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Forum: HF, Funk und Felder Induktivität parallele Leiterbahnen


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Autor: Philipp K. (plopp)
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Hallo zusammen,

ich versuche gerade für eine Filtersimulation die Induktivät von 
Leiterbahnen abzuschätzen (nach Faustformel ~1nH/mm).
Dabei verwenden wir in unserem Design, aufgrund der hohen Ströme, auf 
mehreren Lagen parallel geführte Leiterbahnen (etwa 8mm breit, auf bis 
zu 8 Lagen verteilt jeweils 105um dick). Ich als Leistungselektroniker 
bin es gewohnt die Querschnitte der Leiterbahnen zu addieren, für die 
Stromdichte ist das OK. Wenn ich jetzt die Induktivität der Verbindung 
abschätzen soll bin ich mir da nicht so sicher.

Möglichkeit 1: Alle Leiterbahnen als einen Leiter mit der Dicke 8x105um 
addieren und Induktivität abschätzen.
Möglichkeit 2: Die Induktivität jeder einzelnen Leiterbahn abschätzen 
und dann alle 8 Induktivitäten parallel schalten.

Der Unterschied beider Ansätze ist etwa Faktor 8 :-)

Kann mich jemand erleuchten? Mir ist natürlich klar, dass ich auch meine 
Vorlesungsunterlagen zur Feldtheorie ausm Keller kramen könnte, aber ich 
bezweifle, dass ich das noch in sinnvoller Zeit lösen könnte.

Vielen Dank
Philipp

Autor: Udo K. (udok)
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Leute, die sich mit hohen Strömen und HF beschäftigen, posten hier ja 
eher
nicht.

Daher sage ich mal: Vergiss die Induktivität der Leiterbahn für deine
Simulation...

Edit:  Um etwas konstruktiver zu antworten:
Wenn sich die Felder der N parallelen Leiter nicht überlappen,
dann kannst ist die Induktivität gleich der Einzelinduktivität / N
Ansonsten, wenn du wirklich glaubst, dass das einen Einfluss hat,
ist der schnellste Weg zu messen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Philipp K. (plopp)
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Schön wärs wenn ich das nicht müsste, aber leider müssen auch wir 
Grenzwerte bis UKW einhalten. Ich habe bereits den Impedanzverlauf des 
Filters gemessen und versuche jetzt die Simulation zum gleichen 
(ähnlichen) Verhalten zu bewegen. Bis etwa 10 MHz schaffen wir das sogar 
einigermaßen, danach nicht mehr. Jetzt versuche ich mit genaueren 
Parametern die Darstellung zu verbessern.


Nachmessen wäre tatsächlich nicht doof, ich muss mal schauen, ob ich das 
irgendwie geeignet kontaktiert bekomme.


Aber ich glaube du hast mir die Antwort schon gegeben. Leiterbahnbreiten 
sind etwa 8 mm, mit ~200um prepreg dazwischen. Da würde ich mal tippen, 
dass wir fast nur Überlappung haben und damit die Ein-Leiter Abschätzung 
schon passen wird.

Autor: Michael D. (sirs)
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Udo K. schrieb:
> Daher sage ich mal: Vergiss die Induktivität der Leiterbahn für deine
> Simulation...

Bloß nicht! Je nachdem bei welcher Frequenz man arbeitet, kann sowas 
gigantische Probleme machen. Filter verstimmen sich und so...

Auch wichtig: Masseflächen. Damit das Feld nicht "abhauen will" und 
EMV-Störungen macht. Bei hohen Spannungen kann das natürlich wegen 
Überschlägen ein Problem sein.

Ist es ein Schaltwandler oder Motorregler oder sowas? Dann würde ich 
möglichst nahe am Schaltelement filtern, sodass die Störung gar nicht 
den Weg über Leiterbahnen nehmen möchte.

8mm Leiterbahn und parallel schalten: Würde ich so machen. Setzt Vias 
durch alle verwendeten Lagen, dann reduzieren sich die Teilstücke in der 
Länge und kommen dem Einzelleiter schon wieder näher. Wie sich das 
auswirkt kann ich ohne Simulation auch nicht genau sagen. Händisch 
berechnen wird doof weil sich die Leiter beeinflussen werden. Wenn da 
jemand was weiß hätte ich Interesse.

Autor: Udo K. (udok)
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Ich weiss ja nichts zu den Details, die für so eine Frage entscheidend 
sind...

Aber selbst 10 cm ideale Leiterbahn sind bei 100 MHz gerade mal 62 
Ohm...
Deine sehr breiten Leiter mit Groundplane haben nur ein Bruchteil 
davon...

Das Problem dürfte also woanders zu suchen sein.

Versuche mal zu klären, ob es sich um Leitergebundene Störungen,
oder um Abstrahlung handelt.

Finde dann raus, ob es sich um Common-Mode Störungen handelt.
In dem Fall nützt dir dein Signalfilter nichts.

Schau dir die Schirmung an.
Überlege dir, wie die Ströme fliessen.

Und pack LTSpice wieder ein => falsches Tool.

Autor: Michael D. (sirs)
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LTSpice hat niemand erwähnt...

