Schnellere Marktreife von Produkten durch EMV-Qualifizierung in der Entwicklungsphase

Transkript

1 Schnellere Marktreife von Produkten durch EMV-Qualifizierung in der Entwicklungsphase Von Alexander Bartsch Im Werk Teisnach von Rohde & Schwarz geschieht die Projektentwicklung zur EMV-Qualifizierung von HF-Komponenten und deren Überführung in die Serienreife. Die meisten dieser Komponenten sind für die im eigenen Haus gefertigten Mess- und Kommunikationssysteme sowie für die Fertigungsdienstleistung am Standort Teisnach vorgesehen. Natürliche elektromagnetische Felder existieren als Wärme, Licht und ionisierende Strahlung, also bei sehr hohen Frequenzen. So besteht zwischen dem Erdboden und der elektrisch gut leitfähigen Ionosphäre eine Potenzialdifferenz von bis zu 300 kv. Dieses statische elektrische Feld hat je nach Jahreszeit und Wetter eine Feldstärke von V/m. Bei Gewittern können weit höhere Feldstärken von V/m auftreten, bei unmittelbarer Blitzeinwirkung bis zu V/m. Eine weitere natürliche Quelle ist das statische Erdmagnetfeld. Es hat je nach geologischem Untergrund und Breitengrad eine magnetische Flussdichte zwischen 30 und 60 μt. Anspruchsvolle EMV-Messtechnik Industriell erzeugte elektromagnetische Felder, etwa durch Rundfunksender, Mikrowellenherde (MWO, Micro Wave Oven) und die Mobiltelefonie entstammen technischen Anwendungen, die andere, oft lebenswichtige Systeme stören können. Zur Einhaltung der geltenden Vorschriften und Richtlinien existiert eine spezielle EMV-Messtechnik, die in der Regel stark von Allzweck-Messgeräten abweicht. Ein umfassendes, technisches Wissen im Hinblick auf Hochfrequenzausbreitungen und die Störstrahlungseigenschaften von Komponenten und Schaltungen sowie ein komplett ausgerüsteter Messpark sind unerlässlich für ein EMV-gerechtes Schaltungsdesign. Das Thema EMV-Prüfung und Störfestigkeit gewinnt zunehmend an Bedeutung, da elektronische Schaltungen in miniaturisierter Technik immer empfindlicher und damit auch immer störanfälliger werden. Besonders gilt dies für die speziellen Anforderungen der Consumer-Elektronik, aber auch in der Medizintechnik und im Bereich der industriellen und kommerziellen Kommunikation. Am Beginn einer HF-Qualifizierung steht in der Regel das Konzept und Pflichtenheft des Anwenders über die Funktionsweise und die HF-Eigenschaften des zu entwerfenden Systems. Dies steht im Zusammenhang mit den Zielmärkten, die bedient werden sollen, und mit den EMV-Zulassungen, die in diesen Märkten erforderlich sind. Probleme treten auf, wenn die EMV-Qualifizierung kein durchgängiger Bestandteil des ursprünglichen Entwicklungsprozesses ist oder war. Der nachträgliche Einbau von Filtern als schnelle Abhilfe ist keine tragende Lösung, sondern eher eine kostspielige Notmaßnahme. Sie bedeutet zusätzlichen Aufwand, der bei der Beseitigung oder Minimierung der eigentlichen Störquelle überflüssig wäre. Daraus entstehen kostenträchtige Umentwicklungen. Mit solchen Fällen sind meist kleinere Firmen konfrontiert, die bei Entwicklungsproblemen außerhalb ihrer Kernkompetenzen und Standardprozesse über keine speziellen Erfahrungen verfügen. Oder es müssen mehrfache Modifizierungen bestehender Entwicklungen bewältigt werden, die in kurzer Zeit vorzunehmen sind. In diesen Fällen gestaltet sich die HF-Qualifizierung nicht so geradlinig wie in der ersten Entwicklungsphase. Fazit: Die Produktentwicklung unterliegt in den meisten Fällen einem enormen Zeit- und