Hallo,
In einem anderen Forum wurde über die Vorteile von grossen Masseflaechen auf Platinen diskutiert. Ich machte darauf aufmerksam, dass es, wie ich es beim SOLF kennengelernt hatte, auch sehr wichtig ist, das bei der Verbindung von Platinen die Masseflaechen sehr groß sein sollten.
Als nicht Elektriker gingen mir zwar nicht die Gefühle aus, aber die Argumente. Kann es Situationen geben, wo Masse Verbindungen im HF Bereich zwischen Platinen unerwünscht sind?
72 de Hajo
Naja, überall da wo du mit unterschiedlichen Potentialen zu tun hast oder haben könntest, Stichwort Galvanische Trennung.
Ich habe zum beispiel bessere ergebnisse wenn ich meine Funkanlage am Einspeisepunkt der Antenne Erden tue. Die einzelkomponenten
haben keine weitere Erde. Ich betreibe das ganze in einem Fahrzeug, das lediglich kapazitiv gegen die eigentliche erde gebunden ist. Wenn
ich mir das Fz wie einen breitbandradial vorstelle und ich nehme das Spannungsführende ende des Radials was am weitesten von der Antenne
weg ist, und verbinde das dann mit meinem Tranceiver, bekomme ich die ganze jetzt Spannungsführende HF wieder ins Funkgerät rein.
Da reicht übrigens schon die Masse von der Solaranlage aus, was mich Spannungsversorgungstechnisch vor einige Challanges stellt.
Hier ist also tatsächlich weniger mehr, offensichtlich.
Warum sich an meinem Laptop das Touchpad verabschieded sobald ich den Galvanisch getrennten Datenadapter verwende,
(Und ja der ist wirklich absolut galvanisch getrennt) kann ich leider immernoch nicht nachvollziehen. Das klappt im übrigen
auch bei Akkubetrieb. Hier stehen noch ein paar Experimente aus.
gruß
Hans
Warum sind große Masseflächen gut?
Die Antwort findet man im Ohmschen Gesetz: Ströme nehmen immer den Weg mit der geringsten Impedanz. Masseflächen haben einen größeren Leiterquerschnitt und eine großere Leiteroberfläche (Skin Effekt!) und haben deswegen insbesondere für HF-Signale und steile Impulse einen geringeren ohmschen und induktiven Widerstand als schmale Leiterbahnen.
Masseflächen können ein Schaltungslayout deutlich in seiner Funktion und im EMV Verhalten verbessern, wenn sie sinnvoll eingesetzt werden. Sie können aber auch genau das Gegenteil bewirken. Durch falsche Anordnung von Masseflächen können manche Verkopplungen erst enstehen. Wenn Ströme oder Strominpulse auf der Fläche unterschiedliche Wege nehmen, können innerhalb der Massefläche Potentialunterschiede auftreten, die bei empfindlichen Schaltungen störende Verkoppelungen verursachen. In solchen Fällen ist eine sternförmige Masseverbindung vorzuziehen, die Sternpunkte können wiederum an einer Stelle mit der Massefläche verbunden werden. Die Gefahr derartiger Verkoppelung besteht übrigens gleichermaßen bei den Betriebsspannungsleitungen. Masseflächen auf gegenüberliegenden Leiterplattenseiten können auch schädlich sein, wenn ein Schaltungsteil eine besonders geringe Kapazität gegen Masse erfordert. In diesem Falle spart man die Massefläche an der betreffenden Stelle aus.
Bei HF-Schaltungen können mit der Streifenleitungstechnik durch die Wahl der Leitungsbreite im Verhältnis zur gegenüberliegenden Massefläche und dem Leiterplattenmaterial als Dielektrikum Leitungen mit definiertem Wellenwiderstand erzeugt werden. Mit der gleichen Technik lassen sich Induktivitäten, Kapazitäten und Filter realisieren. Unsachgemäß verbundene Masseflächen auf unterschiedlichen Platinenlayern können insbesondere bei hohen Frequenzen Probleme verursachen. Hier ist mit einer ausreichenden Anzahl und Anordnung von Durchkontaktierungen dafür zu sorgen, dass beide Masselayer mit einer niedrigen Impedanz verbunden sind und auch unter HF-Gesichtspunkten das gleiche Potential aufweisen. Zu dem spezielle Thema gab es schon mal eine Diskussion hier und DK4SX hat das zusammengefasst: http://dk4sx.darc.de/durchkont.htm
Masseflächen sind kein Allheilmittel, Know-How und Erfahrung sind im Einzelfall gefragt.
