direkt stören. Es handelt sich übrigens um Spannungsspitzen mit bis zu 10kV.

Die Strichplatte ist von der Platine auf dem sich der Chip befindet natürlich physikalisch getrennt, es handelt sich also mit Sicherheit um eine kapazitive Kopplung. Die mir jedoch durch sämtliche OPV die nachgeschaltet sind durchjagt, was mich ein wenig stört! (Daher wohl auch der Begriff Störspannung )

Hat da einer von euch Erfahrung oder ne Idee wie man das Problem lösen könnte ohne jetzt die brutalsten Dämpfungsglieder oder Tiefpässe einzubauen?

Vielen Dank schonmal im Voraus für euere Hilfe!

[Stromus]

1. Wie simulierst Du die Störungen?
2. Schaltplan
3. Layout.
4. Lösungsansatz (welche Kopplungsarten???)

[Entropie]

Hallo,

1. Mit einer Hochspannungspistole, hat vorn ne spitze Elektrode, wird auf die Platte gehalten und "abgefeuert", gibt dann je nach einstellung einen oder mehrere "Spannungsschläge" in gewünschter höhe ab.

2. Schaltplan ist zu groß um ihn ganz rein zu stellen, schon klar das dass ein Problem darstellt aber zur Realisierung kann ich sagen das simple OPVs verwendet werden um die Signale die von den Fotoelemten kommen zu verstärken, das passiert jedoch bereits intern im Chip.

3. Vom Layout her besteht fast keine Möglichkeit Änderungen vorzunehmen (Platzgründe, Kosten etc...), zumindest keine großen, aber auf kurze Leitungen zum Chip usw... wurde natürlich im Vorfeld geachtet.

4. Ich habe bereits eine signifikante Verbesserung erreicht indem ich einen Kondensator der im Signalzweig vor den OPVs sitzt rausgebaut hab (war zuvor gegen Masse geschalten), also hab ich in etwa die Quelle gefunden, es liegt wohl an den Kapazitäten die in Summe zuschlagen. Werde jetzt wahrscheinlich die obere Grenzfrequenz weiter senken da ich da noch Spielraum hab, somit sollte eine abermalige Verbesserung zustande kommen...

Grüße!

[Stromus]

Der Kondensator ist vermutlich nicht die Quelle sondern der Übertragungsweg.
Hat die ganze Anordnung PE-Verbindng (z.B. Masse auf PE) oder kapazitive Verbindung mit der Erde? Hast Du Gleichtaktstörungen in Betracht gezogen?
Dass die C's rauskommen ist noch keine Verbesserung. Es kommt auf die Polarität der Störquelle an: in einer Richtung Verbesserung => in die andere Richtung Verschlechterung. Versuche auch die Variante mit einem Widerstand in Serie anch dem Filter (100...1k).
Wenn der Schaltplan nicht reingeht, sollte zumindest ein Blockschaltbild mit den relevanten Leitungen ausreichen: VCC/Masse/Signale.
Ich könnte Dir helfen, aber blind wird das nichts

Ach ja: halte Ausschau in Richtung Schleifen im Layout. Nicht, dass dort Dipol-Antennen gebildet sind. Geht da nichts in Richtung Änderung, so musst du die Endleitungen kurzschliessen --> C

[Entropie]

Ne, keine Sorge, das mit den "C's" war natürlich nur um zu sehen wie das Verhalten dann so ist, die bau ich natürlich nicht komplett raus, haben ja ihre Aufgabe die kleinen Dinger.

Zur Masse, ja das Ganze ist geerdet.

Bezgl. der Gleichtaktstörungen hab ich schon paar Untersuchungen gemacht, damals als ich die Baugruppe entwickelt hab, bin aber damals natürlich nicht an die 10kV rangetreten weil es beim Vorgängermodell welches fast gleich aufgebaut ist und sich lediglich vom Chip her unterscheidet überhaupt keine Probleme mit solchen Störquellen gab.

Durch den Vergelich ist mir noch was aufgefallen. Beim Vorgängerchip herscht eine strenge Symetrie zwischen den Signalpfaden, daher mit Sicherheit die gute Störverträglichkeit, vom Layout ist da nämlich fast nichts anders geworden. Da jetzt eine unsymetrische Topologie auftaucht (komischerweise genau dort wo ich auch mein Störübersprechen hab ) es diese für Störungen viel anfälliger, was sich auf meinen Oszi als hässliche Spitze abzeichnet. Hab festgestellt das hier der Hund begraben liegt, bei symetrischer Näherung der Pfade geht das Problem gegen Null, daran hats also gelegen!

Auf HF hatte ich das Layout auch schon überprüft, da dürfte keinerlei Gefahr bestehen...

