Z - Fachgebiet Hochspannungstechnik

Koppelmechanismen und Gegenmaßnahmen 

Störquelle 

F Q (jω) 

Kopplungsmechanismus 

A K (jω) 

Störempfänger 

A E (jω) 

F E (jω) 

Galvanische *) 

Kopplung 

(Leitungen) 

Elektrische 

Kopplung 

(E-Feld) 

Magnetische 

Kopplung 

(H-Feld) 

Strahlungskopplung 

(E/H-Feld) 

Fachgebiet 

Hochspannungstechnik 

EMV / Kapitel 6 - 1 -

Galvanische Kopplung – Grundsätzliche Unterscheidung 

a) Galvanische Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen 

Beispiele: 

• am gleichen Netz betriebene Verbraucher 

• Netzrückwirkungen von Schaltnetzteilen und 

Stromrichtern 

• Stromänderungen beim Schalten digitaler 

Schaltkreise 

• Betätigen von Schütz- und Relaisspulen 

• Ströme in Zuleitungen von Motoren 

b) Galvanische Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen und Erdstromkreisen 

"Erdschleifenkopplung" 

• Tritt immer dann auf, wenn Gleichtaktspannungsquellen 

ungewollte Ströme durch mehrfach geerdete Bezugsleiter, 

Kabelschirme, Messgerätegehäuse usw. treiben 

• Praktisch überall präsent! 

Z K ... "gemeinsame Kopplungsimpedanz" 

"Leerlaufkernimpedanz" 

"Transferimpedanz" (mutual transfer impedance) 




Galvanische Kopplung 

Allgemein….. 

Besitzen mehrere Stromkreise eine gemeinsame Impedanz, so erzeugt der Strom 

jeweils eines Stromkreises an der Kopplungsimpedanz einen Spannungsfall, der 

sich als Gegentaktstörspannung in den anderen Kreisen bemerkbar macht. 

Beispiel: Verwendung eines 

gemeinsamen Bezugsleiters 

Abhilfe (Prinzip): Verbindung 

der Kreise in einem einzigen 

Punkt 





Ausführungsbeispiel: Stromversorgung eines Systems elektronischer Baugruppen 

Schlecht: jede Laständerung in irgendeiner 

Funktionseinheit beeinflusst die anderen 

Funktionseinheiten! 

di() 

t 

Spannungseinbruch: ut () = Rit () + L dt 

In der Regel überwiegt der induktive Anteil. 

Abhilfemaßnahmen: 

Abhilfemaßnahme 1: getrennte 

Versorgungsleitung für jede einzelne 

Baugruppe es wirken nur die 

Spannungsfälle am Innenwiderstand des 

Netzteils. 






Abhilfemaßnahme 2: völlig getrennte 

Spannungsversorgungen für jede einzelne 

Baugruppe 

P hoch 

1 

2 

Abhilfemaßnahme 3: Verwendung 

unterschiedlicher Netzteile für 

Funktionseinheiten unterschiedlicher 

Leistungsaufnahme 

P niedrig 

3 

4 






Abhilfemaßnahme 4: Verwendung eines 

Netzteils mit erhöhter Spannung, 

Spannungsregler (U a 

Funktionseinheit 

Abhilfemaßnahme 5: Verwendung von 

Stützkondensatoren 





Abhilfemaßnahmen: Zusammenfassung 

Keine gemeinsamen Rückleiter in 

Signalübertragungsstrecken; 

Erdungsleitungen/Massestrukturen nicht für 

Signalrückleitung verwenden, Bezugspotentiale nur 

punktförmig mit Erde/Masse verbinden, sternförmige 

Zusammenführung 

Sternförmige Versorgungsleitungsstruktur 

Getrennte Versorgung von Funktionseinheiten 

unterschiedlicher Funktionalität 

ggf. Potentialtrennung, z.B. durch Optokoppler 





Stützkondensatoren auch innerhalb der Baugruppen individuell für jedes IC 

verwenden: 

Schlecht: 

• keine Stützkondensatoren 

• große Stromschleifen 

Besser: 

• Stützkondensator (C = 1 nF … 10 nF) an jedem IC 

• kleine Stromschleifen durch Multilayer-Platine 




Galvanische Kopplung – Stützkondensatoren 

Schlecht: 

• große Induktivität des Kondensatoranschlusses 

• große Leiterschleifen (L' ≈ 1 µH/m!) 

