Elektromagnetische Verträglichkeit in der Informations- und Kommunikationstechnik

Transkript

1 Elektromagnetische Verträglichkeit in der Informations- und Kommunikationstechnik Dr. Christian Bornkessel Technische Universität Ilmenau, FG HMT Postfach , Ilmenau Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 1

2 Vorstellung Dr. Bornkessel Seit 03/14: TU Ilmenau, FG HMT 11/95-02/14: IMST GmbH, Leiter Prüfzentrum Fokus: - EMVU (Mensch) - EMV (Geräte) - Virtuelle Straße (VISTA) - C2X-Kommunikation Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 2

3 Organisatorisches Wann: ab , Di Uhr (K 2077) alternativ: Di (H 1510) Leistungspunkte: 5 ECTS Praktikum: EMV-Labor der CE-Lab GmbH, Ilmenau VISTA-Kammer im ThIMo-Hauptgebäude mündliche Prüfung Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 3

4 Was bedeutet elektromagnetisch verträglich? Die EMV-Richtlinie 2004/108/EG definiert EMV als: "Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines Systems, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten," (hinreichende Störfestigkeit) "ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für alle in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen oder Systeme unannehmbar wären." (Begrenzung der Emission) Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 4

5 Übersicht Themenbereich EMV Was versteht man unter EMV? - CE-Zeichen, gesetzliche Bestimmungen - Die zwei Seiten der EMV - Beeinflussungsmodell und Koppelmechanismen Welche Prüfungen muss mein Gerät bestehen? - Prüfverfahren, Grenzwerte, Störgrößen, Normen - Messempfänger, Spektrumanalysator, Detektortypen - EMV-Messeinrichtungen Wie kann ich mein Gerät EMV-gerecht entwickeln? - Designgrundsätze und Entstörmittel Spezielle EMV-Probleme bei Funkgeräten? - Mobilfunk und Medizingeräte / Implantate Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 5

6 Literatur Schwab, Kürner: Elektromagnetische Verträglichkeit. 5. Auflage, Springer, Gustrau, Kellerbauer: Elektromagnetische Verträglichkeit. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, T. Williams: EMC Richtlinien und deren Umsetzung. 1. Auflage, Elektor-Verlag, Habiger: Elektromagnetische Verträglichkeit. Grundzüge ihrer Sicherstellung in der Geräte- und Anlagentechnik. 3. Auflage, Hüthig, Durcansky: EMV-gerechtes Gerätedesign. Grundlagen der Gestaltung störungsarmer Elektronik. 4. Auflage, Franzis, Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 6

7 Motivation Kurzwellensender Radio Free Europe "Tornado"-Absturz: Ortschaft gerettet, Flieger starben Hamburger Abendblatt, dpa Holzkirchen - Ein Bundeswehrdüsenjäger vom Typ "Tornado" ist am Freitag mittag in Unterlaindern bei Holzkirchen in unmittelbarer Nähe der Autobahn München-Salzburg abgestürzt. Die beiden Flieger kamen ums Leben. Den zwei Männern im Alter von 33 und 38 Jahren war es offenbar nicht mehr gelungen, den Schleudersitz rechtzeitig zu betätigen, möglicherweise weil sie versuchten, in letzter Sekunde den Absturz auf eine Ortschaft zu vermeiden Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 7

8 Motivation (2) Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 8

9 Motivation (3) Medien Heusweiler ist Standort des leistungsstärksten Rundfunksenders der ARD und zwar des Mittelwellensenders auf der Frequenz 1422 khz des Saarländischen Rundfunks. Über seine aus zwei gegen Erde isolierten, je 120 Meter hohen selbststrahlenden Sendemasten bestehende Antennenanlage wurde bis 1994 das Programm der Europawelle Saar tagsüber mit Kilowatt und nachts mit 600 Kilowatt Leistung ausgestrahlt. Seit 1994 wird über diesem Sender das Programm des Deutschlandfunks verbreitet. Die Sendeleistung beträgt während der Tag und Nachtstunden 600 Kilowatt. Um eine störende Beeinflussung der Kfz-Elektronik durch den Sender zu verhindern, wurde über der in unmittelbarer Sendernähe verlaufenden Bundesautobahn A8 ein Drahtnetz gespannt. Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 9

10 Teil I Was versteht man unter EMV? Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 10

11 Überblick Teil I 1. Regulatorische Aspekte - CE-Zeichen - Zertifizierungsmöglichkeiten 2. Die zwei Seiten der EMV - Emission und Störfestigkeit / Störquelle und Störsenke 3. Beeinflussungsmodell - Störquellen und Störsenken - Kopplungsmechanismen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 11