73, Günter
Hallo,
Danke für die Erläuterungen. Wenn ich dies nun richtig verstanden habe, kann dies Problem nur in Verbindung mit einem konkreten Schaltungsaufbau "richtig" beantwortet werden. Und ich der Laie sollte sich da raushalten.
Um das Problem zu verdeutlichen: Es ging um den Ultimate3 . Hierfür hatte Hans Summers ein LPF-Board konstruiert, das er mit Plastik-Abstandshaltern verbunden hatte. Ich hatte dann aus meiner SOLF-Erfahrung Metallverbindungen mit den entsprechenden Verbindungsflaechen vorgeschlagen.
Im realen Leben ist wohl alles etwas komplizierter als in der Theorie.
Trotzdem Dank.
72 de Hajo
Hierfür hatte Hans Summers ein LPF-Board konstruiert, das er mit Plastik-Abstandshaltern verbunden hatte. Ich hatte dann aus meiner SOLF-Erfahrung Metallverbindungen mit den entsprechenden Verbindungsflaechen vorgeschlagen
Hallo Hajo,
Das von dir erwähnte Tiefpass hat eine durchgehende Massefläche auf der Unterseite der Steckplatine. Wenn man nun die Masseverbindung über die Stecker noch durch unkontrollierte Masseverbindungen über metallische Distanzhülsen ergänzt, hat man keine "sternförmige" Masse mehr, sondern viele unterschiedliche Massewege (Masseschleifen) mit unterschiedlichen Impedanzen. Dadurch besteht die Gefahr von Verkopplungen, die die Sperrtiefe des Tiefpassfilters nachteilig beeinflussen können.
Edit: genau zu dem Thema Filtersperrtiefe und Masseführung gab es schon mal einen Thread hier im Forum: http://www.qrpforum.de/index.php?page=Thread&threadID=7748
73, Günter
@Guenther
Danke fuer den Hinweis und Link. Ich werde mit meinen Vorschlägen zumindest ezueglich Hardware etwas vorsichtiger umgehen muessen.
72 de Hajo
ZitatStröme nehmen immer den Weg mit der geringsten Impedanz.
Richtig! Bei HF ist das aber nicht wirklich der direkte Weg sondern die Strecke unter der die Bahn "hin" geführt hat (Im Gegensatz zu DC).
Weiterhin ist der Begriff "HF" wirklich verdammt schwammig. Bei 30MHz würde ich noch nicht von HF und Skineffekt reden. Der ist irrelevant - Vor allem bei Leistungen die den AFU betreffen!
Die Ausnahme sind die Leute, die bei 10GHz und mehr senden möchten. Da ist der Effekt schon eher relevant. Die wirklichen Probleme in diesen Frequenzbereichen sind jedoch ganz anderer Natur (Zb ist die Verstärkung bei 10GHz ein wirkliches Problem - Viel Watts rein, wenig Watts raus) und man kann locker zu Hohlleitern und Keramik greifen.
Auch die Striplines machen (imho) erst bei GHz Sinn. Davor werden sie einfach zu groß für fertigbare Platinengrößen (Nachrechnen! Wir sind hier im Theorieforum. Die Formel gibt es unter "Stripline" bei Wikipedia!) 
Meiner Meinung nach vergisst Günther, dass das bis 30MHz eine "sich langsam verändernde Gleichspannung" ist - Nix UKW 
ZitatWarum sich an meinem Laptop das Touchpad verabschieded sobald ich den Galvanisch getrennten Datenadapter verwende,
Möglichkeiten die mir passiert sind :
- HF kommt über Strom rein.
