Gleichtaktstörungen: Definition, Ursachen und Möglichkeiten zur Minderung
Gleichtaktstörungen sind eine der größten Herausforderungen bei Präzisionsmessungen und der Signalverarbeitung. Sie treten in einer Vielzahl von Anwendungen auf und können schwache Signale erheblich verzerren, die Messgenauigkeit beeinträchtigen und die Funktionalität elektronischer Systeme beeinträchtigen. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, die Ursachen von Gleichtaktstörungen zu verstehen und zu wissen, wie sie reduziert oder beseitigt werden können – insbesondere in sensiblen industriellen und medizinischen Umgebungen.
Was sind Gleichtaktstörungen?
Gleichtaktstörungen sind unerwünschte elektrische Störsignale oder Störungen, die auf zwei Signalleitungen in Bezug auf eine gemeinsame Masse gleichermaßen auftreten. Im Gegensatz zu Differenzsignalen, bei denen die Spannung zwischen zwei Leitern gemessen wird, ist die Gleichtaktspannung auf beiden Leitern gleich. Diese Art von Störung entsteht in der Regel durch kapazitive oder induktive Kopplung mit externen elektromagnetischen Quellen oder durch Unterschiede im Erdpotenzial innerhalb eines Systems.
In der Praxis können Gleichtaktstörungen durch Elektromotoren, Schaltnetzteile, in der Nähe befindliche Hochfrequenzgeräte (HF-Geräte) oder lange Kabelstrecken verursacht werden, die in Umgebungen mit schlechter Erdung oder hohen EMI-Werten (elektromagnetische Störungen) betrieben werden.
Wie Gleichtaktstörungen auftreten
Warum es in industriellen und medizinischen Umgebungen wichtig ist
Die häufigsten Wege für diese Art von Lärm sind:
- Kapazitive Kopplung zwischen Stromleitungen und Signalkabeln
- Impedanzunsymmetrie in Übertragungsleitungen
- Ground loops that occur due to inconsistent ground reference points
- Magnetfelder, die in ungeschirmten oder schlecht verlegten Kabeln Spannungen induzieren
Da sie beide Signalleitungen gleichermaßen beeinflussen, können Gleichtaktstörungen nicht durch eine einfache Differenzmessung ausgeblendet werden – es sei denn, das System ist speziell dafür ausgelegt, sie zu unterdrücken.
In der industriellen Automatisierung arbeiten Sensorsysteme häufig in Umgebungen mit elektrischen Störungen, in denen das Schalten von Geräten und hohe Ströme erhebliche Gleichtaktspannungen verursachen können. In solchen Fällen kann eine unzureichende Unterdrückung dieser Störungen zu falschen Sensorwerten, Regelungsfehlern oder sogar zu Fehlfunktionen der Geräte führen.
Die Medizintechnik stellt ihre eigenen Herausforderungen. Beispielsweise können bei Patientenüberwachungssystemen oder Beatmungsgeräten selbst kleine Spannungsabweichungen, die durch Gleichtaktstörungen verursacht werden, zu einer falschen Dateninterpretation führen und die Patientensicherheit beeinträchtigen. Hier sind elektrische Isolierung und ein hoher Gleichtaktunterdrückungsgrad (CMRR) wesentliche Prioritäten bei der Konstruktion.
Reduzierung oder Vermeidung von Gleichtaktstörungen
Zusammenfassung
Es gibt mehrere wirksame Strategien, um Gleichtaktstörungen zu minimieren oder zu beseitigen:
- Differenzielle Signalübertragung: Durch die Verwendung von gepaarten Leitern und Verstärkern, die nur auf Spannungsunterschiede zwischen den Leitungen reagieren, werden bei der differentiellen Signalübertragung gemeinsame Störkomponenten ausgeblendet.
- Abschirmung und Erdung: Eine ordnungsgemäße Kabelabschirmung und sorgfältige Erdungstechniken tragen dazu bei, Störungen durch externe Quellen zu verhindern.
- Isolierung: Galvanische Trennung über Transformatoren oder Optokoppler verhindert unerwünschte Strompfade über Erdungsanschlüsse.
- Ausgeglichene Impedanz: Durch die Aufrechterhaltung einer gleichen Impedanz auf beiden Leitungen werden symmetrische Signalwege gewährleistet, wodurch die Rauschkopplung reduziert wird.
- Filterung: Gleichtaktdrosseln und Ferritperlen unterdrücken hochfrequente Störungen entlang der Kabel.
Gleichtaktstörungen sind eine häufige und oft unterschätzte Ursache für Messfehler. Werden sie nicht bekämpft, können sie die Zuverlässigkeit von Präzisionselektronik in allen Branchen beeinträchtigen. Entwickler müssen daher von Anfang an Abschirmung, Erdung, Signalisolierung und Differenzarchitekturen berücksichtigen. Insbesondere in kritischen Anwendungen wie der industriellen Automatisierung, der medizinischen Diagnostik oder der Messtechnik ist das Verständnis und Management von Gleichtaktstörungen für eine genaue und robuste Leistung unerlässlich.
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