Vorlesung EMV/EMVU RWTH Aachen Teil EMV2 Welche Prüfungen muss mein Gerät bestehen? - EMV Messverfahren -

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1 Vorlesung EMV/EMVU RWTH Aachen Teil EMV2 Welche Prüfungen muss mein Gerät bestehen? - EMV Messverfahren - Dr. Christian Bornkessel, bornkessel@imst.de

2 Was Die wichtigsten wird geprüft? Störfestigkeitsprüfungen Störfestigkeit geleitet EMV-Norm ESD (Gerät) DIN EN Burst (AC/DC, Signalleitungen) DIN EN Surge (hauptsächlich Stromversorgung) DIN EN durch HF-Felder induzierte Störspannungen (AC/DC, Signalleitungen) Spannungseinbrüche, -unterbrechungen, -schwankungen (AC/DC) DIN EN DIN EN Störfestigkeit gestrahlt EMV-Norm gegen hochfrequente EMF (Gerät) DIN EN gegen Magnetfelder 50/60 Hz DIN EN Folie 2

3 Was Die wichtigsten wird geprüft? Störaussendungsprüfungen Emission gestrahlt EMV-Norm Störfeldstärke (Gerät), ISM-Geräte DIN EN Störfeldstärke (Gerät), Informationstechnik DIN EN Emission geleitet EMV-Norm Störspannung (AC/DC), ISM-Geräte DIN EN Störspannung (AC/DC), Informationstechn. DIN EN Störleistung (AC/DC), Haushaltsgeräte DIN EN Oberschwingungen, Flicker (AC/DC) DIN EN DIN EN Folie 3

4 Elektrostatische Entladung (ESD) DIN EN Entsteht beim Potentialausgleich aufgeladener Personen, Gegenstände und Komponenten mit der geerdeten Umgebung. Ursache Wirkung Aufladung Entladung Folie 4

5 Elektrostatische ESD Störpegel Entladung DIN EN Unterstützt wird die Aufladung durch geeignete Materialien und ungünstige Umweltbedingungen Spannung [kv] synthetisch Wolle antistatisch relative Luftfeuchte [%] Durchschnittswerte von elektrostatischen Spannungen, auf die ein Mensch aufgeladen werden kann, wenn er mit dem aufgeführten Material in Verbindung kommt. Folie 5

6 Störquellen ESD Störquellen DIN EN Für die Beeinflussung von Geräten und Systemen können zwei Störquellen verantwortlich sein: Menschliche Körperentladung Anstiegszeit des Stromimpulses etwa 350 ps Entladung statischer Elektrizität von Mensch zum Gerät Furniture Discharge Entladung statischer Elektrizität von Gegenständen selbst Anstiegszeit des Stromimpulses etwa 5-10 ns Folie 6

7 ESD Impulsform DIN EN ESD-Generator mit Entladespitze Normimpuls nach EN typische Testpegel: Kontaktentladung bis 4 kv, Luftentladung bis 8 kv Folie 7

8 Typischer ESD Prüfaufbau Prüfaufbau DIN EN Bezugsmasseplatte min. 1 m 2 Abstand zwischen Prüfling und weiteren metallischen Strukturen min. 1 m Rückleitung Entladekreis des ESD- Generators an Bezugsmasse anschließen Koppelplatten über zwei 470 kohm Widerstände an die Bezugsmasseplatte anschließen Prüfaufbau auf 0,8 m hohem Holztisch 0,5 mm Isolierung zwischen Prüfling und Koppelplatte Horizontale Koppelplatte 1,6 m x 0,8 m Vertikale Koppelplatte 0,5 m x 0,5 m Folie 8

9 Burstprüfung (Schnelle Transienten) - Störphänomen Eine der häufigsten Störquellen ist der Schalter, insbesondere wenn im Schaltkreis induktive Lasten vohanden sind. DIN EN Ursache Wirkung Folie 9

10 Schnelle Burst Kennzeichen Transienten Kennzeichnend für diese Prüfung sind: DIN EN Kurze Anstiegszeiten des Einzelimpulses (5 ns) Wiederholrate der Einzelimpulse 5 khz Niedrige Energie von 4 mj/impuls bei 2 kv an 50 Ohm Last Beeinflussende Wirkung auf elektronische Schaltungen ist groß Zerstörende Wirkung auf elektronische Schaltungen ist gering Folie 10

11 Burst Beeinflussungsbeispiel DIN EN Folie 11

12 Surgeprüfung - Störphänomen DIN EN Störungen gegenüber unipolaren Stoßspannungen werden hervorgerufen durch: Atmosphärische Entladungen Stoßvorgänge, die durch direkte oder indirekte Blitzeinwirkung ausgelöst werden Schaltvorgänge in Energieverteilanlagen Störvorgänge, die durch Kurzschlüsse Netzausfälle, Lastwechsel und Schalthandlungen ausgelöst werden Folie 12

