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Forum: Platinen Koppelkapazität zweier paralleler Leiterbahnen


Autor: The Scientist (Gast)
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Hi,

hab mal ne Frage zur Berechnung der Koppelkapazität zwischen zwei 
Leiterbahnen. Abstand und jeweilige Breite 0.3mm, dicke der 
Kupferschicht 35µm und e[r]~5. Die Bahnen führen etwa 10cm parallel. Tu 
ich zur Berechnung so als wäre das ein Plattenkondensator und 
berücksichtige nur die Stirnflächen also 10cm*35µm hat die Anordnung 
eine Koppelkapazität von ungefähr 516.5fF.
Ist das ein realistischer Wert? Darf man in einem solchen Fall auch die 
Feldlinien von Oberfläche zu Oberfläche der Bahnen vernachlässigen?

mfg The Scientist

Autor: G24 - tec (Firma: G24-tec e.K.) (g24-tec)
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Ob die Feldlinien von Oberfläche zu Oberfläche zu vernachlässigen sind 
oder nicht hängt von der Frequenz ab, mit der die Signale über die 
Leitungen gehen. Bei kleinen Frequenzen sind die Kapazitätswerte sowieso 
uninteressant, bei höheren Frequenzen gewinnen die Kapazitäten an 
Bedeutung!

Autor: 1234 (Gast)
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Wenn die Koppelkapazitaet interessant ist, koennte die 
Koppelinduktivitaet der beiden Leitungen auch interessant sein.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ The Scientist (Gast)

>eine Koppelkapazität von ungefähr 516.5fF.

Also 1/2 Picofarad. Klingt ein wenig knapp, ich würde etwas höher 
tippen, so 3..10 pF.

>Ist das ein realistischer Wert? Darf man in einem solchen Fall auch die
>Feldlinien von Oberfläche zu Oberfläche der Bahnen vernachlässigen?

Jain. Die Gesamtkapizität wird im wesentlich durch die Feldausbreitung 
auf der Platine bstimmt! Luft hat ein Er von 1, die Platine von ~4. 
Damit hat die Luft ca. 20% Anteil an der Gesamtkapazität.

MFG
Falk

Autor: The Scientist (Gast)
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>Also 1/2 Picofarad. Klingt ein wenig knapp, ich würde etwas höher tippen, so 
>3..10 pF.

Wie berechne ich die Kapazität denn dann? Weil im inet finde ich nur die 
simplen Formeln für übereinander liegende Leiterbahnen.
Nach dem Verhältnis der e(r)'s müssten ja die Feldlinien von 
untererseite zu unterseite, die durch die Platine laufen, auf jeden Fall 
mit einbezogen werden.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ The Scientist (Gast)

>Wie berechne ich die Kapazität denn dann?

Gute Frage!

> Weil im inet finde ich nur die
>simplen Formeln für übereinander liegende Leiterbahnen.

Die hier nicht ausreichen.

>Nach dem Verhältnis der e(r)'s müssten ja die Feldlinien von
>untererseite zu unterseite, die durch die Platine laufen, auf jeden Fall
>mit einbezogen werden.

Eben. Da muss man entweder das Ganze analytisch herleiten (!!!) oder in 
einem entsprechenden Programm simulieren. Beide kann ich dir leider 
nicht anbieten. Oder man versucht sowas im Internet irgendwo zu finden. 
Letzte Möglichkeit. Messen!

MFG
Falk

Autor: The Scientist (Gast)
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Für runde Leiterbahnen hab ich sogar grade was gefunden: 
http://www.educ.ethz.ch/lehrpersonen/itet/unterric... 
Seite 23.
Diese Formel spuckt für meine Anordnung 20pF aus. Allerdings ist noch 
nicht berücksichtigt, dass nur einige Feldlinien durch das FR4 mit 
e(r)=4..5 laufen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ The Scientist (Gast)

>Diese Formel spuckt für meine Anordnung 20pF aus. Allerdings ist noch
>nicht berücksichtigt, dass nur einige Feldlinien durch das FR4 mit
>e(r)=4..5 laufen.

Naja, dann ist es etwa die Hälfte + 10 % für den Luftanteil, sprich 60% 
von 20pF = 12pF. Parallelschaltung zweier Kondensatoren. Da war meine 
Schätzung gar nicht so schlecht, oder? ;-)

MFG
Falk

Autor: The Scientist (Gast)
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Irgendwie hören sich 20pF aber schon sehr viel an.