- Ich war zu nah an der Antenne, und Feldstärke zu hoch.
- Was DC-Galvanisch Getrennt ist muss nicht für getrennt sein !
Also ein Übertrager, hat zwischen Primär und Sekundär zum Teil ganz erhelbliche kapazitäten.
Bei mir ist das so, das mein "Soundmodem" zwar gut zwischen 0-30MHZ arbeitet.
Aber auf 144MHZ nicht mehr. Da geht Suppe von dem Rechner über das "Übertrager-C" in den TRX.
Ich denke ich werde demnächst die NF-Seite noch mal mit einem Tiefpass verpassen.
Achja bis auf die sache mit der Feldstärke.. ist das eigentlich ein Problem das wegen Mantelwellen auftritt.
Layout :
Also ich habe mittlerweile viel Spass mit KiCAD, aber das mit der perfekten Masse .. da denke ich nicht das ich alles wirklich gut verstanden habe.
Ich versuche zwar immer da wo ich kann oder vermute es macht sinn, Stern oder was zum abschirmen zu layouten, aber
ein Tutorial : Masse für Dummy's wäre schon ganz schön.
Am besten mit einer Schaltung, die man einmal problematisch routet, einmal mit Stern, einmal.. so... etc..
Nur damit man das auch mal live den Fehler sehen kann.
Ich bin mir bei dem Thema einfach noch nicht zu 100% sicher, was ich aber sehr gerne wäre !
Ein weiterer Grund für grosse Masseflächen ( jedenfalls bei mir ) : Ätzbad schonen !
- Kühlen von Leistungs-SMD bauteilen...
Einball : Sehe erst jetzt das Bild .. vermute stark Gecko. 2. Versuch : Anolis... richtig ?
(Früheres Hobby von mir)
Bei 30MHz würde ich noch nicht von HF und Skineffekt reden. Der ist irrelevant.....Meiner Meinung nach vergisst Günther, dass das bis 30MHz eine "sich langsam verändernde Gleichspannung" ist - Nix UKW
Aus diesen vollmundigen Ratschlägen spricht sicher die langjährige Erfahrung eines versierten HF und Gigahertz Entwicklers. 
73, Günter
Hallo,
es wurde hier zitiert, das es ein Theorieforum ist also fange ich mit der Theorie an:
Jedes Stück Draht oder Leitung hat einen Widerstand, Skin-Effekt. eine Induktivität, eine Kapazität, strahlt Felder ab (das ist der direkte Zusammenhang) und das schon ab DC. Relevant ist doch nur, ob die entsprechenden Werte einen Einfluss auf die betrachtete Schaltung bzw. Funktion bei der Nutzfrequenz hat, oder bei unbeabsichtigten Frequenzen haben kann (z.B. Schwingneigung eines HF Transistors).
Natürlich sind bei 10cm Leitung Induktivität und Kapazität und Skin Effekt für 1GHz meist relevant, für 100kHz meist noch nicht.
Jetzt zu den praktischen Themen:
Ab ca. 1/10 der Wellenlänge betrachtet man eine Leitung (Kabel) relevant für die Leitungstheorie, d.h. erste Anzeichen von Reflexionen usw. auf der Leitung können einen Einfluss haben, bis dahin kann man ein solche Leitungsstück mit einzelnen diskreten Bauelementen modellieren.