Gut: 

• SMD-Kondensatoren (induktivitätsarm) 

• kleine Leiterschleifen 

Gut: 

• SMD-Kondensatoren (induktivitätsarm) 

• Montage der Kondensatoren unterhalb 

des ICs direkt an den Versorgungspins 

• kleine Leiterschleifen 




Galvanische Kopplung – Stützkondensatoren 

0 V 

große Kapazität zwischen den Leiterflächen 

U b 

Gut: 

• Durch flächenhafte Ausbildung der Versorgungsleitungen können individuelle 

Stützkondensatoren an jedem IC u. U. vermieden werden. 




Galvanische Kopplung - Leitungsbeläge 

Widerstandsbelag von Leitungen 

Der ohmsche Spannungsfall von Leitungen ist meist klein gegenüber dem induktiven, 

da R'



Skineffekt (Leiter mit rundem Querschnitt) 

Skineffekt bei runden Leitern meist erst ab Frequenzen von mehreren 10 kHz relevant 






Skineffekt (Leiter mit rechteckigem Querschnitt) 

Skineffekt bei rechteckigen Leitern (Leiterbahnen!) bereits ab 1 kHz relevant! 





Induktivitätsbelag von Leitungen 

D 

d 

a 

b 

d 

µ ⎛2d 

⎞ 

L' 

= ln⎜ ⎟ 

π ⎝ D ⎠ 

2µ 

⎛ 1 ⎞ 

L' = ln + 

π 

⎜1 für d


Induktivitätsbelag von Leitungen 

Mit rechteckförmigen Leiterquerschnitten lassen sich sehr kleine 

Induktivitätsbeläge erzielen. 

Der Induktivitätsbelag wird dabei umso geringer, je größer das 

Verhältnis von Breite b zu Dicke a ist, während der 

Widerstandsbelag bei hohen Frequenzen (Eindringtiefe δ < Dicke a) 

von diesem Verhältnis nahezu unabhängig ist: 








Galvanische Kopplung - Erdschleifen 

GGK bei Erdschleifen bzw. Ringerden (ground loop) 

I Gl 

I Gl U ( ω St ) 

Gl ( ω ) 

Die Gleichtaktspannung U Gl0 treibt 

gleichsinnige Ströme über den Innenleiter 

und den Schirm des Messkabels: 

GGKF Z E 

= = U Z + Z 

GGD = 20⋅lg U 

U 

0 

Gl 

St 

( ω ) 

( ω ) 

• Z E >> Z Q Gleichtaktspannung erscheint in voller Höhe als Störspannung 

• Z E = Z Q (z.B. 50-Ω-System) Gleichtaktspannung erscheint in halber Höhe als Störspannung 

Bei sehr hohen Frequenzen ändern sich die Verhältnisse, da der Kabelschirm dann als 

Kopplungsimpedanz wirkt (Details später). 

Erdschleifen stellen eine der häufigsten Ursachen für EMB dar! 

0 

Q 

E 





Abhilfemaßnahme: Vergrößerung der Erdschleifenimpedanz bis hin zur Auftrennung 

Beispiel: nur eines der beiden beteiligten Geräte (Sender oder Empfänger) wird geerdet 

bei Gleichspannung: keine GGK 

bei f ≠ 0 jedoch Einfluss der Streukapazitäten zwischen Gehäuse und Erde 

1. Schritt: Bestimmung von U' Gl : 

(Spannungsteiler Z L , Z Str , 

Annahme Z L


U Gl( ω) U Gl( ω) 

U ' 

Gl( ω) 

ZStr 

+ ZL 

Z Q + Z 

= ⋅ = ⋅ 

U ( ω) U' ( ω) U ( ω) 

Z Z 

St 

Gl 

St 

L 

E 

E 

• f hoch: 

Z Str 0 gleichbedeutend mit direkter Erdung: 

U 

U 

Gl 

St 

( ω) 

( ω) 

= 

Z 

Q 

+ Z 

Z 

E 

E 

• f = 0: Z Str ∞ unendlich hohe GGD: 

U St ( ω ) = 0 

• 0 < f < hoch: 

GGD nimmt von unendlich hohen Werten mit 20 dB/Dekade ab. 

Werden weder der Sender noch der Empfänger direkt geerdet (d.h. beide werden "erdfrei 

betrieben") und weisen beide etwa gleich große Streukapazitäten gegen Erde auf, vergrößert 

sich Z Str in der obigen Gleichung um den Faktor 2, d.h. die GGD vergrößert sich um 

zusätzliche 6 dB. 