13 Blitzeinschlag Surge durch Blitzeinschlag DIN EN Folie 13

14 Schaltvorgänge Surge durch Schaltvorgänge Elektromagnetische Ausgleichsvorgänge werden in Energieverteilanlagen durch Schalthandlungen und Kurzschlüsse ausgelöst. DIN EN Schalten von kapazitiven Lasten in Hochspannungskreisen Schalten von Lasten in Niederspannungssystemen Schalten von Resonanzkreisen in Niederspannungssystemem Kurzschlüsse und Überschläge in Installationen Ansprechen von Schutzelementen, wie Spannungsableitern und Sicherungen Folie 14

15 Prüfgenerator für Burst und Surge Typische Testpegel Netzanschluss: Burst L-N: 0,5 bis 1 kv Burst L-PE: 1 bis 2 kv Surge L-N: 0,5 bis 1 kv Surge L-PE: 1 bis 2 kv Kapazitive Koppelzange für Burst auf Signalleitungen Folie 15

16 Geleitete HF-Störungen Das Prüfverfahren dient zur Untersuchung der Störfestigkeit gegenüber Hochfrequenz- Sendefunkanlagen im Frequenzbereich 150 khz bis 80 MHz DIN EN Folie 16

17 Prüfverfahren Geleitete HF - Prüfverfahren DIN EN Das Verfahren nutzt die Tatsache, dass leitende Gehäuse, Leitungen und Leitungsschirme als Antenne wirken und die elektromagnetischen Wellen in Hochfrequenzströme/- spannungen umsetzen. Die Strom-/Spannungs-Einspeisung erfolgt deshalb direkt auf Leitungen und Schirme. Folie 17

18 Prüfaufbau Geleitete HF - Prüfaufbau Der Prüfaufbau enthält: DIN EN einen Generator mit ausreichender Leistung (Verstärker) eine Kopplungs-/ Entkopplungseinrichtung zusätzliche Abschluss- und Anpassglieder (50/150 Ohm) Messgeräte zur Kontrolle der eingekoppelten Prüfstörgröße Bezugsmasseplatte 220 V AC 0,1 m EMS-Rack 2 32 MHz -17 dbm Verstärker M3 C L 0,1 m isolierende Unterlage DUT 0,5 m 0,1 m Erdungsschraube typische Testpegel: 1 V, 3 V, 10 V Folie 18

19 Einkoppeleinrichtungen Geleitete HF - Einkoppeleinrichtungen DIN EN Folie 19

20 Gestrahlte HF-Störungen Das Prüfverfahren dient zur Untersuchung der Störfestigkeit gegenüber Hochfrequenz- Sendefunkanlagen im Frequenzbereich 80 MHz bis 2,7 GHz DIN EN Folie 20

21 Prüfumgebung Gestrahlte HF - Prüfumgebung Die Erzeugung von Prüfstörsignalen zum Zweck der EMV- Prüfung außerhalb von geschirmten Räumen ist praktisch verboten. DIN EN Die notwendige Feldhomogenität ist nur in einem Raum gegeben, wo die Wände mit geeignetem Absorbermaterial belegt sind. Folie 21

22 Prüfaufbau Gestrahlte HF - Prüfaufbau Der Prüfaufbau enthält: DIN EN einen Generator mit ausreichender Leistung (Verstärker) eine Sendeantenne Messgeräte und Sonden zur Kalibrierung der eingestrahlten Prüfstörgröße DUT IEEE 430 MHz -12 dbm Verstärker typische Testpegel: 1 V/m, 3 V/m, 10 V/m Folie 22

23 Störfestigkeit gegen Magnetfelder energietechnischer Frequenzen für Medizingeräte für Geräte, die gegen Magnetfelder empfindliche Teile beinhalten 50/60 Hz typische Prüfpegel bis 100 A/m (Dauerfeld) DIN EN Loop-Antenne DUT Prüfling Funktionsgenerator Audioverstärker Folie 23

24 Spannungsunterbrüche DIN EN Spannungsunterbrüche in den Stromversorgungsnetzen werden durch verschiedene Störquellen hervorgerufen wie Blitzeinschlag oder defekte Geräte. Eine Studie von UNIPEDE aus dem Jahre 1991 gibt Hinweise zu der Unterbrechungsdauer und deren Häufigkeit. Spannungseinbruch 10 bis 100 ms 100 bis 500 ms 500 ms bis 1 s 1 s bis 3 s 10 bis <30% bis <60% bis <100% % Folie 24

25 Spannungsschwankungen Die Spannungsschwankungen werden vorwiegend durch sich ändernde Lasten hervorgerufen wie: DIN EN Zu- und Abschalten von großen Lasten (Straßenbeleuchtung, Kochplatten usw.) Folie 25

26 Prüfgenerator Spannungseinbruch und -schwankungen Folie 26

27 Störaussendung Messverfahren zur Störaussendung (Emission) dienen dazu, das Störvermögen einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung (Gerät, Anlage oder System) unter standardisierten Bedingungen zu ermitteln und die Messwerte mit den zulässigen Höchstwerten, den sogenannten Grenzwerten, zu vergleichen DIN EN 550XX [dbuv/m] :29: Frequency [MHz] Folie 27