Danke für die sehr hilfreichen Tipps, hat mir sehr geholfen!

[Stromus]

Wenn die Pfade symetrisch sind und auch bleiben, dann liegt die Senke im abgeglichenen Pfad einer Brücke gegenüber der Störquelle + Erde:

Störquelle, +Leitung, -Leitung, Senke, Erde.

Wird die Brücke verstimmt durch einseitig Erden der Senke (Masse), so muss das andere Ende der Senke auch eine Koppelimpedanz auf Erde aufweisen --> C gegen Erde. Verstehst wie ich das meine?

[Entropie]

Ja denke weiss was Du meinst, bin zwar kein totaler Spezialist was HF usw... angeht aber so wie Du`s beschrieben hast scheints mir verständlich...

Danke!

Grüße!

[Stromus]

Aus der Sicht der Störquelle sitzt die Last in Brückenschaltung.
Z22 kann z.B. eine harte Verbindung auf Erde sein. Die Nutzquelle ist z.B der isolierte Ausgang einer getakteten Versorgung.

In dem Moment, wo Z1 x Z22 ungleich Z2 x Z11 ist die Brücke verstimmt und die Last erfährt einen Spannungsabfall, da es darüber zum Störstrom kommt.
Selbst wenn Z22 = 0 ist ein Abgleich möglich, wenn der Frequenzbereich bekannt ist --> die Pistole erzeugt einen Störspektrum mit einer Grundfrequenz und Oberwellen. Damit wird Z11 als Y-Kondensator mit möglichst niederohmigem Wert für die o.g Grundfrequenz dimensioniert [XC = 1/2(Pi x f x C)].
Achtung also auf die Impedanzgestaltung Z1, Z2, Z11 und Z22.
Z_Koppel ist die Koppelimpedanz der Pistole auf die Nutzquelle. Das kann ein Kondensator sein (kapazitive Kopplung), oder aber auch eine Antennenbildung. Wenn das der Fall ist, dann ergibt sich das aus der Gestaltung des Layoutes "Nutzquelle-Last" (Hinleiter soll genau parallel zum Rückleiter verlaufen). Ist auch eine Schleife auszuschließen, so kann das auf eine Stichleitung zurückgeführt werden. Sind die Störfrequenzen bekannt, so muss die wirksame Leitungslänge auf Lambda/2, /4, /8, /16, /32 untersucht werden.
Lambda = c/f

Noch etwas: OP's unterdrücken Gleichtakt am Eingang mit mindestens 90dB, aber sie bringen die Störung durch, wenn sich diese in der Versorgung hineinschleicht (sh. Bild).

Deshalb war die Frage, ob es sich um eine geerdete Quelle handelt. Die Pistole bezieht sich garantiert auf die Erde. Jetzt muss nur der geschlossene Kreis gefunden werden.
Es ist ein Versuch wert mit einem Klappferrit, oder Ferritring in die PE-Leitung zu gehen. Ist die Störung weg, so ist das auf eine asymmetrische Geschichte zurückzuführen. Eine weitere mögliche Lösung wäre ein Widerstand in der PE-Leitung (1...20kOhm)
Ich hoffe das hilft[/list]

[Stromus]

Beinahe vergessen:

Auch wenn sich das Layout nicht mehr ändern lässt, ist eine Untersuchung auf Schleifen möglich --> Leiterbahnverlegung (Unterbrechung + Verlegung). Wenn sich dann das Ergebnis zeigen lässt, ist eine Verbesserung kaum durch andere Massnahmen möglich.
Es kann sein, dass die Kondensatoren, die du in Verdacht hattest, genau die Verwirklichung einer Schleife bringen durch z.B Bezug auf eine Masse, die nicht parallel zum ganzen Leiterbahnensystem verläuft.
Wenn Du Masseflächen hast, sorge dafür, dass die Flächen keine Unterbrechung im Bereich der zu schirmenden Leitung aufweist sonst => Schleife (Der Masse-Rückleiter für HF ist genau parallel zum Hinleiter wegen der unendlich vielen Kondensatoren, die sich dazwischen bilden und von HF genutzt werden. Das ist wirklich ein MUSS!!!)

[Entropie]

Du hast recht, ich hab bei den einzelnen Impedanzen in den verschiedenen Pfaden rumexperimentiert, es ist auf die Unsymetrie zurückzuführen, lässt sich richtig schön nachweisen, ohne Streuung oder Rauschen oder der gleichen!

Hab dann sofort das mit dem Klappferit probiert, naja, war kein Klappferit im eigentlichen Sinne aber hab da sowas ähnliches Probiert, und, siehe da, der gleiche Effekt wie bei symetrischer Annäherung der einzelnen Pfade, die Störung verstummt durch die Maßnahme.