Jedoch wichtig: auch in diesem Fall können Erdschleifenprobleme auftreten! 




LPZ 0 A 

LPZ 2 


I 

Ein Kabelschirm kann dann – und nur dann – gegen durch benachbarte Blitzeinschläge 

induzierte Überspannungen wirken, wenn er beidseitig gut geerdet ist (es muss sich ein 

kräftiger Strom ausbilden können, dessen Magnetfeld dem des Blitzstroms entgegenwirkt). 

Stört die beidseitige Erdung im Dauerbetrieb, kann an einem Ende der Schirm über einen 

Gasableiter mit Erde verbunden werden, der nur im Überspannungsfall die Erdverbindung 

herstellt. 





Beispiel für eine über Streukapazitäten geschlossene Erdschleife (Verbindung zweier 

elektronischer Flachbaugruppen): 

Mit Erdschleifen ist bei Hoch- und Höchstfrequenzschaltungen 

grundsätzlich zu rechnen! 

Hinweis: eine evtl. galvanische Verbindung (einer) der Massen der Flachbaugruppen spielt 

bei der HF-mäßigen Betrachtung wegen ihrer Streu-Eigeninduktivität praktisch keine Rolle. 





Ausnahmen und Abweichungen 

vom bisher beschriebenen Verhalten 

•fürωL = 1/ωC Str Resonanz beliebig hohe Störströme möglich 

• bei sehr langen Signalleitungen und hohen Frequenzen: Berücksichtigung der Impedanz 

der Hin- und Rückleitung in Reihe zu Sender- und Empfängerimpedanz erforderlich 

• bei "elektrisch langen" Leitungen: Berücksichtigung der Leitungstheorie (Wanderwellen 

bei transienten Vorgängen, stehende Wellen bei harmonischen Vorgängen) 

• bei sehr hohen Frequenzen: auf Grund der Stromverdrängung fließt Störstrom nur 

noch über den Kabelschirm; die GGK erfolgt dann über die Kopplungsimpedanz der 

Leitung (Details später) 





Typischer Verlauf der GGD abhängig von der Frequenz 

Abnahme mit 20 dB/Dekade 

*) 

*) Je kleiner die Kopplungsimpedanz, desto besser die Dämpfung; s. Folie 37 




Galvanische Kopplung – Erdschleifen - Abhilfemaßnahmen 

Trenntransformator (wirksam für niedrige bis mittlere Frequenzen) 

• Erdschleife für niedrige Frequenzen 

wirksam unterbrochen 

• mit zunehmender Frequenz: Einfluss der 

Streukapazitäten zwischen den 

Wicklungen 

• Einfügen eines "Bypass"-Schirms, der 

wirksam mit der Erde des Empfängers 

verbunden sein muss 

• ggf. auch mehrere Schirme: 





Neutralisierungstransformator, auch: stromkompensierte Drossel 

(BALUN: BALanced – UNbalanced) 

Ersatzschaltbild 

Wirkung für: 

Gleichtaktsignal Nutzsignal 

I Nutz 

I 

ur 

B 

ur 

B 

I 

Gleichsinnig auf einen Ringkern gewickelte Spulen: 

• durch Gleichtaktsignal verursachte Flüsse addieren sich große Induktivität 

• durch Nutzsignal verursachte Flüsse kompensieren sich keine Induktivität 





Abwandlung des Prinzips für f > ca. 1 MHz: Ferritringe, Ferritperlen 

Hin- und Rückleiter der Signalleitung 

stellen jeweils die Wicklung 

dar. 

I Gl 

I Nutz 

Messkabel (Hochspannungstastkopf) eines 

Oszilloskops, mehrfach durch einen Ferritkern gewunden 





Ferritringe, Ferritperlen: Ausführungsbeispiele (aus dem Internet) 





Ferritringe, Ferritperlen: Ausführungsbeispiele (aus dem Internet) 





Optokoppler, direkt oder über LWL (optimal für digitale Signale, jedoch auch für 

Analogsignale) 





Differenzverstärker 

Prinzip 

Realisierung 

Ideal: 

• Verstärken nur die Differenz der an beiden Eingängen gegen Erde anliegenden Spannungen 

• Über die Leitung kommende Gleichtaktstörungen kompensieren sich. 