Wer also seinen 100MHz Oszillatorausgang mit einer nicht angepassten 75cm Leitung (oder nicht geeignetem Tastkopf) am Oszilloskope anschließt, soll sich nicht wundern, wenn er irgendwas misst, aber vermutlich nicht den richtigen Pegel. Bei einem 30MHz Empfänger das Eingangssignal mit 10cm Einzelader (nicht angepasst) zu führen, sollte von der Leitungstherorie kein Problem sein, die ca. 100nH könnten aber schon, je nach Schaltungsgruppe, die gewünschte Anpassung verändern (19Ohm Impedanz, falls ich mich nicht verrechnet habe)
Der Skin-Effekt ist natürlich bei geringen Frequenzen sehr klein. Wer aber den Wirkungsgrad einer magnetischen Loop berechnen möchte, tut gut daran den Skin Effekt zu berücksichtigen. Nicht der Materialwiderstand der Loop sondern der Skin-Effekt macht den größten Anteil, d.h. ein 2cm massiver Leiter macht keinen Vorteil gegenüber einem 2cm Rohr. Dazu muss man sagen, dass es bei der Güte um einige mOhm geht, da die Loops bei den im Vergleich zur Frequenz kleinen Abmessungen nur einen geringen Strahlungswiderstand haben.
Ich habe damals schon an der Uni die so genannten HF-Techniker mit schmunzeln betrachtet, die meisten, alles unter 1GHz wäre DC und nur Ihre Hohlleiterkonstruktionen wären die eigentliche HF-Technik. Wie der Albert schon vor einiger Zeit gesagt hat: Alles ist relativ.
Zum eigentlichen Thema Masseführung:
Hier gibt es zwei Ansätze: Sternverbindung, d.h. die Masse nur an einem Punkt verbinden, dann aber möglichst auch nah an der Signalleitung (Einkoppelschleifen verhindern). Und dann natürlich auch möglichst nur die eine Verbindung der Masse und nicht z.B. wieder über das Gehäuse die Schleife schließen.
Oder aber die Massen möglichst breit verbinden, wobei kurze Unterbrechungen je nach Frequenz und Anwendung nicht so schlimm sind.
Soweit in Kurzform ein paar Betrachtungen dazu. Der Begriff HF wird ja auch sehr unterschiedlich verwendet: HF ist oft nur alles bis 30MHz, weil dann ja VHF, UHF usw. anfangen. Allgemein wird es aber auch gerne für alles verwendet, wo die Frequenz und damit verbundene elektromagnetische Eigenschaften (E und H-Feld) von Bedeutung sind. Die Frequenz eines Längstwellensenders ist für die einen HF, für die anderen kommt bei den Frequenzen erst die NF Perfektion für die Stereoanlage.
vy 73 de Karsten, DD1KT
Natürlich sind bei 10cm Leitung Induktivität und Kapazität und Skin Effekt für 1GHz meist relevant, für 100kHz meist noch nicht
Ich wundere mich immer woher der Irrglaube kommt, der Skineffekt wäre nur bei hohen Frequenzen relevant. Jeder Netzbetreiber von Überlandleitungen muss berücksichtign, dass der Skineffekt auch bei 50 Hz schon eine maßgebliche Größe ist, weil schon bei dieser Frequenz die Eindringtiefe auf 25mm abgesunken ist. Darum werden statt dickerer Leitungen vierfach Leitungen aufgehängt.
Mit so überheblichen Sprüchen wie "30MHz ist sich langsam verändernder Gleichstrom" oder "der Skineffekt ist bei 30 Mhz nicht relevant" diesqualifiziert man sich eher. Bei 30 MHz beträgt die Eindringtiefe in Kupfer gerade mal noch 13 Mikrometer!!
Online Skineffektrechner: chemandy.com/calculators/skin-effect-calculator.htm
73, Günter
Ich wundere mich immer woher der Irrglaube kommt, der Skineffekt wäre nur bei hohen Frequenzen relevant. Jeder Netzbetreiber von Überlandleitungen muss berücksichtign, dass der Skineffekt auch bei 50 Hz schon eine maßgebliche Größe ist, weil schon bei dieser Frequenz die Eindringtiefe auf 25mm abgesunken ist. Darum werden statt dickerer Leitungen vierfach Leitungen aufgehängt.
Amateurfunker haben aber weder Leitungen über einen Kilometer Länge noch fließen Leistungen im Megawattbereich über die Leitungen. Amateurfunker bezahlen auch nicht teuer wenn das eine oder andere Watt im Kabel stecken bleibt. Bei 24/7 Versorgungen sieht das schon wieder anders aus.