Autor: Udo K. (udok)
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Doch, ich :-)

Autor: Achim S. (Gast)
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Philipp K. schrieb:
> Leiterbahnbreiten
> sind etwa 8 mm, mit ~200um prepreg dazwischen. Da würde ich mal tippen,
> dass wir fast nur Überlappung haben und damit die Ein-Leiter Abschätzung
> schon passen wird.

WÜrde ich auch so sehen. Wobei bei einem Leiter dieser Geometrie der 
Strom bei 10MHz fast nur an den äußeren Ecken fließen würde 
(Skin-Effekt). Und das selbe würde ich auch bei euren 8 parallelen 
Leitern erwarten (nur die äußersten führen nennenswert Strom).

Als ersten Anhaltspunkt habe ich mal eine planare Simu mit FEMM 
angehängt (gerechnet für 10MHz und 100A und ohne die Platine - nur 
Kupfer und drumherum Luft). Versuch nicht, was quantitatives daraus zu 
bestimmen, dafür ist diese Simu viel zu einfach gestrickt. Aber sie 
zeigt imho qualitativ, dass die Ein-Leiter Abschätzung gut hinkommt. Und 
dass der Strom praktisch nur "außen" fließt (bei größeren Strömen mit 
größerem ohmschen Spannungsabfall am Kupfer kommt dann auch innen wieder 
mehr dazu, aber der Skineffekt bleibt bei 10MHz trotzdem entscheidend).

In der Simu ist der Rückfluss des Stroms "sehr weit außen". Wenn der in 
der Nähe stattfindet (beispielsweise in der von anderen angesprochenen 
GND-Plane) sieht die Feldverteilung natürlich deutlich anders aus.

Autor: Udo K. (udok)
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Kannst du die Groundplane dazuhängen?  Ich würde da doch eine
deutlich andere Stromverteilung erwarten.

Autor: Philipp K. (plopp)
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@Michael: Ist ein Schaltwandler. Ich wünschte ich könnte näher an der 
Quelle ableiten, das ist aber Platzgründen nicht mehr möglich. Die 
parallelen Leiter im Filterbereich ist bereits, wo nur möglich, 
umgesetzt. Leider reichen die 8 Lagen hier bereits nicht mehr aus, um 
das Layout optimal gestalten zu können.

Warum sollten Vias zwischen den Lagen etwas helfen? Wenn ich es schaffe 
die Leiterbahnen zu entkoppeln, komme ich dem Ansatz Iduktivität / N 
doch näher, was meine HF-Impedanz senken müsste?


@Udo: Für die Filterung im UKW-Bereich verwenden wir kleine keramische 
Y-Kondensatoren, die haben selbst eine Impedanz < 10 Ohm @ 100MHz, das 
ist schon ein signifikanter Teiler. Insbesondere weil mir die 
Isolationsanforderungen nicht immer eine gute Platzierungen der Cy 
erlauben.
Die Störungen an den Geräteklemmen sind CM, das deckt sich auch ganz gut 
mit unseren Erwartungen aufgrund der Topologie. Ob gestrahlt oder 
leitungsgebunden wüsste ich nicht, wie ich das ermessen kann, da mir das 
Gerät im Verbau keinen Zugang lässt.
Und du hattest natürlich recht, dass auch wir LTSpice verwenden :-/
Gibt es da eine gute (kostenlose) Alternative, die du empfehlen kannst?

@Achim: Danke für die Simulation :-) Wie sieht das denn bei kleinen 
Strömen aus. Wir hängen am Netz, also 50 Hz. Bei 10 MHz haben wir nur 
Störer, also keine nennenswerte Amplitude.
Hab noch nie mit FEMM gearbeitet, vielleicht sollte ich da mal 
reinschauen, danke dafür!

Autor: udok (Gast)
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Eine kostenlose LTSpice Alternative, die einfacher zu bedienen ist, 
kenne ich auch nicht...

Der CM Filter funktioniert halt nur, wenn der Referenzpunkt HF mässig 
ruhig
ist.  Du brauchst dazu einen eigenen Ground, der idealerweise mit
dem Gehäuse (Schirmung) verbunden ist, und der potentialmässig nicht 
"herumwackelt".

Wenn du keinen ruhigen Ground zum entstören hast, kannst du nur
Common Mode Spulen in die Leitungen einbauen (=Ferrite Bead).
So wie ich das verstehe, ist dein Ziel nicht, dass die Leitungen
eine möglichst geringe Induktivität haben, sondern eine möglichst
grosse, damit der Filter am Gehäuseeinlass eine Change hat, die HF
abzuleiten.

Alternativ kannst du die Ursache der Störung angehen, und eventuell
die Stromschleifen verkleinern, die den CM Strom verursachen.

Ohne Messmöglichkeit ist das aber eine Fahrt durch einen sehr dunklen 
Tunnel..

Autor: Achim S. (Gast)
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Udo K. schrieb:
> Kannst du die Groundplane dazuhängen?  Ich würde da doch eine
> deutlich andere Stromverteilung erwarten.

