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Grundlagen der Elektrotechnik: NICHT GENÜGEND

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  1. Grundlagen der Elektrotechnik: NICHT GENÜGEND

    Autor: indium gallium nitride 23.01.23 - 14:22

    Also aus elektrotechnicher Sicht ist so eine Platine wirklich nicht zu gebrauchen. Hier geht es nicht nur um EMV, dass die Platine nicht andere Geräte stört oder von anderen gestört wird, die Schaltung kann sich so selbst stören bzw. nicht mehr richtig funktionieren. Es mag eine kreative Idee sein, aber das war es schon. Es ist eine der obersten Gebot: Zerschneide niemals deine Groundplane und HF-Signaleleitungen brauchen eine entlanglaufende durchgehende Groundplane. Das größte Problem ist, dass viele PCB-Designer im gesamten Schaltkreis den rücklaufende Strompfad (Groundplane) vergessen zu berücksichtigen.

    Man muss sich vorstellen, dass zwischen der Leiterbahn und der daraunterliegenden Groundplane sich eine elektromagnetische Welle ausbreitet. Im speziellen handelt es sich normalerweise um eine geführte Welle. Für HF-Sachen werden sogar Microstriplines mit Impedanz- und Laufzeitanpassungen etc. verwendet.
    Jetzt mag einer sagen, ja aber mein ATmega bis 20 MHz, ist doch noch kein richtiges HF, da ist mir das egal: JEIN. Mit einer Fourieranalyse merkt man schnell, dass zwar ein Sinus mit 20MHz Grundschwingung vorhanden ist, jedoch eine ideale Rechteckschwingung fortlaufend Oberschwingungen mit abnehmender Amplitude hat. In Wirklichkeit ist dem PCB-Designer die Grundschwingung des Rechtecks egal. Den Schaltungsdesigner interessiert eigentlich eher die Anstiegszeit des Rechtecks. Heute sind wir hier im Nanosekundenbereich. Vereinfacht kann man f = 1 / risetime heranziehen um es grob abschätzen zu können. Wichtig is, wenn ein Logikgatter im Spiel ist (z.B. ATmega etc.), dann dann wird bei fallender oder steigender Flanke schlagartig ein hoher Strom gefordert und dieser ist dann nicht bei der Taktfrequenz wie z.B. 16MHz bei einem ATmega sondern wesentlich höher. Es benötigt also eine gute (nicht zerstückelte) Groundplane. Nur so wird die Impedanz der Zuleitungen gering gehalten.

    Man müsste das ganze gar nicht komplex aus der Elektrodynamik heraus beschreiben. Es würde völlig reichen, die Grundlagen zu verstehen, dass elektrische Schaltungen immer ein geschlossener Schaltkreis sind. (Der Kondenstor wird mit einer Maxwellgleichung und dem Verschiebungsstrom auch klar) Wenn man nun die Induktivität grob verstanden hat, dann weiß man, dass grob die Fläche der Leiterschleife die Induktivität ausmacht. Wenn die Person nun eine Serpentinen-Groundplane gemacht hat, dann gibt es zwischen hin- und rücklaufender Leitung einen extrem große Leiterschleife. Die Spannungsversorgung bricht also beim Microcontroller immer ein, wenn die Logikgatter schalten und intern Umladungen stattfinden. Wenn nicht in einer bestimmen Zeit ein definiertes logisches 0 oder 1 erreicht werden kann, kann dies zu Fehlern führen. Abseits davon erzeugt die Hinleitung und die Groundplane gemeinsam eine Antenne. Wenn die restliche Schaltung dadurch nicht gestört wird, kommt er bei einem komerziellen Produkt sicher nicht durch die EMV-Tests. Wenn es sich um Analogschaltungen handelt, dann wird man im Glücksfall viel Störung am Messsignal haben oder im schlimmsten Fall schwingt der Operationsverstärker vor sich hin.

    Zusätzlich gibt es auch weitere Gründe für eine durchgängige Groundplane. Vor allem DCDC-Wandler auf der Platine erzeugen starke elektromagnetische Felder. Das magentische Wechselfeld geht auch durch die Platine hindurch. Dieses magnetische Wechselfeld erzeugt Wirbelströme in der Groundplane, welche aber nur stattfinden können, wenn die Groundplane durchgängig ist. Das hat dann einen dämpfenden Effekt, weil vereinfacht vorgestellt die Wirbelströme dem Magnetfeld entgegenwirken. Nicht ohne Grund gibt es auch heute extra Spulen, welche rundum einen Ferritkern haben und nur nach unten zur Groundplane mit den Anschlüssen leicht offen sind, da auch hier die Groundplane den restlichen Teil übernimmt.