Mit so überheblichen Sprüchen wie "30MHz ist sich langsam verändernder Gleichstrom" oder "der Skineffekt ist bei 30 Mhz nicht relevant" diesqualifiziert man sich eher. Bei 30 MHz beträgt die Eindringtiefe in Kupfer gerade mal noch 13 Mikrometer!!
[...]
Und wo spielt das im Allgemeinen eine Rolle? Bondingdrähte haben ähnliche Durchmesser (klar gibt es auch hier dickere) und dennoch lässt man locker 1-2 Ampere darüber laufen. Die Eindringtiefe ist auch nicht das letzte Wort sondern nur ein Faktor in der Berechnung der Stromdichte im Leiter.
Wenn man es natürlich wie bei Loops auf die Spitze treibt (kaum E-Feld, Abstrahlung hauptsächlich durch die ideale Spule mit Serienwiderstan), muss man auch kleine Faktoren bedenken. Bei Loops zählt ja jedes mOhm. Bei einem normalen KW-Verstärker mit dem Skineffekt anzukommen finde ich schon etwas Overkill wenn man nicht auf 0.01db genau rechnen möchte. Dann sollte man aber auch andere Dinge wie zb Fertigungsunterschiede, Gehäusegeometrie und solche Scherze beachten. Und wenn wir dann dabei sind, dann befinden wir uns bei R&S mit Preisbereichen von 10.000€ bis oben offen.
Was ich damit sagen möchte ist, dass das alles relativ ist. Ich bezweifle, dass Peter Solf beim Bau des Solf auch nur einen Gedanken an den Skineffekt verschwendet und sich vielmehr um eine gute Masseführung Gedanken gemacht hat! Denn genau darum geht es hier: Richtige und gute Masseführung - Eine "immer richtig" Lösung gibt es nicht. DCDC Wandler brauchen andere Masseführungen als Verstärker oder Impulsgeneratoren!
Ich bezweifle, dass Peter Solf beim Bau des Solf auch nur einen Gedanken an den Skineffekt verschwendet und sich vielmehr um eine gute Masseführung Gedanken gemacht hat! Denn genau darum geht es hier: Richtige und gute Masseführung
Lieber unbekannter einball OM,
Der Skin Effekt ist, wie ich oben beschrieben habe, einer von mehreren Aspekten, die bem Schaltungslayout und der Masseführung zu berücksichtigen sind. Durch die Verringerung der Eindringtiefe im Leiter wird z.B. der Leiterquerschnitt und damit der Widerstand einer Massebahn oder einer Durchkontaktierung und dadurch mögliche Verkopplungen beeinflusst. Insofern befasst sich jeder professionelle oder semiprofessionelle Schaltungsentwickler zwangsläufig auch damit. Ab du hast Recht, wir sind hier im Theorieteil des Forums -da kann es schon vorkommen, dass es vereinzelt an praktischen Erfahrungen mangelt. Sonst kämen so haltlose Sprüche wie "Er hat wohl vergessen dass 30 MHz noch Gleichstrom ist" oder " Bei 30MHz würde ich noch nicht von HF und Skineffekt reden. Der ist irrelevant" nicht vor. Ein erfahrener Praktiker würde sich niemals zu so einer Aussage hinreissen lassen.
Ein anderer Aspekt den ich mal ansprechen möchte ist die Netiquette. Hier im Forum gehört es zu den höflichen Umgangsformen, dass man ein Posting mit seinem Namen und gegebenfalls mit einer Grußformel abschließt. Vielleicht wär das mal eine Anregung neben der Masseführung.
73, Günter
ZitatEin erfahrener Praktiker würde sich niemals zu so einer Aussage hinreissen lassen.
Wie gut, dass ich kein erfahrener Praktiker bin! Ich studiere noch. Mir fehlt also jegliche Praxiserfahrung!
Fachidiot sozusagen
ZitatEin anderer Aspekt den ich mal ansprechen möchte ist die Netiquette. Hier im Forum gehört es zu den höflichen Umgangsformen, dass man ein Posting mit seinem Namen und gegebenfalls mit einer Grußformel abschließt. Vielleicht wär das mal eine Anregung neben der Masseführung.