Insgesamt geht es darum die durch den Störstrom der kapazitiven Kopplung 
erzeugte Störspannung am Lastwiderstand in der oben skizzierten 
Anordnung zu berechnen. Aus einem Buch über EMV habe ich hierfür 
folgende Formel:

û_{stör,Last}=j*w*C_{K}*U{stör,quelle}*(R[v]*R[L])/(R[v]+R[L])

Das würde bei den Werten aus der Skizze mit C_{K}=20pF ne Störspannungm 
von 62.2V (!!!) ergeben. Diese wäre damit sogar mehr als zehnmal so hoch 
wie die Erzeugende Spannung und die Signal Spannung(negativer 
Störabstand????).

Autor: The Scientist (Gast)
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Oh sorry ich hab die Skizze vergessen. Stimmt die oben aufgestellte 
Rechnung?

Autor: Helmut -dc3yc (dc3yc)
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Wissenschaftler,

wichtig wäre zu wissen, bei welcher Frequenz du das betrachten möchtest 
und ob auf der gegenüberliegenden Platinenseite eine Massefläche ist. 
Kannst ja mal unter "koplanare Streifenleitung" suchen. Ansonsten kann 
ich dir auch das epsilon_r sagen, wenn ich die Abmessungen noch dazu 
habe (Dicke der Platine und des Kupfers sowie Abstand und Breite der 
Leiterbahnen).

Servus,
Helmut.

Autor: The Scientist (Gast)
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Abmessungen stehen ganz oben bis auf Platinen Dicke:
Leiterbahndicke   = 0.3mm
Leiterbahnabstand = 0.3mm
Länge der Bahnen  = 10cm
Kupferstärke      = 35µm
Platinendicke     = 1.5mm
Material          = FR4

Es gibt keine Massefläche auf der Gegenseite und auch keine schirmenden 
Masseleitungen dazwischen.

Ziel der Schaltung ist es, die Stärke der kapazitiven Kopplung zu 
messen. Deshalb ist auch darauf geachtet, dass besonders gut 
eingekoppelt werden kann(lange parallelführung, etc.). Die induktive 
Kopplung wird einerseits durch eine enge Führung der Störquellenschleife 
und der Störsenkenschleife vermindert, andererseits durch den geringen 
Strom in der Störquellenmasche.

Ich habe früher EMV in Designs immer mit den bekannten Faustregeln 
qualitativ versucht zu beachten, aber wenn man ein komplexes Design hat, 
kann man nicht alle Schleifen optimal gestalten. Deshalb habe ich 
beschlossen mich näher in das Thema einzuarbeiten mit Bücher und dem 
I-Net und will demnächst Störeinflusse berechnen oder zumindest 
quantitativ abschätzen können.

Autor: Helmut -dc3yc (dc3yc)
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Laut dem Diagramm in meinem "Meinke-Gundlach" ist der Faktor ca. 0.35 * 
epsilon-r und die Impedanz ca. 130 Ohm. Daraus solltest du alles 
gewünschte ausrechnen können.

Servus,
Helmut.

Autor: The Scientist (Gast)
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Also nach der Formel aus dem Buch(siehe oben) wäre die Störspannung 
jetzt 18.66V. Das erscheint mir aber sehr sehr unwahrscheinlich, da der 
OSC(Störquelle) ja nur bei 5V läuft.

Wenn ich das selber mit Spannungsteilerformeln ausrechne kommt da ne 
Spannung von 5V raus, weil die Impedanz der Kopplung gegenüber der Last 
äußerst klein ist.

Kann das sein, dass die Formel aus dem Buch nur gilt, wenn die 
Koppelimpedanz deutlich größer ist als die Last, sodass die Störspannung 
an der Last nicht in die Nähe ihrer Erzeugerspannung kommt???

Autor: .... (Gast)
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nur mal so...
ohne die Anstiegsflanke kannste die Berechnung knicken!
Die Taktfrquenz ist unwichtig
Die liegt bei 5 bis 15ns

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ The Scientist (Gast)

>Oh sorry ich hab die Skizze vergessen. Stimmt die oben aufgestellte
>Rechnung?

Kaum. Der Spannungsteiler ist falsch berechnet.


Das Ganze ist logischerweise frequenzabhängig. Wenn wir davon ausgehen, 
dass der 100 MHz Oszillator einen Sinus mit 5V Vpp ausspuckt kann man 
überschlagen (bin jetzt zu faul für die komplexe Rechnung).

->

Voila.

MFG
Falk

Autor: Duck und weg (Gast)
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So ganz nebenbei. Die Anordnung sieht wie ein Richtkoppler aus. Der 
koppelt die Wellen bevorzugt induktiv. Zugegeben, dort sind die 
Widerstaende viel tiefer, so um die Leitungsimpedanz rum. Kleiner 100 
Ohm.

Autor: The Scientist (Gast)
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@Falk:

Das Zitat bezieht sich jetzt auf die Formel aus dem Buch? Das meinte ich 
mit
>die Formel aus dem Buch nur gilt, wenn die Koppelimpedanz deutlich größer >ist 
als die Last, sodass die Störspannung an der Last nicht in die Nähe >ihrer 
Erzeugerspannung kommt???