12 Das CE-Zeichen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 12

13 Was bedeutet das CE-Zeichen? Das CE-Zeichen ist die Abkürzung für "Communauté Européenne" (Europäische Gemeinschaft) bzw. "Conformité Européenne" (Europäische Konformität) Das CE-Zeichen bedeutet Konformität mit allen EU-Richtlinien, die auf das Produkt zutreffen Dies sind zum Beispiel - Spielzeugrichtlinie - Maschinenrichtlinie - Niederspannungsrichtlinie - Funkanlagen und Telekommunikationsendeinrichtungen (R&TTE) - EMV-Richtlinie -... Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 13

14 Sinn des CE-Zeichens Ohne CE-Zeichen darf ein Produkt in der Europäischen Gemeinschaft nicht in Verkehr gebracht und in Betrieb genommen werden Durch das CE-Zeichen bestätigt der Hersteller, dass sein Produkt den geltenden europäischen Richtlinien entspricht (Produktsicherheit) Sinn des CE-Zeichens ist die Erleichterung des freien Warenverkehrs im europäischen Wirtschaftsraum Das CE-Zeichen ist somit vergleichbar mit einem "Reisepass" für Produkte auf dem europäischen Binnenmarkt Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 14

15 Wer vergibt das CE-Zeichen? Das CE-Zeichen wird nicht vergeben, sondern... eigenverantwortlich vom Hersteller / Importeur am Gerät/Bedienungsanleitung/Verpackung angebracht Der Hersteller/Importeur identifiziert alle für sein Produkt zutreffenden Richtlinien... - für elektrische/elektronische Geräte ist (mindestens) die EMV- RL zutreffend - für Funkgeräte ist die R&TTE-RL zutreffend... und unterzieht sein Produkt einem Konformitätsbewertungsverfahren eine unabhängige Prüfstelle kann (muss aber nicht) eingeschaltet werden Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 15

16 Grundlegende Anforderungen Die Produkte müssen die in der jeweiligen Richtlinie festgelegten "Grundlegenden Anforderungen" erfüllen Dies bedeutet für Funkgeräte - Schutz der Gesundheit und Sicherheit des Benutzers und anderer Personen (Niederspannungs-RL + EMVU) - Schutzanforderungen bezüglich der EMV - Effektive Nutzung des Frequenzspektrums (Funk) Dies bedeutet für Produkte der EMV-RL: - Begrenzung der von ihnen verursachten elektromagnetischen Störungen - hinreichende Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 16

17 Definition der Elektromagnetischen Verträglichkeit Die EMV-Richtlinie 2004/108/EG definiert EMV als: "Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines Systems, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten," (hinreichende Störfestigkeit) "ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für alle in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen oder Systeme unannehmbar wären." (Begrenzung der Emission) Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 17

18 Konformitätsbewertung bei der EMV-RL Der Hersteller hat die EMV seines Gerätes zu bewerten, um festzustellen, ob es die Schutzanforderungen erfüllt. Die sachgerechte Anwendung aller einschlägigen Normen (Amtsblatt EU) ist der Bewertung der EMV gleichwertig. Der Hersteller erstellt "technische Unterlagen". Er kann (muss aber nicht) diese von einer benannten Stelle überprüfen lassen. Der Hersteller stellt eine Konformitätsbescheinigung aus. Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 18

19 Konformitätsbescheinigung Angabe des Gerätes Angabe der Richtlinien Angabe der angewendeten harmonisierten Normen Unterschrift Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 19

20 Marktüberwachung Marktüberwachung für EMV- und R&TTE-Produkte erfolgt durch die Bundesnetzagentur administrativ messtechnisch Quelle: Bundesnetzagentur Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 20

21 Kurze Historie der EMV 1926 Aufnahme des Rundfunkdienstes in Deutschland. Nach vielen Beschwerden über Empfangsstörungen Einführung eines eigenen Rundfunk-Entstördienstes Leitsätze zur Funkentstörung durch den VDE. Störfestigkeit als "zweite Seite" der EMV kam erst ab Mitte der 60er Jahre hinzu "Deutsches EMV-Gesetz" (Umsetzung der EU-Richtlinie in deutsches Recht) Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 21

22 Seitdem Stetige Zunahme an elektronischen Geräten - Erhöhung des (Stör-)Pegels - Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, eine Störung vorzufinden Erhöhung von Arbeitsfrequenzen und Einführung von digitalen Techniken (Flankensteilheit) - Störpegel wird immer hochfrequenter - Störpegel wird immer breitbandiger Erhöhung der Packungsdichte - Störsenken rücken dichter an Störquellen heran - geringere Leistungsaufnahme erhöht Empfindlichkeit gegenüber Störungen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 22

23 Emission von Geräten Signalleitung Netzleitung Störfeldstärke 30 MHz - 6 GHz, Störleistung 30 MHz MHz Störspannung 150 khz - 30 MHz Netzrückwirkungen (Oberschwingungen, Flicker) Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 23