U = A ⋅U 

mit A D … Differenz- oder Gegentaktverstärkung 

a, ideal D S 

A = U U = 0 

Gl a / 

Gl 

A Gl …Gleichtaktverstärkung 






Prinzip 

Realisierung 

Real: 

A = U U ≠ 0 

Gl a / 

Gl 

Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR, common mode rejection ratio): 

Gleichtaktunterdrückung (CMR, common mode rejection): 

CMR 

= 20⋅ 

lg A 

A 

D 

Gl 

CMRR 

= 

A 

A 

D 

Gl 

CMR liegt in der Größenordnung von 100 dB! 






Prinzip 

Realisierung 

Real: 

U Gg ZE ZE 

= = 

U Z + Z + Z Z + Z 

Gl 

E L Q E L 

1 1 

Ist Z Q wesentlich ≠ 0 und/oder Z L1 wesentlich ≠ Z L2 , so verschlechtert sich die 

Gleichtaktunterdrückung merklich. 

Die Gleichtaktaussteuerbarkeit liegt in der Regel einige Volt unter der Betriebsspannung 

(also z.B. 13 V bei einer Betriebsspannung von 15 V). Daher z.B. Messung einer auf 220 V 

Wechselpotential befindlichen Signalgröße nicht ohne weiteres möglich! 





Symmetrische Systeme 

Prinzip 

Realisierung mit 

Symmetriertransformatoren 

Verwendung von "twisted pair" Leitungen zur Minimierung 

von induktiven Gleichtakteinkopplungen (s. nächste Folie) 

RS-422 Schnittstelle (serielle 

Schnittstelle wie RS-232, jedoch 

symmetrisch und dadurch 

wesentlich störunanfälliger und 

größere Reichweiten) 





Symmetrische Systeme 

Wirkung der Verdrillung 

In jeder Masche wird eine Spannung 

im gleichen Umlaufsinn induziert, 

auf die gesamte Leitungslänge wirken 

sie jedoch abwechselnd gegenläufig. 

Eine Verdrillung mit 20 

"Schlägen" je Meter kann die 

induzierende Wirkung eines 

äußeren Magnetfelds um bis 

zu 50 dB abschwächen. 





nach [H] 





Schutzschirmtechnik 

Messung sehr kleiner Spannungen (Bsp.: Thermoelelemente, DMS) auf hohem Potential: Gleichtaktunterdrückung 

und Gleichtaktausteuerbarkeit von Differenzverstärkern häufig nicht mehr ausreichend 

Einsatz der Schutzschirmtechnik (guarding) 

Beispiel: schwebend arbeitendes DVM (floating instrument) soll U s 


Schutzschirmtechnik 

• Schaffung eines niederimpedanten Bypasses 

• Anschluss an den "Guard"-Anschluss des DVM 

• Spannungsfestigkeit des "Guard"-Anschlusses darf nicht überschritten werden! 




Galvanische Kopplung – Kopplungsimpedanz von Leitungen 

Koaxiales Messkabel: 

U St 

(ω) = Spannungsfall an der 

inneren Oberfläche des Schirms 

I St 

(ω) 

I St 

(ω) 

Verknüpfung des inneren Spannungsfalls und des Störstroms 

über die Kopplungsimpedanz (transfer impedance) 

(Voraussetzung: "elektrisch kurze" Leitung): 

Z 

K 

U 

( ω) 

= 

I 

St 

St 

( ω) 

( ω) 

(üblicherweise auf die Länge bezogen) 

Maß für Dämpfung quasistatischer magnetischer Wechselfelder 

Je größer die Kopplungsimpedanz, desto größer bei gegebenem 

Störstrom die Störspannung und desto schlechter die Schirmwirkung 

Ziel: Kopplungsimpedanz möglichst klein halten 





Das Ersatzschaltbild ähnelt dem der Erdschleife: 

U 

U 

Gl 

St 

( ω) 

Z 

= 

( ω) 

Q 

+ Z 

Z 

E 

E 





Frequenzabhängigkeit des Betrags 

der Kopplungsimpedanz: Kopplungswiderstand 

Flexwell® Schaumkabel 

Flexwell® 

Luftkabel 

• bei Gleichspannung und niedrigen Frequenzen: 

identisch mit ohmschen Widerstand 

• bei hohen Frequenzen: 

• Wellmantel-Kabel (Wellflex®, Cellflex®, Heliflex®, ...): 

Strom fließt zunehmend nur außen, wenig Durchgriff nach 

innen, nur niedrige Störspannung innen abgreifbar 

kontinuierliche Abnahme des Kopplungswiderstandes 

• Geflechtschirm: mit weiter zunehmender Frequenz 

Durchgriff des vom Störstrom verursachten Magnetfelds 

nach innen nach einem Minimum wieder 

zunehmender Kopplungswiderstand 

Cellflex® Schaumkabel 

Flexwell® 

Schirmschläuche 

Heliflex® Luftkabel 





Kopplungswiderstände typischer Koaxialkabel 

Beispiele für 50-Ohm-Kabel mit Geflechtschirmen: 