Hier mal eine Simu mit "kleiner GND-Plane". In der Simu sind die oberen 
Kupferleiter parallel als Hinleiter geschaltet, der unterste (etwas 
breitere) Leiter ist die GND-Plane als Rückleiter. Klar stellt sich der 
Strom da deutlich anders ein - im wesentlichen so, dass Hin- und 
Rückleiter eine möglichst kleine Schleife bilden und dementsprechend 
eine möglichst kleine Induktivität haben.

Autor: udok (Gast)
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Super interessant - Danke Achim!

Wenn ich das richtig interpretiere, dann ist bei 10 MHz der Stromfluss 
nur
mehr in der nächsten Ebene.

Gibt es von dem Simulationsprogram (Ansys?) eine Demo version zum
Ausprobieren?  Ich würde das gerne mal testen.

Ciao, Udo

Autor: Achim S. (Gast)
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Philipp K. schrieb:
> Wie sieht das denn bei kleinen
> Strömen aus. Wir hängen am Netz, also 50 Hz. Bei 10 MHz haben wir nur
> Störer, also keine nennenswerte Amplitude.

Oha, da hatte ich deine Bemerkung bezüglich UKW und 10MHz deutlich 
falsch interpretiert. Bei 50Hz ist die Verteilung natürlich gänzlich 
anders. Bei 50Hz ist die Eindringtiefe des Stroms in Kupfer >9mm und der 
Strom verteilt sich bei deiner Leitergeometrie primär nach dem ohmschen 
Widerstand (d.h. die parallelen Leiter werden gleichmäßig genutzt).

Bei den zuvor simulierten 10MHz ist die Eindringtiefe einen Faktor 
sqrt(10^7/50)=447 kleiner, und die Stromverteilung wird dementsprechend 
vom Skineffekt dominiert.

Die primäre Abhängigkeitist von der Frequenz, nicht von der Stromstärke. 
In der Simu ist ja alles weitestgehend linear (keine magnetischen 
Materialien, die sättigen könnten...)

Philipp K. schrieb:
> Hab noch nie mit FEMM gearbeitet, vielleicht sollte ich da mal
> reinschauen, danke dafür!

Die Bedienung ist ein bisschen gewöhnungsbedürftig, aber wenn man mal 
die Idee dahinter verstanden, dann kann man schön damit arbeiten. Falls 
du FEMM mal ausprobieren willst hänge ich hier auch gleich die 
entsprechende FEMM-Datei für deine Leitergeometrie mit an.

Autor: Achim S. (Gast)
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udok schrieb:
> Gibt es von dem Simulationsprogram (Ansys?) eine Demo version zum
> Ausprobieren?

Das Simulationsprogramm ist FEMM, und das ist kostenlos.
http://www.femm.info/wiki/HomePage

Autor: Erwin Dirac (Gast)
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Die Frage macht in meinen Augen so wie sie gestellt ist keinen Sinn. 
Eine Induktivität ist immer nur für eine geschlossene Leiterschleife 
definiert - ohne den Rückpfad anzugeben kann man also gar keine Aussage 
treffen welche Induktivität die Leiterschleife aufweist. Es hängt also 
wesentlich vom Layout ab was du zu erwarten hast.

Was ist das eigentlich für eine Topologie? Welche Spannungen und Ströme 
hast du und mit was für einer Schaltfrequenz arbeitest du?

Autor: Sinus T. (micha_micha)
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Erwin Dirac schrieb:
> Eine Induktivität ist immer nur für eine geschlossene Leiterschleife
> definiert

Nein, das stimmt überhaupt nicht. Jeder Leiter, egal ob gerade oder 
gebogen, offen oder geschlossen, hat eine Induktivität.

Autor: Erwin Dirac (Gast)
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Sinus T. schrieb:
> Erwin Dirac schrieb:
>> Eine Induktivität ist immer nur für eine geschlossene Leiterschleife
>> definiert
>
> Nein, das stimmt überhaupt nicht. Jeder Leiter, egal ob gerade oder
> gebogen, offen oder geschlossen, hat eine Induktivität.

Nein. Induktivität kann nur für geschlossene Leiterschleifen definiert 
werden, wobei ich immer wieder feststelle dass auch gestandene 
Ingenieure das vergessen haben. Das führt immer wieder zu 
"interessanten" Ergebnissen wenn versucht wird, die durch Induktion in 
einer Leiterschleife entstehende Spannung einem bestimmten 
Längenabschnitt der Schleife zuzuordnen.

Autor: Michael D. (sirs)
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Philipp K. schrieb:
> Warum sollten Vias zwischen den Lagen etwas helfen?

Da habe ich mich wohl falsch ausgedrückt. Denk dir das Parallelschalten 
der verkoppelten Leitungen mit ganz vielen Vias und du bekommst den 
Einzelleiter. Auf dem gilt dann Skineffekt und Co. Wie weit das von der 
Simulation abweicht kann ich nicht sagen.

Aber die Simulationen sind toll! Danke dafür.

Möglichst kleine Schleifen bilden sollte auch funktionieren, wenn man 
die Lagen abwechselt, also Signal-GND-Signal-GND.

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