EMV Praxisseminar. EN Burst Prüfung geplante Revision Störfestigkeitsprüfverfahren für breitbandige Störgrößen

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1 EN Burst Prüfung geplante Revision Störfestigkeitsprüfverfahren für breitbandige Störgrößen 1

2 Autorinformationen Herr Dipl. Ing. Harald Kunkel - Entwicklungsleiter der Firma EM TEST - war selbst Mitglied in der TC 65/WG 4, das aufgelöst worden ist, und ist heute Mitglied im TC 77 B/WG 11, das die Verantwortung für die Pflege der aktuellen IEC trägt. Herr Dipl. Ing. Harald Kunkel, ist weiterhin Mitglied im TC 77B/WG11 für die IEC (Surge Immunity) TC77B/WG9 für die IEC (ESD) TC 77B/WG10 für die IEC (Conducted Immunity) TC77A/WG6 für die IEC (Voltage dips and Interruptions) Diese Normen sind zur Zeit ebenfalls in der Bearbeitung und genauso weit fortgeschritten wie das Burstpapier. Mehr Informationen über den Stand dieser Arbeiten erfolgen zu einem späteren Zeitpunkt. 2

3 Paragraph 5 Prüfschärfegrad Eine neue Repetitionsfrequenz der Burst-Impulse wird eingeführt! 5 khz ist die ursprüngliche Wiederholrate, wobei die 100 khz der Realität besser entspricht. Es obliegt den Produktkomitees zu bestimmen, welche Wiederholrate wichtig und relevant für bestimmte Produkte oder Produktgruppen sind. 3

4 Wiederholrate In der aktuell gültigen IEC ist die Wiederholrate der Burst-Impulse mit 5 khz und 2.5 khz (bei 4 kv Prüfspannung) definiert. Diese Werte sind historisch begründet. Die ersten Burst- Generatoren verwendeten Funkenstrecken als Hochspannungsschalter zur Erzeugung der schnellen Transienten. Diese Schaltelemente schränkten die Möglichkeiten mit höheren Frequenzen zu testen ein, wie das eigentlich die reelle Störgröße erfordern würde. Moderne Burst-Simulatoren arbeiten generell mit präzisen Halbleiterschalter. Nur diese neue Generation von Burst-Generatoren erlaubt es, die Burst-Impulse reproduzierbar und in den geforderten Toleranzen zu erzeugen. Die Spezifikationen sind nicht neu und wurden wie gesagt bereits 2001 mit dem Amendment 1 bereits eingeführt. 4

5 Vorgehensweise der Komitees Aus diesem Grund ist die Arbeitsgruppe zur Überzeugung gekommen, die anstehende Revision dazu zu nutzen, das Störphänomen durch Erhöhen der Puls-Wiederholrate besser zu simulieren. Die 100 khz sind lediglich ein Richtwert, den Produktkomitees durchaus an für ihre Produktgruppen oder Produkte relevantere Größe anpassen können. Im Annex A1 sind repräsentative Werte aus der reellen Installation als Hilfestellung aufgeführt. Eine Wiederholrate bis hin zu 1 MHz erscheint technisch sinnvoll, da die meisten verfügbaren Generatoren am Markt diese Funktion abdecken. Grundsätzlich wurde auch darüber diskutiert die Unterscheidung zwischen Netzleitungen und allen anderen Leitungen aufzuheben und alle Leitun-gen mit den gleichen Spannungen zu prüfen. Diese Idee wurde jedoch von einer großen Mehrheit der Mitglieder abgelehnt und ist somit endgültig aus der Diskussion. 5

6 Paragraph 6 Prüfeinrichtung Prüfgenerator 6

7 Hochspannungsschalter EFT/Burst-Generatoren müssen gesteuerte Hochspannungsschalter verwenden. Eine Funkenstrecke ist ausdrücklich keine geeignete Komponente, um reproduzierbar die geforderten Störgrößen zu erzeugen. Das bedeutet, dass alte Burst-Generatoren, die noch mit Funkenstrecken arbeiten der neuen, überarbeiteten Norm nicht mehr entsprechen. Aktuelle Burst-Generatoren arbeiten in aller Regel bereits mit Halbleiterschaltern, die auf der einen Seite die Reproduzierbarkeit garantieren und auf der anderen Seite die Möglichkeit mit höheren Pulsfrequenzen zu arbeiten bereits beinhalten. 7

8 Eigenschaften des Generators Ausgangsspannungsbereich beim Abschluss mit einer Last von 1000 Ω: mindestens 0,25 kv bis 4 kv Ausgangsspannungsbereich beim Abschluss mit einer Last von 50 Ω : mindestens 0,125 kv bis 2 kv Der Generator muss unter Kurzschlussbedingungen betrieben werden können. Eigenschaften: Polarität: positiv/negativ Ausgangsstecker: koaxial, 50 Ω Kondensator zur Gleichspannungstrennung: 10 nf ± 20 % Impulswiederholfrequenz: 5 khz oder 100 khz ± 20 % Verhältnis zur Netzfrequenz: asynchron Burstdauer (siehe und Bild 2): 15 ms ± 20 % bei 5 khz 0,75 ms ± 20 % bei 100 khz Burstperiode (siehe und Bild 2): 300 ms ± 20 % 8