Die Netiquette habe ich an dieser Stelle bewusst ignoriert 
ZitatEinball : Sehe erst jetzt das Bild .. vermute stark Gecko. 2. Versuch : Anolis... richtig ?
(Früheres Hobby von mir)
Taggecko! Phelsuma-Grandis IIRC.
Hallo Günter,
wie ich schon im vorherigen Beitrag gesagt hatte, kommt es immer auf die Anwendung an.
Ich mehe mal Dein Beispiel der Durchkontaktierung für 30MHz: 0.5mm Loch Kupfer durch 1,5mm Leiterbahn mit Skin Effekt: 1,3mOhm aber 0,2nH und somit 37,7mOhm Impedanz. Ich bitte um Korrektur, falls ich mich verrechnet habe. Das dürfte meines Erachtens für die meisten Schaltungsanwendungen nicht relevant sein.
Bei 300Mhz wird das zu 4,3mOhm Skin Effekt und 377mOhm Impedanz. Für manche Schaltungen könnte das dann wegen der Impedanz schon wichtig werden, aber der Skin Effekt geht nach meiner Betrachtung dabei unter. Ähnliches würde ich jetzt mal für Leiterbahnen annhmen, ohne es konkret zu rechnen. Aber natürlich sind die Gegenmassnahmen für beide Effekt gleich: Mehrere Durchkontaktierungen verwenden und breite Leiterbahnen, wobei bei denen auch alleine der Materialwiderstand des Kupfers eingeht, wenn man diese minimal dünn auslegt.
Mit der magnetischen Loop hatte ich aber auch schon ein Beispiel gegeben, wo der Skin Effekt auch schon bei niedrigen Frequenzen der Kurzwelle Auswirkungen hat.
Um dann doch noch einmal auf Hochstromleitungen zurück zu kommen. Ich habe die Rechnung nicht parat, aber trotz der großen Abstände der Phasen an den Hochspannungsmasten sind bei langen Leitungen die Wechselstromverluste über die Leitungskapazitäten (und Induktivitäten) mit die größten Anteile. Deswegen sollen die neuen Trassen quer durch Deutschland auch Gleichstromtrassen werden. Den resistiven Verlusten wird durch die hohen Spannungen (gerigerer Strom, in Relation) entgegengewirkt. Das dann eine Ader aus mehreren Leitern zusammengestelt wird hat auch mit einen Grund der hohen Feldstärken, die sonst an dem kleinen Radius auftreten und zu massiver Ionisierung der Luft bei den entsprechend hohen Spannungen führen. Soviel zu dem, wass ich von dem, was ich mal über Versorgernetze gelernt habe, behalten habe.
Aber: Irren ist menschlich und somit überlasse ich Dir, Günter das letze Wort um mich ggf. zu korrigieren.
vy 73 de Karsten, DD1KT
Kinners, die Frage im Thread lautete:"Warum sind große Massflächen (auf Leiterplatten) gut?
Das war meine Antwort:
Die Antwort findet man im Ohmschen Gesetz: Ströme nehmen immer den Weg mit der geringsten Impedanz. Masseflächen haben einen größeren Leiterquerschnitt und eine großere Leiteroberfläche (Skin Effekt!) und haben deswegen insbesondere für HF-Signale und steile Impulse einen geringeren ohmschen und induktiven Widerstand als schmale Leiterbahnen.
Die nebensächliche Skin Effekt Diskussion kam erst auf, als vollmundig belehrt wurde, dass "unter 30MHz der Skineffekt nicht relevant ist, weil bis 30 MHz überhaupt noch nicht richtige HF sei" . Und das ist offensichtlicher Unfug, denn wäre dem so, hätte man z.B. in den Röhrenradios für Mittelwellenspulen keine HF-Litze zur Vergrößerung des effektiv am Stromfluss beteiligten Querschnitts gebraucht.
Meine Tüte mit Trollfutter ist jetzt leer und gut is.
73, Günter