    So oder so, der Artikel zeigt wieder, dass die Elektrodynamik kein leichtes Thema ist. Vor allem EMV ist auch für langjährige Experten oft noch Voodoo. Aber leider muss ich dem Kollegen mit seiner Platine ein Nicht Genügend geben, weil eigentlich in allen Beginnerguides, in Datenblättern usw. eine durchgängige Groundplane, kleine Leiterschleifen usw. immer wieder erwähnt wird.



    3 mal bearbeitet, zuletzt am 23.01.23 14:37 durch indium gallium nitride.

  2. Re: Grundlagen der Elektrotechnik: NICHT GENÜGEND

    Autor: superdachs 24.01.23 - 01:33

    indium gallium nitride schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Also aus elektrotechnicher Sicht ist so eine Platine wirklich nicht zu
    > gebrauchen. Hier geht es nicht nur um EMV, dass die Platine nicht andere
    > Geräte stört oder von anderen gestört wird, die Schaltung kann sich so
    > selbst stören bzw. nicht mehr richtig funktionieren. Es mag eine kreative
    > Idee sein, aber das war es schon. Es ist eine der obersten Gebot:
    > Zerschneide niemals deine Groundplane und HF-Signaleleitungen brauchen eine
    > entlanglaufende durchgehende Groundplane. Das größte Problem ist, dass
    > viele PCB-Designer im gesamten Schaltkreis den rücklaufende Strompfad
    > (Groundplane) vergessen zu berücksichtigen.
    >
    > Man muss sich vorstellen, dass zwischen der Leiterbahn und der
    > daraunterliegenden Groundplane sich eine elektromagnetische Welle
    > ausbreitet. Im speziellen handelt es sich normalerweise um eine geführte
    > Welle. Für HF-Sachen werden sogar Microstriplines mit Impedanz- und
    > Laufzeitanpassungen etc. verwendet.
    > Jetzt mag einer sagen, ja aber mein ATmega bis 20 MHz, ist doch noch kein
    > richtiges HF, da ist mir das egal: JEIN. Mit einer Fourieranalyse merkt man
    > schnell, dass zwar ein Sinus mit 20MHz Grundschwingung vorhanden ist,
    > jedoch eine ideale Rechteckschwingung fortlaufend Oberschwingungen mit
    > abnehmender Amplitude hat. In Wirklichkeit ist dem PCB-Designer die
    > Grundschwingung des Rechtecks egal. Den Schaltungsdesigner interessiert
    > eigentlich eher die Anstiegszeit des Rechtecks. Heute sind wir hier im
    > Nanosekundenbereich. Vereinfacht kann man f = 1 / risetime heranziehen um
    > es grob abschätzen zu können. Wichtig is, wenn ein Logikgatter im Spiel ist
    > (z.B. ATmega etc.), dann dann wird bei fallender oder steigender Flanke
    > schlagartig ein hoher Strom gefordert und dieser ist dann nicht bei der
    > Taktfrequenz wie z.B. 16MHz bei einem ATmega sondern wesentlich höher. Es
    > benötigt also eine gute (nicht zerstückelte) Groundplane. Nur so wird die
    > Impedanz der Zuleitungen gering gehalten.
    >
    > Man müsste das ganze gar nicht komplex aus der Elektrodynamik heraus
    > beschreiben. Es würde völlig reichen, die Grundlagen zu verstehen, dass
    > elektrische Schaltungen immer ein geschlossener Schaltkreis sind. (Der
    > Kondenstor wird mit einer Maxwellgleichung und dem Verschiebungsstrom auch
    > klar) Wenn man nun die Induktivität grob verstanden hat, dann weiß man,
    > dass grob die Fläche der Leiterschleife die Induktivität ausmacht. Wenn die
    > Person nun eine Serpentinen-Groundplane gemacht hat, dann gibt es zwischen
    > hin- und rücklaufender Leitung einen extrem große Leiterschleife. Die
    > Spannungsversorgung bricht also beim Microcontroller immer ein, wenn die
    > Logikgatter schalten und intern Umladungen stattfinden. Wenn nicht in einer
    > bestimmen Zeit ein definiertes logisches 0 oder 1 erreicht werden kann,
    > kann dies zu Fehlern führen. Abseits davon erzeugt die Hinleitung und die
    > Groundplane gemeinsam eine Antenne. Wenn die restliche Schaltung dadurch
    > nicht gestört wird, kommt er bei einem komerziellen Produkt sicher nicht
    > durch die EMV-Tests. Wenn es sich um Analogschaltungen handelt, dann wird
    > man im Glücksfall viel Störung am Messsignal haben oder im schlimmsten Fall
    > schwingt der Operationsverstärker vor sich hin.
    >
    > Zusätzlich gibt es auch weitere Gründe für eine durchgängige Groundplane.
    > Vor allem DCDC-Wandler auf der Platine erzeugen starke elektromagnetische
    > Felder. Das magentische Wechselfeld geht auch durch die Platine hindurch.
    > Dieses magnetische Wechselfeld erzeugt Wirbelströme in der Groundplane,
    > welche aber nur stattfinden können, wenn die Groundplane durchgängig ist.
    > Das hat dann einen dämpfenden Effekt, weil vereinfacht vorgestellt die
    > Wirbelströme dem Magnetfeld entgegenwirken. Nicht ohne Grund gibt es auch
    > heute extra Spulen, welche rundum einen Ferritkern haben und nur nach unten
    > zur Groundplane mit den Anschlüssen leicht offen sind, da auch hier die
    > Groundplane den restlichen Teil übernimmt.
    >
    > So oder so, der Artikel zeigt wieder, dass die Elektrodynamik kein leichtes
    > Thema ist. Vor allem EMV ist auch für langjährige Experten oft noch Voodoo.
    > Aber leider muss ich dem Kollegen mit seiner Platine ein Nicht Genügend
    > geben, weil eigentlich in allen Beginnerguides, in Datenblättern usw. eine
    > durchgängige Groundplane, kleine Leiterschleifen usw. immer wieder erwähnt
    > wird.