24 Störfestigkeit von Geräten Surge, indirekte Blitzentladung Störfeldstärke 80 MHz 2,7 GHz induzierter HF-Strom 150 khz - 80 MHz Signalleitung ESD Netzleitung Burst, schnelle Transienten Netzunterbruch, Netzeinbruch, Netzvariation Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 24

25 Beeinflussungsmodell Störquelle (Sender) Ursprung von Störgrößen Kopplungsmechanismus (Pfad) Störsenke (Empfänger) elektrische Einrichtung, deren Funktionsfähigkeit durch Störgrößen beeinträchtigt werden kann Vor allem die Ermittlung der Koppelmechanismen und -pfade ist schwierig, da es sich häufig um parasitäre Übertragungswege handelt (Streukapazitäten, Streuinduktivitäten usw.). Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 25

26 Störquellen Schmalbandige Emissionen werden von periodischen bzw. getakteten Quellen erzeugt - Rundfunk - Schaltnetzteile - Prozessoren Quelle: Schwab Breitbandige Störspektren entstehen bei nicht periodischen bzw. einmaligen Störimpulsen - ESD - Blitzentladungen - Schaltvorgänge Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 26

27 Störsenken Störsenken - Rundfunkempfänger - Mobiltelefone - Funkschlüssel - Datenverarbeitungsanlagen - Automatisierungssysteme - Bioorganismen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 27

28 Koppelmechanismen Störquelle (Sender) Galvanische Kopplung (Leitungen) Elektrische Kopplung (E-Feld) Magnetische Kopplung (H-Feld) Strahlungskopplung (EMF) Störsenke (Empfänger) In der Regel liegen mehrere Kopplungspfade gleichzeitig vor Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 28

29 Galvanische Kopplung Störer gestörtes System Quelle: Schwab Galvanische bzw. Leitungskopplung tritt immer dann auf, wenn zwei Stromkreise eine gemeinsame Impedanz Z besitzen. Das kann entweder eine gemeinsam genutzte Leitung (Masse) oder ein Bauelement sein. Häufig verschleppen Spannungsversorgungsleitungen Störgrößen über die gesamte Leiterplatte. Beispiele: Erdschleifen, Störungen über Netzzuleitungen von am selben Netz betriebenen Verbrauchern Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 29

30 Elektrische Kopplung Elektrische oder kapazitive Kopplung tritt zwischen zwei Stromkreisen auf, wenn deren Leiter sich auf verschiedenen Potenzialen befinden. Die Intensität der Kopplung ist abhängig von den Streukapazitäten zwischen den Leitern. Quelle: Schwab Je größer die Streukapazität d.h. je kleiner der Abstand bzw. je länger die parallele Leitungsführung, desto größer ist der Verkopplungsgrad. Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 30

31 Magnetische Kopplung Magnetische oder induktive Kopplung tritt zwischen zwei oder mehreren stromdurchflossenen Leiterschleifen auf. Das durch den Strom im Kreis I erzeugte magnetische Wechselfeld induziert in Kreis II eine sich dem Nutzsignal überlagernde Störspannung. Quelle: Schwab Induktive Verkopplungen existieren vorwiegend bei Frequenzen < 30 MHz und in niederimpedanten Systemen. Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 31

32 Strahlungskopplung Quelle: Schwab Strahlungskopplung liegt dann vor, wenn sich die Störsenke im elektromagnetischen Feld (Fernfeld) der Störquelle befindet. Beim Auftreffen der elektromagnetischen Welle auf eine elektrisch leitfähige Anordnung (Empfänger) entstehen durch Antennenwirkungen HF- Spannungen, die sich im Empfängerstromkreis als Störspannungen auswirken. Als Strahler (bzw. Empfänger) können z.b. Kabel, Gehäuseschlitze oder auch Leiterbahnen wirken. Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 32

33 Inter- und Intrasystem-Beeinflussung Intersystem-Beeinflussung Störquelle (Sender) Störsenke (Empfänger) Störquelle (Sender) System 1 System 2 Intrasystem-Beeinflussung Störsenke (Empfänger) System - Rückkopplung in Verstärkern - selbstinduzierte Spannungen beim Schalten von Relais - Kombinierte Sender/Empfänger Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 33

34 Prinzipielle Entstörprinzipien Unterdrückung der Störspektren durch Filterung der internen und externen Leitungen Reduzierung der Störfeldstärke durch Gehäuse- und Leitungsschirmung Vermeidung von Störeinflüssen durch Leitungsführung und EMV-gerechtes Layout Die EMV-Maßnahmen sollten möglichst immer an der Quelle beginnen Die EMV-Maßnahmen sollten in einem frühen Stadium des Designprozesses erfolgen (Dies wird nach wie vor unterschätzt und führt oftmals zu einem kostenaufwändigen Redesign) Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie 34