Kostendruck. Design-Fehler oder Mangel an EMV-Expertise verzögern die Markteinführung und erhöhen die Entwicklungskosten. Je früher die elektromagnetische Verträglichkeit einer Schaltung durchdacht und überprüft wird, umso erfolgreicher lässt sie sich kurzfristig am Markt platzieren. Systematische Vorgehensweise Bei Problemfällen in Bezug auf EMV beginnt die Arbeit in der Regel mit einer Voruntersuchung, meist unter Einsatz einfachster Messmittel, also mit Low- Budget-Geräten, für erste Vergleichsmessungen. Dazu bestens geeignet ist ein Spektrum-Analyzer 334 PLUS 2/2014

2 im Bereich von 100 khz bis 1GHz/3GHz mit Messantenne oder mit Nahfeldsonde. Damit stellt man schnell fest, in welchen Bereichen die vorliegenden Störungen auftreten. Besonders wichtig ist dieses Vorgehen, wenn die Qualität der vorhandenen Schaltungsunterlagen dürftig ist, etwa bei Importprodukten, oder wenn keinerlei Unterlagen verfügbar sind. Diese Anfangsuntersuchung führt in den meisten Fällen zur Identifizierung der lokalen Störquellen und zu einer Abschätzung der erforderlichen Abhilfemaßnahmen, etwa im Hinblick auf eine geeignete Schirmung. Natürlich gelingt dies nur mit gründlicher Praxiserfahrung, auch um erste Modifikationen probehalber auf ihre Wirksamkeit zu untersuchen. Bei Eigenentwicklungen ist die Situation günstiger. Der Ort von kritischen Taktgeneratoren oder Oszillatoren ist dann auf einer Leiterplatte meist bekannt und damit der aktuelle Status mit Blick auf die Zielvorstellungen und Erwartungen an die Schaltung. Generell gilt: Je besser man die zu optimierende Schaltung kennt, desto besser sind die Aussichten auf eine gründliche Entstörung. Die systematische Entwicklung oder Umentwicklung führt nach der Ermittlung der Störpegel in den kritischen Bereichen meist zu einer geänderten Schaltungsauslegung. Zumindest müssen Platzhalter vorgesehen werden, die man bei einer späteren Weiterentwicklung unter EMV-Gesichtspunkten nutzen kann. Die erste Frage bei diesem systematischen Vorgehen im Hinblick auf das vom Anwender oder nach der Rechtslage geforderte Ergebnis ist: Welche Normen der Störsicherheit muss die Entwicklung einhalten? Als erste Auswahl seien genannt: CE, FCC, VCCI, MIL-STD, VG. Hier kommen die unabhängigen EMV-Prüflabors ins Spiel wie CSA Group Bayern GmbH oder TÜV SÜD Product Service GmbH mit denen Rohde & Schwarz zusammenarbeitet, um die Abb. 1: Messung der Störstrahlung mit Messsender (ESU40). Der Messempfänger detektiert und bewertet die ausgekoppelte Störspannung eines Prüflings auf einer Netznachbildung oder die über eine Messantenne empfangene Störaussendung. Um die Störspannung auf Versorgungsleitungen normgerecht auszukoppeln, wird eine passende Netznachbildung (ENV 216) von R&S oder eines anderen Herstellers verwendet. Die Schirmkammer ermöglicht die von der Außenwelt entkoppelte Messung der Störaussendungen Messungen im eigenen Haus extern zu verifizieren. Dies ist der Fall, wenn es um die Zertifizierung geht. Rohde & Schwarz macht im Werk Teisnach grundsätzlich nur so genannte Pre-Compliance-Tests. Wege und Ziele der erfolgreichen EMV-Prüfung: Entwicklungsbegleitende HF-Qualifizierung Behebung möglicher Störquellen zu Beginn EMV-Messungen als Meilensteine der Entwicklung Bestehen des Precompliance-Tests im ersten Ansatz Keine nachträglichen Modifikationen Fertigungsprozess lässt sich optimieren Qualitative Verbesserung des Produkts Welche Tests sind erforderlich? Abbildung 1 zeigt den Messaufbau eines EMV- Tests mit dem Messempfänger ESU40 von Rohde & Schwarz, der als,flaggschiff der EMV-Messung einem sehr hohen Messkomfort verspricht. Es bestehen jedoch auch zahlreiche einfachere Lösungen und Varianten. Gemessen werden einerseits die leitungsgebundenen Störaussendungen des Prüflings im Frequenzbereich PLUS 2/