    Jetzt könnte man ja auf die Idee kommen, dass der aller größte Teil der Platinen eben absolut nichts mit Hochfrequenztechnik zu tun hat. Dann kann man natürlich nicht mit Inselbegabung angeben.

  3. Re: Grundlagen der Elektrotechnik: NICHT GENÜGEND

    Autor: achIch 24.01.23 - 07:27

    superdachs schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > indium gallium nitride schrieb:
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    > -----
    > > Also aus elektrotechnicher Sicht ist so eine Platine wirklich nicht zu
    > > gebrauchen. Hier geht es nicht nur um EMV, dass die Platine nicht andere
    > > Geräte stört oder von anderen gestört wird, die Schaltung kann sich so
    > > selbst stören bzw. nicht mehr richtig funktionieren. Es mag eine
    > kreative
    > > Idee sein, aber das war es schon. Es ist eine der obersten Gebot:
    > > Zerschneide niemals deine Groundplane und HF-Signaleleitungen brauchen
    > eine
    > > entlanglaufende durchgehende Groundplane. Das größte Problem ist, dass
    > > viele PCB-Designer im gesamten Schaltkreis den rücklaufende Strompfad
    > > (Groundplane) vergessen zu berücksichtigen.
    > >
    > > Man muss sich vorstellen, dass zwischen der Leiterbahn und der
    > > daraunterliegenden Groundplane sich eine elektromagnetische Welle
    > > ausbreitet. Im speziellen handelt es sich normalerweise um eine geführte
    > > Welle. Für HF-Sachen werden sogar Microstriplines mit Impedanz- und
    > > Laufzeitanpassungen etc. verwendet.
    > > Jetzt mag einer sagen, ja aber mein ATmega bis 20 MHz, ist doch noch
    > kein
    > > richtiges HF, da ist mir das egal: JEIN. Mit einer Fourieranalyse merkt
    > man
    > > schnell, dass zwar ein Sinus mit 20MHz Grundschwingung vorhanden ist,
    > > jedoch eine ideale Rechteckschwingung fortlaufend Oberschwingungen mit
    > > abnehmender Amplitude hat. In Wirklichkeit ist dem PCB-Designer die
    > > Grundschwingung des Rechtecks egal. Den Schaltungsdesigner interessiert
    > > eigentlich eher die Anstiegszeit des Rechtecks. Heute sind wir hier im
    > > Nanosekundenbereich. Vereinfacht kann man f = 1 / risetime heranziehen
    > um
    > > es grob abschätzen zu können. Wichtig is, wenn ein Logikgatter im Spiel
    > ist
    > > (z.B. ATmega etc.), dann dann wird bei fallender oder steigender Flanke
    > > schlagartig ein hoher Strom gefordert und dieser ist dann nicht bei der
    > > Taktfrequenz wie z.B. 16MHz bei einem ATmega sondern wesentlich höher.
    > Es
    > > benötigt also eine gute (nicht zerstückelte) Groundplane. Nur so wird
    > die
    > > Impedanz der Zuleitungen gering gehalten.
    > >
    > > Man müsste das ganze gar nicht komplex aus der Elektrodynamik heraus
    > > beschreiben. Es würde völlig reichen, die Grundlagen zu verstehen, dass
    > > elektrische Schaltungen immer ein geschlossener Schaltkreis sind. (Der
    > > Kondenstor wird mit einer Maxwellgleichung und dem Verschiebungsstrom
    > auch
    > > klar) Wenn man nun die Induktivität grob verstanden hat, dann weiß man,
    > > dass grob die Fläche der Leiterschleife die Induktivität ausmacht. Wenn
    > die