RG 58 C/U RG 223 U RG 214 U 

RG 213 U 





Kopplungswiderstand elektrisch langer Leitungen 

"elektrisch lang" l > λ/4 im Frequenzbereich 

T a 

< τ im Zeitbereich 

Verteilung des Störstroms wird dann zusätzlich auch ortsabhängig: i(t) i(t,x) 

Es treten stehende Wellen mit Knoten und Bäuchen (Frequenzbereich) bzw. 

Reflexionen und Wanderwellenschwingungen (Zeitbereich) auf. 

Die Schirmwirkung elektrisch langer Koaxialleitungen lässt sich ab einer 

bestimmten Länge nicht mehr durch eine frequenzabhängige Kopplungsimpedanz 

beschreiben. 

Auf der sicheren Seite: Multiplikation des für eine bestimmte Frequenz ermittelten 

längenbezogenen Kopplungswiderstandes mit der Länge des elektrisch langen 

Kabels normalerweise führt das auf ein worst-case-Ergebnis. 





Kopplungsimpedanz einer Schaltungsmasse 

Die Mantelströme gelangen über den Massekragen der Eingangsbuchse auf die 

Schaltungsmasse und das Gehäuse (z.B. eines Oszilloskops). An den 

Übergangswiderständen (lösbare Koax-Verbindungen, Gehäusefugen, …) entstehen 

zusätzliche Störspannungen. 

Bei kurzen Signal- bzw. Messkabeln kann die Kopplungsimpedanz des Empfängers die des 

angeschlossenen Signal- bzw. Messkabels überwiegen und die Hauptstörquelle darstellen. 

Oszilloskope, Spektrumanalysatoren, Funkstörmessempfänger usw. bewertet man daher auch 

nach ihrer Gehäuse-Kopplungsimpedanz. 





Kopplungsimpedanz einer Schaltungsmasse 

Abschätzung der Gehäuse-Kopplungsimpedanz: Einspeisung eines Sprungsstroms 

in den Massekragen des Signaleingangs 

i(t) 

Störspannung bewirkt durch einen eingeprägten 

Gehäusestromsprung von 1 A, praktisch unabhängig von 

der Abschwächerstellung sowie von der Tatsache, ob das 

Oszilloskop mit oder ohne Schutzkontakt betrieben wird 

… und das kann bei einer wirklichen Messung auch 

passieren (Beeinflussung der Zeitablenkung) 





Bypass-Technik (doppelte Schirmung) 

• Hochfrequente Kabelmantelströme fließen über den äußeren Schirm und werden durch 

die Schirmkabine am Messgerät vorbeigeführt. 

• Zusätzliche Ferritringe auf dem Messkabel unterstützen diesen Effekt, indem sie die 

Impedanz des Messkabelschirms erhöhen. 

• Die Schirmkabine muss für diesen Zweck nicht zwingend allseitig geschlossen sein. Es 

reicht z.B. ein vorne offener Kupferkasten, an dem sich dass Messgerät bequem von 

vorne bedienen lässt 





Maßnahmen gegen Potentialanhebungen und dadurch verursachte Störungen 

(Störspannungen, rückwärtige Überschläge) 

• Bei stoßartiger Entladung des 

Energiespeichers Potentialanhebung 

des Punktes A um mehrere 10 kV 

Kabelmantelströme Störspannungen, 

rückwärtiger Überschlag (z.B. zwischen 

Netzteil und Gehäuse des Oszilloskops) 

• Spezielle Erdung des Punktes A bringt 

wenig Verbesserung, da der Strom 

Rückschluss zu den Kondensatorbelägen 

sucht! 

• Wichtigste Maßnahme: Verbindung des 

Punktes A mit dem Energiespeicher, 

z.B. durch eine breite gut leitfähige 

Kupferbahn. Dann weiter um 

Verbesserung der Erdung kümmern. 





Maßnahmen gegen Potentialanhebungen und dadurch verursachte Störungen 

(Störspannungen, rückwärtige Überschläge) 

3,2 MV-Stoßspannungsgenerator 

Spannungsteiler 

Erdrückleitung 

Flexwellkabel

Z - Fachgebiet Hochspannungstechnik

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