Ab wie viel µA Gleichtaktstrom scheitert CISPR 32 Klasse B?

Oft heißt es, schon wenige Mikroampere Gleichtaktstrom auf einem Kabel genügen, um eine Störfeldstärkemessung nicht zu bestehen. Dieser Beitrag rechnet das mit dem Modell des kurzen Kabels (Hertzscher Dipol) und den Grenzwerten nach CISPR 32 Klasse B nach und rechnet das Ergebnis in einen Messwert um, den man vor dem Labortermin mit einer Stromzange prüfen kann.

Das Modell

Für ein Kabel, das viel kürzer als die Wellenlänge ist (L < λ/10) und einen Gleichtaktstrom I führt, beträgt die maximale Feldstärke über einer Massefläche im Abstand r etwa E = 1,257 × 10⁻⁶ · f · L · I / r, mit f in Hz, L und r in Metern und I in Ampere. Der Faktor enthält bereits die Bodenreflexion (×2) eines Freifeldmessplatzes oder einer Halbabsorberkammer. Da E mit Frequenz und Kabellänge steigt, ist derselbe Strom bei 200 MHz deutlich kritischer als bei 30 MHz, solange das Kabel elektrisch kurz ist.

Rechenbeispiel: 1 m Kabel bei 30 MHz

Nehmen wir ein 1 m langes USB- oder Netzkabel und den Grenzwert nach CISPR 32 Klasse B in 10 m Abstand: 30 dBµV/m (Quasi-Spitzenwert) von 30 bis 230 MHz, also 31,6 µV/m. Bei 30 MHz beträgt die Wellenlänge 10 m, ein 1 m langes Kabel ist also genau λ/10 und das Modell gilt noch. Nach dem Strom aufgelöst: I = E · r / (1,257 × 10⁻⁶ · f · L) = 31,6 × 10⁻⁶ × 10 / (1,257 × 10⁻⁶ × 30 × 10⁶ × 1) ≈ 8,4 µA.

Rund 8,4 µA (18,5 dBµA) Gleichtaktstrom auf einem Meter Kabel erreichen also den Grenzwert der Klasse B. Mit den üblichen 6 dB Reserve liegt das Ziel bei etwa 4,2 µA (12,5 dBµA).

Zulässiger Strom abhängig von Frequenz und Länge

Da das Modell nur für elektrisch kurze Kabel gilt, wird die nutzbare Länge mit steigender Frequenz kleiner. In der Tabelle bleibt jeder Fall bei höchstens λ/10.

Werte nach E = 1,257 × 10⁻⁶ · f · L · I / r einschließlich Bodenreflexion. Oberhalb von λ/10 verhält sich das reale Kabel wie eine resonante Antenne und das Modell ist nicht mehr zuverlässig.

Die 3-m-Zeile ergibt fast denselben Strom wie die 10-m-Zeile, weil der 3-m-Grenzwert 10 dB höher ist und das Abstandsverhältnis 10/3 etwa 10,5 dB beträgt. Deshalb funktioniert die Faustregel, 3-m- und 10-m-Grenzwerte für Fernfeldquellen mit 10 dB umzurechnen.

Umrechnung in einen Prüfwert für die Stromzange

Eine Stromzange um das gesamte Kabel misst den Gleichtaktstrom direkt: I (dBµA) = Empfängeranzeige (dBµV) − Transferimpedanz Z_T (dBΩ). Bei einer Zange mit Z_T = 15 dBΩ bei 30 MHz laut Kalibrierschein entsprechen die 8,4 µA (18,5 dBµA) am Grenzwert einer Empfängeranzeige von 33,5 dBµV. Mit 6 dB Reserve sollte die Anzeige bei 27,5 dBµV oder darunter liegen.

• Die Zange um das gesamte Kabel legen (alle Leiter und den Schirm), damit sich Gegentaktströme aufheben und nur der Gleichtaktstrom gemessen wird.
• Die Zange am Kabel entlang verschieben und den Höchstwert notieren; durch stehende Wellen hängt der Strom von der Position ab.
• Für jede Frequenz den Z_T-Wert aus den Kalibrierdaten der eigenen Zange verwenden, nicht einen einzigen Nennwert.
• Denselben Detektor und dieselbe Bandbreite wie bei der Abschlussmessung verwenden (RBW 120 kHz, Spitzenwert für einen schnellen Scan), damit der Vergleich aussagekräftig ist.

Was das für Abhilfemaßnahmen bedeutet

Ströme im Mikroamperebereich sind winzig im Vergleich zu den Milliampere in der Schaltung und entstehen durch kleine Unsymmetrien: eine Masseverbindung mit einigen Nanohenry Induktivität, ein über einen Pigtail angeschlossener Schirm oder ein fehlender Filter am Steckverbinder. Ein Ferrit-Klappkern, der bei 30 MHz etwa 100 Ω Gleichtaktimpedanz hinzufügt, kann den Strom bei niedriger Quellimpedanz um ein Mehrfaches senken und ist oft der günstigste Weg, die 6 dB zurückzugewinnen. Das Ergebnis mit der Zange bestätigen und dann den Abstand zum Grenzwert einschließlich Messunsicherheit erneut prüfen.