9 Impulsform bei einem Abschluss des Ausgangs mit 50 Ω Last Anstiegszeit tr = 5 ns ± 30 % Impulsdauer (50 %-Wert) td = 50 ns ± 30 % Spitzenwert der Spannung; Tabelle 2 ± 10 % bei einem Abschluss des Ausgangs mit 1000 Ω Last Anstiegszeit tr = 5 ns ± 30 % Impulsdauer (50 %-Wert) td = 50 ns mit einer Grenzabweichung von - 15 ns bis ns Spitzenwert der Spannung; Tabelle 2 ± 20 % Prüflastimpedanz: 50 Ω ± 2 % 1000 Ω ± 2 % // 6 pf. Die Widerstandsmessung wird bei Gleichstrom und die Kapazitätsmessung wird unter Verwendung eines auf dem Markt erhältlichen Kapazitätsmessgerätes durchgeführt, dass bei niedrigen Frequenzen betrieben wird. 9

10 Burstdauer / -energie Die Änderung hin zu höheren Puls-Wiederholraten soll als Ergebnis keine Erhöhung der injizierten Störenergie haben. Dementsprechend wird bei Erhöhung der Frequenz von 5 khz auf 100 khz (Faktor 20) die Burstdauer um den gleichen Faktor, von 15 ms auf 0.75 ms (bei 100 khz) reduziert. Diese Maßnahme hält die Störenergie konstant, so dass der einzige Einfluss auf das Prüfresultat wirklich nur von der Erhöhung der Wiederholrate der Burst-Impulse stammen kann. 10

11 Nachweis der Burst-Generator-Eigenschaften Um eine gemeinsame Bezugsgrundlage für alle Prüfgeneratoren zu herzustellen, müssen die Eigenschaften des Prüfgenerators nachgewiesen werden. Zu diesem Zweck muss das nachfolgende Verfahren angewendet werden. Der Ausgang des Prüfgenerators ist mit einem koaxialen 50 Ω- bzw Ω-Abschluss zu verbinden und die Spannung mit einem Oszillographen zu beobachten. Die 3 db-bandbreite der Messeinrichtung und Prüflastimpedanz müssen mindestens 400 MHz betragen. Die Prüflastimpedanz bei 1000 W ist ein komplexes Netzwerk. Die Anstiegszeit, die Impulsdauer und die Wiederholrate der Impulse innerhalb eines Burst müssen beobachtet werden. Die nachfolgenden Eigenschaften des EFT/B-Generators müssen mit einem 50 Ω- und 1000 Ω-Abschluss des Generatorausgangs überprüft sein. Für jede eingestellte Prüfspannung gemäss Tabelle 2 muss die Ausgangsspannung an einer koaxialen 50 Ω-Last gemessen werden: Up (50 Ω). Die gemessene Spannung muss 0.5 x Up (Leerlauf) ± 10 % betragen. Mit der identischen Generatoreinstellung (Prüfspannungsvorwahl) muss die Ausgangsspannung an einer koaxialen 1000 Ω-Last überprüft werden: Up (1000 Ω). Die gemessene Spannung muss ± 20 % der Up (1000 Ω) aus Tabelle 2 entsprechen. 11

12 Tabelle 2 Wiederholrate der Impulse und Spitzenwerte der Ausgangsspannung 12

13 Normative Anmerkungen zur Tabelle 2 ANMERKUNG 1 ANMERKUNG 2 Die Verwendung eines Lastwiderstandes von 1000 Ω führt automatisch zu einer Spannungsanzeige, die um 5 % kleiner als die in der Spalte Up (1000 Ω) angegebene Einstellspannung ist. Die Anzeige Up bei 1000 Ω ist gleich Up (Leerlauf) multipliziert mit 1000/1050 (Verhältnis der Prüflast zur Gesamtimpedanz des Stromkreises von 1000 Ω + 50 Ω). Die in festgelegte Grenzabweichung der Spannung bezieht sich auf die in der Spalte Up (1000 Ω) von Tabelle 2 angegebenen Nennwerte. Bei 50 Ω-Last beträgt die gemessene Ausgangsspannung das 0,5-fache des Wertes der Spannung bei unbelastetem Ausgang, wie in der Tabelle berücksichtigt. 13

14 Koppel-/Entkoppelnetzwerk Die Kurvenform des EFT/Burst-Generators muss am Ausgang des Koppel/Entkoppelnetzwerkes gemäss Paragraph nachgewiesen werden. Eigenschaften des Koppel-/Entkoppelnetzwerk Koppelkondensatoren: 33 nf; Kopplungsmodus: alle Leitungen gegen Referenzmasse 14