3 10 khz (150 khz) bis 30 MHz. Weiterhin gemessen wird die Auskopplung von HF-Störspannungen an Netzkabeln, Datenleitungen, etc. Dies geschieht über eine geeignete Netznachbildung für die in den jeweiligen Anwendungsgebieten gültigen Normen (Telekom, Kfz, DIN EN, etc.). Netznachbildungen sind als Messzubehör in passenden Varianten entsprechend der vorliegenden Produktkategorie und deren Standards als zwei- oder dreiphasiges Versorgungsnetz, Zweidraht-Datenleitung und andere Konfigurationen von diversen Anbietern wie Rohde & Schwarz, Hameg, Schwarzbeck, etc., zu beziehen. Abgestrahlte Störaussendungen von 30 MHz bis 1GHz (3 GHz / 6 GHz) werden nach der geltenden Norm DIN EN 550XX in einer entsprechenden großen Absorberkammer oder im Freifeldmessplatz gemessen. Als Empfangsantenne dient beispielsweise die logarithmisch-periodische Breitbandantenne (HL562 von Rohde & Schwarz) nach Abbildung 2. Gemessen wird, mit Messabständen zwischen 3 und 10 m, je nach anzuwendender Norm. Normgerechte Schirmkammern sind in der R&S-Hauptniederlassung in München und bei unabhängigen Testlabors wie CSA Group Bayern oder TÜV SÜD Product Service verfügbar. Das Werk Teisnach verfügt über eine kleinere EMV-Messkammer. Diese Schirmkammern sind deshalb sehr aufwendig, weil keinerlei Störaussendungen während des Prüfvorgangs nach außen dringen dürfen. Die Ermittlung unzulässiger Ausstrahlungen unterliegt der Bundesnetzagentur. Sie kann im Übertretungsfall Sanktionen verhängen. Besonders gilt dies für den Betrieb der Messkammern in der Umgebung von Flughäfen und Radarstationen. Abb. 2: Eine breitbandige (30 MHz bis 3 GHz) logarithmisch-periodische Messantenne (HL562) wird zur Messung der Störaussendung eines Prüflings eingesetzt Elektrostatische Störungen Die Messung von elektrostatischen Störeinwirkungen (ESD) ist durch DIN EN geregelt. Sie gilt für Haushaltgeräte wie PCs, Waschmaschinen, etc. und umfasst die Simulation elektrostatischer Entladungen, wie sie beim Betrieb der zu testenden Geräte durch den Potentialausgleich infolge Berührungen aufgeladener Personen oder von Komponenten mit geerdeter Umgebung entstehen können. Die Entladung statischer Elektrizität von Mensch zu Gerät erfolgt mit einer Anstiegszeit von etwa 350 ps. Die Entladung statischer Elektrizität von Gegenständen selbst erfolgt mit einer Anstiegszeit des Stromimpulses von 5 bis 10 ns. Typische Testpegel für Kontaktentladungen reichen bis 4 kv, bei Luftentladungen bis 8 kv (pos./neg.). Als Mess-Störsender mit definierter Energieabgabe entsprechend den geltenden Normen sind zahlreiche Ausführungen diverser Firmen erhältlich. Für elektrostatische Messungen setzen wir die ESD-Pistole von Schlöder ein. Sie ermöglicht je nach Prüfschärfegrad die geforderten Entladungsverläufe, z. B. 20 Impulse mit 10 kv, positiv oder negativ. Transientenstörungen Für die Simulation und Messung von Transientenstörungen (Bursts) gilt die Norm DIN EN Transienten oder Bursts entstehen meist beim Betrieb des zu prüfenden Geräts, wenn in dessen Umgebung Schalter mit induktiven Lasten betätigt werden. Burst-Generatoren stehen von mehreren Herstellern, unter