    > > Person nun eine Serpentinen-Groundplane gemacht hat, dann gibt es
    > zwischen
    > > hin- und rücklaufender Leitung einen extrem große Leiterschleife. Die
    > > Spannungsversorgung bricht also beim Microcontroller immer ein, wenn die
    > > Logikgatter schalten und intern Umladungen stattfinden. Wenn nicht in
    > einer
    > > bestimmen Zeit ein definiertes logisches 0 oder 1 erreicht werden kann,
    > > kann dies zu Fehlern führen. Abseits davon erzeugt die Hinleitung und
    > die
    > > Groundplane gemeinsam eine Antenne. Wenn die restliche Schaltung dadurch
    > > nicht gestört wird, kommt er bei einem komerziellen Produkt sicher nicht
    > > durch die EMV-Tests. Wenn es sich um Analogschaltungen handelt, dann
    > wird
    > > man im Glücksfall viel Störung am Messsignal haben oder im schlimmsten
    > Fall
    > > schwingt der Operationsverstärker vor sich hin.
    > >
    > > Zusätzlich gibt es auch weitere Gründe für eine durchgängige
    > Groundplane.
    > > Vor allem DCDC-Wandler auf der Platine erzeugen starke
    > elektromagnetische
    > > Felder. Das magentische Wechselfeld geht auch durch die Platine
    > hindurch.
    > > Dieses magnetische Wechselfeld erzeugt Wirbelströme in der Groundplane,
    > > welche aber nur stattfinden können, wenn die Groundplane durchgängig
    > ist.
    > > Das hat dann einen dämpfenden Effekt, weil vereinfacht vorgestellt die
    > > Wirbelströme dem Magnetfeld entgegenwirken. Nicht ohne Grund gibt es
    > auch
    > > heute extra Spulen, welche rundum einen Ferritkern haben und nur nach
    > unten
    > > zur Groundplane mit den Anschlüssen leicht offen sind, da auch hier die
    > > Groundplane den restlichen Teil übernimmt.
    > >
    > > So oder so, der Artikel zeigt wieder, dass die Elektrodynamik kein
    > leichtes
    > > Thema ist. Vor allem EMV ist auch für langjährige Experten oft noch
    > Voodoo.
    > > Aber leider muss ich dem Kollegen mit seiner Platine ein Nicht Genügend
    > > geben, weil eigentlich in allen Beginnerguides, in Datenblättern usw.
    > eine
    > > durchgängige Groundplane, kleine Leiterschleifen usw. immer wieder
    > erwähnt
    > > wird.
    >
    > Jetzt könnte man ja auf die Idee kommen, dass der aller größte Teil der
    > Platinen eben absolut nichts mit Hochfrequenztechnik zu tun hat. Dann kann
    > man natürlich nicht mit Inselbegabung angeben.
    Du hast mir die Worte aus dem Mund genommen.
    Für den TE ist die Platine in seinem Bereich der 0,02% (konnnen auch 0,021% sein) aller Anwendumgsbereiche betrifft halt nichts. Muss er seine Platinen halt weiter in der Bratpfanne löten.

  4. Re: Grundlagen der Elektrotechnik: NICHT GENÜGEND

    Autor: ElTentakel 25.01.23 - 08:18

    Der TE hat absolut recht - wenn manche in die EMV Prüfung gehen, und sich wundern wo all die Probleme her kommen, dann kommt das von der naiven Annahme: 5V und 10kHz, was soll da schon passieren und durch die Prüfung fallen ... für die ist der Beitrag vielleicht ein Augenöffner.

    Wem das egal ist (und die Qualität seiner Platine), der kann das auch ignorieren.

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