Grundlagen zur Messung mit Nahfeldsonden

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1 Grundlagen zur Messung mit Nahfeldsonden Langer EMV-Technik GmbH von Carsten Stange Langer EMV-Technik GmbH Gründung: 1997 Mitarbeiter: 20 Produktspektrum: Seminare Workshops Beratung/Analyse Messungen IC und Steckverbinder entwicklungsbegleitende Mess- und Testgeräte für Board und IC Störaussendung und Störfestigkeit leitungs- und feldgebunden

2 Am Anfang steht das Problem Ursache für viele Fehler sind die unsichtbaren Felder in den Baugruppen Baugruppe besteht die EMV- Tests nicht!!!! - Wo liegt die Ursache? - Wie finde ich den Fehler? - Was ist zu ändern? Nahfeldsonden geben Hilfestellung Nahfeldsonden sind unsere Augen in der Elektronik Nahfelder auf der Baugruppe werden immer durch Ström und Spannungen in der Baugruppe erzeugt Quellen der Störaussendung des Gesamtsystems Nur Was ist Nahfeld überhaupt?? Abstrahlung von elektrischen und magnetischen Feldern bis zu einer Entfernung von <= 1/10 Wellenlänge Die Feldvektoren stehen nicht senkrecht aufeinander --> keine einfachen Umrechnungen möglich Die Feldanteile E/H müssen getrennt gemessen werden können um ihren Einfluss auf die Baugruppe verstehen zu können Messwerte von Nahfeldsondenmessungen müssen daher anders Interpretiert werden. Es muss auch die Rückwirkung der Sonde auf das getestete Gerät berücksichtigt werden.

3 Wirkprinzip elektrisches Feld: Auf der Grafik sehen Sie einen Leiterzug im Querschnitt, der durch einen IC oder durch einen Schaltwandler bedingt HF-Spannung gegen Ground trägt. Die HF-Spannung erzeugt an dem Leiterzug ein elektrisches Feld. Die meisten Feldlinien gehen zum Ground der Flachbaugruppe zurück und führen nicht zur Störaussendung. Wenige Feldlinien verlassen weiträumig die Baugruppe. Diese können Störaussendung verursachen. Wirkprinzip magnetisches Feld: Auf der Grafik sehen Sie einen Leiterzug, in dem ein elektronischer Schalter (IC, Transistor eines Schaltwandlers) Strom treibt. Der Strom fließt über einen Kondensator über Ground zurück zur Quelle. Diese Stromschleife erzeugt das Feld H1 und H2. Das Feld H1 induziert im Groundsystem eine Selbstinduktionsspannung, die zur Störaussendung führen kann. Das Feld H2 kann nur Störaussendung erzeugen, wenn es um einen metallischen Leiter fassen kann (Konstruktionsteil oder Kabel).

4 Nahfeldsonden Übersicht Wieviel Nahfeldsonden sind nötig: Auf dem Markt sind viele unterschiedliche Nahfeldsonden verfügbar Welche sind notwendig um das eigene Problem zu lösen? Langer ist spezialisiert auf EMV- Beratung im Industriesektor Alle Sonden sind während dieser Beratungen durch unterschiedlichste Problemstellungen entstanden und erprobt Weiterentwicklung aus Erfahrungen Unterdrückung von Querempfindlichkeiten Handhabungsverbesserung durch Sondenkopfgestaltung Erhöhte Effizienz der Sonden in unterschiedliche Frequenzbereichen Unterschiedlich Messansätze Größen Abstufung Unterscheidung Störfestigkeit / Störaussendung Nahfeldsonden Übersicht Sondenfamilie Frequenzbereich H-Feldsonden E-Feldsonden LF 100 khz bis 50 MHz 7 - RF 30 MHz bis 3 GHz 9 8 XF 30 MHz bis 6 GHz 5 4 SX 1 GHz bis 10 GHz 1 1 MFA (aktiv) 1 MHz bis 6 GHz 4 - H/E- Feldquellen IEC

5 Nahfeldsonden Anwendung Störaussendung Nahfeldsonden Anwendung Störfestigkeit

6 Nahfeldsonden Korrekturkennlinien Wozu Korrekturfaktoren: Messungen mit Nahfeldsonden werden meist vergleichend durchgeführt. Die Ergebnisse sind daher relativ zu einem Referenzobjekt. Durch die Benutzung der Korrekturfaktoren werden auch absolute Messung von Feldgrößen durchführbar. Quellen der Störaussendung sind in ihrer Wirkung berechenbar Nahfeldsonden Korrekturkennlinien 1. 2.