Deine Rechnung habe ich im Beitrag vom 07.01.2008 19:51 genauso gemacht. 
Auch mit der Vereinfachung, dass es kein Rechteck sein würde. Deshalb 
ca. 5V.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Duck und weg (Gast)

>So ganz nebenbei. Die Anordnung sieht wie ein Richtkoppler aus. Der

Richtkoppler bei 100 MHz mit 100k und 1k? Hmmm. Mal abgesehen davon, 
dass da die Ferrite fehlen.

MFG
Falk

Autor: The Scientist (Gast)
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Sry aber ich möchte nochmal wissen ob ich das jetzt richtig verstanden 
habe mit den Formeln:

Bei großen Störabständen gilt die Formel 3.2 aus dem Buch(siehe Anhang).
Wenn die aber Kopplungsimpedanz klein ist im Vergleich zur Last dann 
muss ich das mit der Formel für nen belasteten komplexen Spannungsteiler 
machen(wie oben).
Kann ich mir das so merken?

Für Verwirrung sorgt hier die Formulierung im Buch: "Unter der für die 
Erfassung des Worst Case günstigen Annahme, dass u(stör)>>u(Last,stör) 
gilt, herrscht Rückwirkungsfreiheit. Dann gilt (3.2)."
Der Worst Case ist aber doch ein niedriger Störabstand und dann gilt 
seine Annahme doch nicht, also ist die doch alles andere als günstig, 
oder nicht?

mfg The Scientist

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ The Scientist (Gast)

>Wenn die aber Kopplungsimpedanz klein ist im Vergleich zur Last dann
>muss ich das mit der Formel für nen belasteten komplexen Spannungsteiler
>machen(wie oben).
>Kann ich mir das so merken?

Ja.

>Für Verwirrung sorgt hier die Formulierung im Buch: "Unter der für die
>Erfassung des Worst Case günstigen Annahme, dass u(stör)>>u(Last,stör)
>gilt, herrscht Rückwirkungsfreiheit. Dann gilt (3.2)."

Ist da nicht das Relationszeichen falschrum?

>Der Worst Case ist aber doch ein niedriger Störabstand und dann gilt
>seine Annahme doch nicht, also ist die doch alles andere als günstig,
>oder nicht?

Stimmt.

MFG
Falk

Autor: The Scientist (Gast)
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>Ist da nicht das Relationszeichen falschrum?

Also es steht genauso in dem Buch. Mit u(stör) ist die 
Störquellenspannung gemeint, mit u(last,stör) die Spannung am 
Lastwiederstand in der Störsenke. Wenn der Störabstand groß ist dann ist 
doch auch u(stör)>>u(last,stör). Nur das mit dem Worst Case verwirrt.

Gibt's bei der induktiven Kopplung eigentlich auch so einen Fall, dass 
bei kleinen Störabständen die Größe der Störung irgendwann nichtmehr nur 
von der Koppelimpedanz, sondern hauptsächlich von der Lastimpedanz 
bestimmt wird? Weil in den Formeln, die er da angibt macht er ähnliche 
Einschräkungen. Wenn würde mich da mal die "richtige" Formel 
interressieren.

Autor: The Scientist (Gast)
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Zwischendurch: Danke für die Hilfe an alle. Als Einsteiger kommt mir EMV 
als verdammt verzwicktes Thema vor, vorallem wenn HF im Spiel ist...

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ The Scientist (Gast)

>Also es steht genauso in dem Buch. Mit u(stör) ist die
>Störquellenspannung gemeint, mit u(last,stör) die Spannung am
>Lastwiederstand in der Störsenke.

OK, dann passt es.

>Einschräkungen. Wenn würde mich da mal die "richtige" Formel
>interressieren.

Ist genauso wie mit kapazitiver Kopplung. Komplexer Spannungsteiler bzw 
Trafo.

MFG
Falk

Autor: 1234 (Gast)
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>>So ganz nebenbei. Die Anordnung sieht wie ein Richtkoppler aus. Der

>Richtkoppler bei 100 MHz mit 100k und 1k? Hmmm. Mal abgesehen davon,
>dass da die Ferrite fehlen.

Der Richtkoppler ist eine Sache der Geometrie. Wenn der Geradauskanal 
nicht abgeschlossen ist, hat das auf die Kopplung keinen Einfluss und 
wenn der Koppelkanal nicht angepasst ist, hat man dort eben Reflexionen. 
Einen Ferrit braucht man nicht. Wiehoch die Kopplung ist wuesste ich 
nicht, sicher hoeher als nur mit kapazitiver Kopplung. Ich koennt's bei 
Gelegenheit mal rechnen.

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