Ich werd jetzt probieren den Widerstand intern in die Schaltung zu implementieren um die ganze Sache zu unterdrücken, sieht so aus als käme ich auch ohne meine Herabsenkung der oberen Grenzfrequenz aus... schön schön...! Aber ist das nicht ein wenig problematisch wegen der VDE wenn ich da in den PE-Kreis eingreife, ich mein klar kommts drauf an wo genau das passiert, aber glaub da mach ich mich nochmal schlau...?!?

Ich muss bei Zeiten mal meinen früheren Prof anhauen was er eigentlich damals in der HF Vorlesung behandelt hat... War wohl zu theoretisch... Vielleicht war er auch einfach nur zu betrunken in den Vorlesungen, oder ich wars...

Nun ja, nochmals danke und auf zur Schaltung!

Grüße!

[Erfinderlein]

Hallo Stromus,

gut gemacht !

Das erinnert mich an eine EX-Geschichte mit einem U-Schall Wegaufnehmer. Wir hatten keine Zeit um in BS die Ex-Zulassung zu beantragen und so habe ich die Auswertung nach draussen verlegt und nur das Millivoltsignal über die klassische Sicherheitsbarriere nach draussen verfrachtet.

Die fette Zenerdiode in der Bariere hat mit ihrer Kapazität alles geschluckt. Habe dann ein mehrfach abgeschirmtes Kabel verordnet und die einzelnen Abschirmungen getrennt an die Masseflächen auf der Platine gelegt, welche so angeordnet waren, dass ich meine mV-Impulse rekonstruieren konnte. Also den Efekt der Störung auf symetrischen Linien und die Zenerdiode zur Übertragung genutzt.

Ja Sachen gibts !

LG aus GR

Lothar

[Stromus]

Hallo Erfinderlein,

der Schirm wirkt in Richtung Verkleinerung (Korrektur: Vergrößerung natürlich wegen des sich bildenden Spannungsteilers mit der Impedanz der restlichen Elektronik) der gesamten Koppelimpedanz => Koppelimpedanz = C und Schirm ergeben zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren mit Mittelpunkt auf Erde.

Heute war ich ständig in Eile und nur Fehler eingebaut!

Also: Die Störquelle wird abgegeben mit einer bestimmten Koppelimpedanz an die Nutzlast. Die Koppelimpedanz und die Nutzlast bilden einen Spannungsteiler. Je größer die Koppelimpedanz desto kleiner die Spannung auf der Nutzlast. Um die Koppelimpedanz zu vergrößern wird ein Schirm verwendet => die Koppelimpedanz realisiert den Kontakt zum Schirm und dieser weist seinerseits eine Koppelkapazität auf die Nutzlast. Zwei Kapazitäten in Reihe ergeben eine kleinere => größere Koppelimpedanz insgesamt auf die Nutzlast!

@Entropie,

Kollegen von Dir könnten auf die Idee kommen, eine Drossel in die PE-Leitung einzubauen. Das wird nicht funktionieren, weil die Drossel als Blindwiderstand keine Energie "vernichtet". Sie würde nur die Phase um 90° drehen. Zusammen mit der Koppelkapazität ergibt dies einen Schwingkreis mit einer anderen Resonanzfrequenz.
Jetzt fählt mir aber ein, die Pistole könnte eine Art Dirac-Stoß bringen = sehr steiler Impuls => die Zerlegung in Oberwellen ist das brühmte Kamm = breitbandig mit gleicher Amplitude in einem weiten Frequenzbereich (nennt sich Frequenzdichte). Auch deshalb kannst Du mit einer Frequenzverschiebung nicht rechnen => Widerstand für breitbandige Unterdrückung wäre eher die Lösung.
Eine weitere Möglichkeit wäre dieser Abgleich via Z11 = C als Y-Kondensator z.B Versorgung der OP's gegen die Erde (es handelt sich wieder um die Betrachtung aus meinem Bild --> suche die Stelle, wo das andere Ende der Last als Knoten zu Z11 existiert!)

[Entropie]

Umso steiler die Flanken des Störimpulses desto breiter natürlich das Spektrum (nach Nyquist übrigens ein reziprokes Verhalten), bei dem von Dir beschriebenen Dirac´schen Impuls (unendlich hoch und unendlich schmal, Fläche = 1; wäre das natürlich ein Kammspektrum). Ist aber nicht umbedingt mit der Frequenzdichte gleich zu setzten, diese zeigt sich ja bei der Fourietransformation eines Signals, nicht bei der Forier-Reihendarstellung eines Signals (letztere zeigt den typischen Kamm bei dem die einzelnen Nadeln die Vielfache der Grundwelle zeigen und die entsprechenden Amplituden der Oberwellen). Kurz gesagt die Frequenzdichte kriegt man beim Grenzübergang der diskreten zu den kontinuirlichen Frequenzen. Siehe z.B. weißes Rauschen: Das weiße Rauschen ist ja die Fouriertransformierte des Dirac´schen Impulses bestimmter Höhe, herleitung spar ich mir jetzt, es stellt ja ein quasi-kontinuirlichen Pegel über alle Frequenzen dar, wenn man mal davon Absieht das man unendlich viel Energie in den Dirac´schen Impuls stecken müsste um das zu realisieren hätte man so das Spektrum des Dirac´schen Impulses dargestellt und zwar als Frequenzdichte, nicht als Kamm... Aber gut, das nur am Rande.