anderem auch von Schlöder, zur Verfügung. Die störenden Einflüsse von Transienten haben sich in den letzten Jahren verstärkt, insbesondere mit der Einführung von Industriesteuerungen mit Mikrocontrollern, die mit immer geringeren Logikpegeln von weniger als 1 V operieren. Ein weiterer Grund ist der Einsatz von billigeren Komponenten, die weniger spannungsfest sind. Diese Effekte sind schaltungstechnisch mit entsprechendem Aufwand und Erfahrung in der EMV-Schaltungstechnik gut zu beherrschen, etwa durch geeignete Platzierung von Varistoren oder Überspannungs-Schutzdioden. Untersucht werden in diesem Zusammenhang störende Schaltvorgänge seitens der Versorgungsnetze durch Anlegen von Einzelimpulsen mit kurzen Anstiegszeiten von 5 ns und mit einer Wiederholrate von 5 khz. Dabei werden niedrige Energien von 336 PLUS 2/2014

4 4 mj pro Impuls bei 2 kv an 50 Ohm Last eingesetzt. Dabei gilt: Die störende Wirkung von Bursts auf elektronische Schaltungen ist groß, die zerstörende Wirkung allerdings relativ gering. Stoßspannungen und Fluktuationen Diese Prüfung widmet sich Spannungsfluktuationen und Stoßspannungen (Surge) auf Netzleitungen nach DIN EN Diese Störungen werden hervorgerufen durch atmosphärische Entladungen, sowie direkte oder indirekte Blitzeinwirkungen. Sie werden kategorisiert als LEMP (light electromagnetic pulse) in industriellen Anwendungen, oder NEMP (nuclear electromagnetic pulse) in militärischen Anwendungen. Sie sind nach MIL- und VG-Vorschriften klassifiziert. Eine weitere Ursache dieser Spannungsstöße sind Schaltvorgänge in Energie-Verteileranlagen und ähnliche Vorgänge, die durch Kurzschlüsse, Netzausfälle, Lastwechsel und Schalthandlungen ausgelöst werden. Die Abbildung 3 zeigt einen Messaufbau zur Feldeinkopplung von LEMP-Störungen mit dem Surge-Generator CWG Verwendet werden typische Testpegel von 0,5 bis 1 kv für L-N und von 1 bis 2 kv für L-PE. Eingestrahlte HF-Störungen Der Störfestigkeitstest für eingestrahlte Hochfrequenz nach DIN EN untersucht den Einfluss von Störquellen wie Mobiltelefone oder Rundfunksender. Der Prüfaufbau enthält einen Signalgenerator mit breitbandigem Leistungsverstärker ausreichender Leistung, eine geeignete Sendeantenne, sowie Messgeräte und Sonden zur Kalibrierung auf die eingestrahlten Prüf-Störgrößen. Typische Testpegel sind 1 V/m, 3 V/m, 10 V/m, 150 V/m und 400 V/m im Frequenzbereich 80 MHz bis 2,7 GHz entsprechend der geltenden Norm. Dabei wird der Prüfling von allen Seiten (360 ) bestrahlt. Als wichtige Richtlinie für diese Störfestigkeitsmessungen gilt, wie bereits erwähnt, dass die Erzeugung von Hochfrequenzfeldern zum Zweck der EMV- Prüfung außerhalb von geschirmten Räumen praktisch verboten ist. Das heißt, die Messungen müssen in geeigneten Messkammern vorgenommen werden. Dabei ist zu beachten, dass die notwendige Feldhomogenität nur in einen Raum gegeben ist, dessen Wände mit geeignetem Absorbermaterial belegt sind. In Abbildung 4 wird ein typischer Messaufbau für die Störfestigkeit gegenüber abgestrahlter HF nach DIN EN gezeigt, mit Signalgenerator, HF-Verstärker und Modulator (NF: 1 khz; 80 % AM). In der Abb. 3: Messaufbau mit Surge-Generator (CWG-1500) zur Feldeinkopplung von LEMP-Störungen Abb. 4: Messaufbau für die abgestrahlte HF-Energie nach DIN EN mit Signalgenerator und breitbandigem Verstärker, logarithmisch-periodischer Antenne (HL562), Messempfänger (ESU 40), Netznachbildung und Hand- Feldstärkemessgerät (Nada NBM-520) zur Nachregelung der Feldstärke. Der Messabstand von 3 m oder 10 m ist von der entsprechenden Norm abhängig. Der Prüfling befindet sich auf einen Holzdrehtisch. Seine Strahlungsmaxima werden in jeder Position ermittelt und auf dem Messempfänger dargestellt PLUS 2/