28 Störspannungsmessung Störspannungsmessung (geleitet, 150 khz 30 MHz) DIN EN 550XX Störspannungen und -ströme sind leitungsgebundene Störungen, die über Netzleitungen, Datenleitungen usw. emittiert werden. EMI-Rack Bei Versorgungsleitungen ist es üblich die unsymmetrischen Störspannungen zu messen. Zur Messung der unsymmetrischen Störspannungen dienen sogenannte V-Netznachbildungen (V-förmig zum Bezugsleiter PE). 0,4 m DUT EMI Receiver RF Filter Section 0,8 m LISN NSLK 8126 Erdungsschraube Folie 28

29 Störspannungsmessung - Netznachbildung Um den Einfluss unterschiedlicher Netzimpedanzen zu eliminieren, schaltet man zwischen Netz und Prüfobjekt genormte Netznachbildungen. Ihre Aufgabe ist: DIN EN 550XX die Ankopplung des Messempfängers an das Messobjekt bei gleichzeitiger Unterdrückung der Netzfrequenz, der vom Messobjekt ausgehenden leitungsgebundenen Störenergie eine definierte Last anzubieten und aus dem speisenden Netz kommende Störungen, die natürlich die Messungen verfälschen würden, zu dämpfen. Quelle: Schwab Folie 29

30 Störfeldstärkemessung Störfeldstärkemessung (gestrahlt, 30 MHz 6 GHz) DIN EN 550XX Störfeldstärken sind gestrahlte Störungen, die über den Prüfling einschließlich seiner Zuleitungen emittiert werden. Geraten die Abmessungen der Störquellen in die Größenordnung der Wellenlänge, wird die elektromagnetische Energie zunehmend in Form elektromagnetischer Wellen abgestrahlt. DUT EMI Receiver IEEE RF Filter Section Folie 30

31 Störfeldstärkemessung - Vorgehen DIN EN 550XX Wie allgemein bei Funkstörmessungen muss auch bei der Störfeldstärkemessung das maximale Störvermögen erfasst werden. Hierzu muss: der Prüfling gedreht werden (360 ), um die Richtung der höchsten Störstrahlung zu finden, die Empfangsantenne in ihrer Höhe variiert werden (1m bis 4 m), die angeschlossenen Kabel so ausgelegt sein, dass die Störstrahlung ihren Maximalwert erreicht. Folie 31

32 Störleistungsmessung (30 MHz 300 MHz) DIN EN Bei Werkzeugen, Haushalts- und Küchenmaschinen wird anstelle der Störfeldstärke die Störleistung auf den Versorgungsleitungen mit einer "Messwandlerzange" gemessen. Die Messung erfolgt durch Verschieben der Zange längs der zu vermessenden Leitung und durch Änderung der Messfrequenz. Dabei ist das absolute Maximum zu bestimmen 230 V/50 Hz Gleitbahn PC IEEE o o Meßwandler- Zange EMI Receiver RF Filter Section DUT Folie 32

33 Absorptions-Messwandlerzange Folie 33

34 Oberschwingungen - Störphänomen DIN EN Die Ursache für die Erzeugung von Oberschwingungen ist die nichtlineare Stromaufnahme von Verbrauchern. Typische Beispiele sind: Netzteil mit Gleichrichter und kapazitiver Glättung Phasenanschnittsteuerung in Helligkeits- und Temperaturreglern die Halbwellensteuerung (Einweggleichrichtung) bei der Leistungshalbierung bei thermischen Geräten Magnetisierungsstrom (magnetische Sättigung) bei Kleinmotoren und Transformatoren Folie 34

35 Oberschwingungen - Messung Eine normgerechte Prüfung beinhaltet folgende Messungen: Verbraucherstrom bis zur 40. Oberschwingung Quellenspannung bis zur 40. Oberschwingung Strom und Spannungsgrundschwingung Oberschwingungsphasenwinkel Leistung DIN EN Harmonics Current Harmonic No Folie 35

36 Spannungsschwankungen - Störphänomen DIN EN Spannungsschwankungen bzw. Flickererscheinungen werden durch am Netz angeschlossene und sich wechselhaft verhaltende Lasten verursacht. Auswirkung auf alle parallel am Netz angeschlossene Verbraucher Problematisch bei Geräten mit direkter Umsetzung der Versorgungsspannung in Leistung Kritisch bei Beleuchtungseinrichtungen (abgegebene Lichtleistung ist proportional zur anliegende Spannung im Quadrat) Bewertung des "Seheindrucks" Folie 36

37 Spannungsschwankungen - Messung Eine normgerechte Prüfung beinhaltet folgende Messungen: relative konstante Spannungsabweichung d c größte relative Spannungsänderung d max Wert während einer Spannungsänderung d t Kurzeitflicker P st DIN EN Langzeitflicker P lt Flicker Perceptibility 10K 1K Pst Histogram P 0.1 P 1s P 3s P 10s P 50s Pst Pst Folie 37