15 Anmerkungen zum Koppel-/Entkoppelnetzwerk Die Änderung in der oben aufgeführten Liste Kopplungsmodus: alle Leitungen gegen Referenzmasse hat die Prüfung in eine reine Common Mode Prüfung verwandelt. Das bedeutet, dass die Prüfung einzelner Leitungen, Leitung für Leitung, nicht mehr gefordert ist, sondern dass nur noch alle Leitungen gleichzeitig mit den Burst-Impulsen beaufschlagt werden. Eine nicht zu vernachlässigende Anzahl von Experten erachtet weiterhin eine Prüfung einzelner Leitungen als sinnvoll. Da die reine Common Mode Prüfung nicht alle in der Realität vorkommenden Phänomene nachbilden kann. Moderne Koppel/Entkoppelnetzwerke unterstützen beide Koppelverfahren, so dass es der Verantwortung des Anwenders obliegt, ob eine Prüfung einzelner Leitungen für sein Produkt Sinn macht. Um den rechtlichen Belangen Genüge zu tun, reicht die Common Mode Prüfung aus. Im Bereich der Qualitätssicherung macht es jedoch durchaus Sinn, z.b. während der Entwicklungsphase, auch die Prüfung einzelner Leitungen durchzuführen. Dadurch kann nützliche Prüferfahrung und Kenntnisse über das Verhalten des Prüfobjektes gewonnen werden. 15

16 Nachweis der Koppel/Entkoppelnetzwerkes Eigenschaften Die Kurvenform des EFT/Burst-Generators muss ebenfalls am Common Mode Ausgang des Koppelnetzwerkes an einer koaxialen 50 Ω Last nachgewiesen werden. Für diesen Nachweis wird am EFT/Burst-Generator eine Spannung von 4 kv eingestellt. Der Generator wird über das Koppelnetzwerk mit dem koaxialen 50 Ω Widerstand belastet und die Kurvenform wird gemessen. Anmerkung: Die Anstiegszeit tr der Burst-Impulse muss 5 ns ± 30 % betragen. Die Pulsdauer td (50 % Wert) muss 50 ns ± 30 % betragen. Dies stellt eine relativ große technische Änderung der Norm dar. In der Vergangenheit war es nicht gefordert die Burst-Impulse am Ausgang des Koppelnetzwerks zu messen und die entsprechende Pulsform-Spezifikation einzuhalten. Diese Änderung soll hauptsächlich der Erhöhung der Reproduzierbarkeit der verwendeten Generatoren und Koppelnetzwerke dienen. Gemäss der überarbeiteten Version der Norm muss in Zukunft somit wie folgt kalibriert und verifiziert werden: 1. Der Generator wird am koaxialen Ausgang an 50 Ω- und 1000 Ω-Last gemessen. 2. Das Koppelnetzwerk wird am Common Mode Ausgang (alle Leitungen gleichzeitig gekoppelt) mit dem koaxialen 50 Ω-Widerstand belastet und die Kurvenform des Generators gemessen.. 16

17 Prüfaufbau für Typ-Prüfungen im Labor Prüfbedingungen Tischgeräte müssen 0,1 m ± 0,01 m über der Massereferenzplatte angeordnet werden, siehe Bild 7a. Der Prüfgenerator und das Koppelnetzwerk sollen direkt auf die Masseplatte gestellt werden und so kurz wie möglich mit dieser verbunden werden. 17

18 Änderungen für Tischgeräte In der bisherigen Norm sind Tischgeräte auf einen isolierten Prüftisch, 0.8 m über der Massereferenzplatte, angeordnet worden. Diese Anordnung entspricht nicht der Realität und ist nicht ausreichend, um eine reproduzierbare Burstprüfung durchführen zu können. Da die Burstprüfung wie auch die Prüfung gemäss IEC im höheren Frequenzbereich arbeitet, muss der Prüfaufbau auch diesen Anforderungen genügen, d.h. die hochfrequenten Störimpulse benötigen einen guten niederimpedanten Rückpfad zum Störgenerator. Der Prüfaufbau in IEC wird demnach dem der IEC angepasst. Somit befindet sich der Störgenerator, das Koppelnetzwerk und das Prüfobjekt auf der Massereferenzplatte, das Prüfequipment direkt damit verbunden und das Prüfobjekt 10 cm isoliert. Dazu wurde das Bild 7a eingeführt und das bestehende Bild 7 muss angepasst werden. 18

19 Racksysteme Neu wird ebenfalls ein Prüfaufbau für Racksysteme eingeführt, speziell für Einrichtungen, bei denen die zu prüfenden Leitungen auf der Oberseite das System verlassen. 19

20 Rückfragen? Wir sind für Sie da! EM TEST GmbH Lünener Str Kamen Telefon: / Telefax: / info@emtest.de Vertrieb Frank Niechcial Klaus Krämer Rüdiger Späth Service Michael Kreisel Ralf Eickhoff Manuel Mihlan EMV Labor Andreas Lobeck f.niechcial@emtest.de k.kraemer@emtest.de r.spaeth@emtest.de m.kreisel@emtest.de r.eickhoff@emtest.de m.mihlan@emtest.de a.lobeck@emtest.de