5 Messkammer befindet sich unmittelbar neben dem Prüfling eine Feldsonde zur Messung und Nachregelung der Feldstärke (3 V/m oder 10 V/m) beim Durchlauf der Testfrequenz. Leitungsgebundene HF-Störungen Zur Messung der Störfestigkeit gegenüber leitungsgebundenen HF-Einwirkungen wird eine Einkoppeleinrichtung nach DIN EN eingesetzt. Dieses Verfahren nutzt die Tatsache, dass leitende Gehäuse, Leitungen oder Leiterschirme als Antenne wirken und elektromagnetische Wellen in Hochfrequenzströme und Spannungen umsetzen. Die Stromund Spannungseinspeisung erfolgt deshalb direkt auf die Leitungen mit Hilfe von Koppelzangen anstelle von Antennen. Eine Koppelzange strahlt die definierte Störenergie direkt auf die getestete Leitung. Dieser Test dient der Ermittlung, wie gut die betreffenden Leitungen oder Stecker geschirmt sind. Dies ist bei manchen Import-Produkten immer noch ein nicht zu unterschätzendes Problem, die Situation bessert sich aber zusehends. Das Prüfverfahren dient zur Untersuchung der Störfestigkeit gegenüber HF-Sendern im Frequenzbe- Alexander Bartsch, Projektentwicklung Rohde & Schwarz, Werk Teisnach reich 150 khz bis 80 MHz. Typische Testpegel sind 1 V, 3 V, 10 V, je nach geltender Norm. Spannungsunterbrechungen Die letzte Prüfung in diesem Zusammenhang ist die Störfestigkeit gegenüber kurzzeitigen Spannungsunterbrechungen nach DIN EN Derartige Spannungsunterbrüche in der Größenordnung von 20 ms entstehen in Stromversorgungsnetzen durch Störquellen wie Blitzeinschlag oder Kurzschluss, allgemein durch Schaltvorgänge im Netz. Die typischen, möglichst zu verhindernden Auswirkungen bestehen im unerwünschten Reset von Prozessor- oder Steuersystemen. Sie müssen durch entsprechende Dimensionierung der Netzteile mit Kondensatoren überbrückt werden. Zu diesen Effekten zählen auch Störungen durch Schwankungen der Versorgungsspannung, die ebenfalls nach DIN EN geprüft werden. Die Spannungsschwankungen entstehen vorwiegend durch das Zu- und Abschalten großer Lasten in den Versorgungsnetzen. Auch die Unterdrückung dieser Effekte zählen wir neben der EMV-Charakteristik zur betrieblichen Störfestigkeit von Anlagen und Geräten. -dir/wsch- Analytische Praxis in der Elektronikfertigung Baugruppenfertigung, Leiterplatten, Kunststoffgalvanik Von Dr. Rolf Biedorf. Erste Auflage Seiten mit 189 Abbildungen und 80 Tabellen. ISBN Preis 107, inkl. MwSt. zzgl. Porto und Verpackung. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Qualität von Produkten nimmt stetig zu. Dies macht den Einsatz aller modernen Analysemethoden für die Herstellverfahren und die Qualitätsprüfung der fertigen Produkte unumgänglich. Dieses umfassende Handbuch berücksichtigt alle Methoden der nasschemischen Analytik, der Prüfung von Rohstoffen zur Herstellung sowie die Verfahren zur Bestimmung der notwendigen Qualitätsmerkmale von Elektronikprodukten. Für jede Messmethode ist die erforderliche Ausrüstung und Vorgehensweise für den Einsatz angegeben. Für den Praktiker ein unersetzliches Arbeitsbuch in der Produktion und Qualitätsprüfung eines modernen Elektronikunternehmens. Eugen G. Leuze Verlag KG Karlstraße 4 D Bad Saulgau Tel / Fax 07581/ buchbestellung@leuze-verlag.de PLUS 2/2014