Werde es mit dem Widerstand machen, da hab ich mein frequenzunabhängiges Verhalten auf jeden Fall garantiert und fang mir nicht noch zusätzliche Probleme ein die vielleicht auftreten könnten... Und das mit der Drossel werd ich evtl. daherkommenden Schlaumeiern natürlich ausreden, ganz klar...

Grüße!

[Stromus]

Hallo Entropie,

aus Zeitgründen habe ich hier auf die schnelle einige Begriffe miteinander vermischt und zu einem Gemüsetopf werden lassen.
So noch ein Mal von vorne:

1. Die Fouriertransformation liefert eine Fourierreihe (grundsätzlich).
2. Das Spektrum der Reihe geht unter einer bestimmten Bedingung in in die Spektraldichte (Frequenzdichte) über, was so viel wie Übergang Reihe zum Integral bedeutet. Das passiert dann, wenn ein einmaliger Vorgang stattfindet (Periode unendlich). Der Abstand zwischen den einzelnen Spektral-Linien tendiert dann gegen Null. Damit ist die Korrespondenz erkärt:

Ein Dirac-Kamm (Folge) ergibt durch die Fouriertransformation wiederum ein Kamm. Kleiner Abstand zwischen den einzelnen Impulsen im Zeitbereich bedeutet großer Abstand zwischen den einzelnen Impulse im Frequenzbereich und umgekehrt.
Deshalb: ein großer Abstand (bis unendlich) zwischen den einzelnen Impulsen liefert einen sehr kleinen Abstand (bis Null) zwischen den Spektrallinien in der Fouriertransformation.
Für mich ist das nach wie vor ein Kamm, weil in Wirklichkeit Deine Pistole keinen unendlich hohen Impuls mit Breite = Null liefert. Ausserdem ist die Spektraldichte auch nichts anderes als ein Kamm mit unendlich vielen "Zähnen".

Zu Deinem Diracstoß:

Der Dirac ist der Spezialfall eines Geradesignals beliebiger Form mit der bekannten Bedingung Fläche = "1". Kann also Rechteck, Dreieck...sein!
Nehmen wr doch einen einmaligen Rechteckpuls (Periode unendlich) mit der Breite 2t (t eien beliebige Zeit und das Signal zentriert gegenüber Null um +t und -t) als Beispiel. Die Transformation liefert die "si"-Funtkion si(x) = sinx/x, die gegenüber der Achse F(omega) die ersten Nulldurchgänge (=> Omega = Null) bei -Pi/t und Pi/t aufweist. Wir haben bereits die Spektraldichte, die hier die "si"-Funktion annimmt.
Wenn "t" gegen Null tendiert (Rechteck wird zu Dirac), dann tendiert folglich -Pi/t und Pi/t gegen unendlich => die ersten aber auch die nachfolgenden Nullstellen sind im Bereich unendlich zu finden (existieren demnach nicht) und die si-Funktion geht in die bekannte konstante Amplitude "1" über, mit unendlicher Breite, wo alle Frequenzen zu finden sind (Fläche der Fourier Transformierten des Diracstoßes bleibt konstant gleich der Fläche des Diracstoßes).
Fazit: unendliche Periode (einmaliger Puls) liefert Spektraldichte in der Transformation und den Allgemeinfall "si"
kleine Impulsbreite bis Null = bedeutet si-Funktion mit Nullstellen im großen Abstand bis unendlich (=> also mit konstanter Amplitude "1")
Jetzt ist es wohl klar, dass eine LC-Kombination mit Sicherheit auf einer Fourier-Komponente davon reitet, auch wenn die Pistole keinen idealen Dirac liefert.

[Entropie]

Ne ist klar, so hab ich das auch gemeint, logisch. Hab das auch richtig interpretiert, wollt nur nochmal bissi klarer reinstellen!

Wir reden schon von der gleichen Sache!

Die Lösung mit dem Widerstand wirds schon werden...

Damit nochmal paar Grüße und noch viel Spaß, die konstruktive Dabatte hat mich sehr gefreut!