7 Störaussendung - Messung von E-Feld Großflächig messende Sonden für elektrisches Feld erfassen die Feldlinien, die die Baugruppe weiträumig verlassen und damit Störaussendung anregen können. Die Anwendung dieser Sonden erfolgt im Abstand von ca 2 bis 5 cm bis zu 10 cm. Wendet man diese Nahfeldsonden dichter über dem Messobjekt an, würde man Feldlinien erfassen, die auch zur Baugruppe zurückkehren. Störaussendung - Messung von E-Feld Nun erfolgt die Suche nach z.b. besonders aktiven Leitungen die das elektrische Feld erzeugen Dazu verwendet man kleinere E-Feldsonden, die zur Messung auf die einzelnen Leiterzüge direkt aufgesetzt werden. Mit sehr feinen Sonden (RF-E 10) wird ermittelt, welcher Leiterzug das Störfeld erzeugt, dass in den ersten Messungen mit der RF E02 großflächig gefunden wurde. Neben Leitungen können auch IC-Gehäuse Quellen für Störaussendung sein.

8 Störaussendung - Messung von H-Feld Sonden mit großer Messschleife sind erforderlich, um die relativ schwachen Felder H1, H2 im entsprechenden Abstand von der verursachten Stromschleife zu messen Die Anwendung dieser Sonden erfolgt für das Messen des Feldes H2 im Abstand von ca 0,5 bis 10 cm von der Stromschleife Das Feld H1 wird am besten an der Außenkante der Baugruppe selektiv gemessen. Störaussendung - Messung von H-Feld Suche nach z.b. besonders aktiven Leitungen die das magnetische Feld erzeugen Dazu verwendet man kleinere Magnetfeldsonden, die zur Messung auf die einzelnen Leiterzüge oder Bauteile direkt aufgesetzt werden können Mit den kleinen Sonden wird ermittelt, welcher Leiterzug das Störfeld erzeugt, dass in den ersten Messungen mit der RF-R 400 großflächig gefunden wurde Neben Leitungen können auch IC-Gehäuse oder elektronische Schalter, Transformatoren oder Induktivitäten, Kondensatoren oder Widerstände untersucht werden.

9 Sondenköpfe der Langer-Nahfeldsonden, Beispiele Störfestigkeit Auch bei Störfestigkeitsproblemen helfen Nahfeldsonden allerdings hier als Nahfeldquelle Ziel: Aufspüren der Schwachstellen der Baugruppe Philosophie bleibt: Große Sonden zur Einkopplung von Störfeldern auf die gesamte Baugruppe Kleine Sonden zum finden kleiner Schwachstellen an IC s und anderen Leitungssystemen

10 Anwendung für spezielle Messaufgaben H-Feld 1. Problemstellung Anwendung für spezielle Messaufgaben H-Feld 4. Erkennen und beseitigen des Problemes Maßnahmen gegen das H2 Magnetfeld des Mikrokontrollers müssen an der Lenksäule umgesetzt werden

11 Anwendung für spezielle Messaufgaben H-Feld 3. Suchen mittel Nahfeldsonden Durch Antennenmessung bzw. Nachstellung in speziellem Messaufbau sind die problematischen Frequenzen bestimmt Suche der emittierenden Bauelemente mittels Nahfeldsonden Beachte: - Mit großen Sonden weiträumig über die zur Baugruppe gehörenden Einzelelementen absuchen - Auf der Flachbaugruppe werden an zahlreichen Stellen hohe Feldanteile gemessen werden aber nur ein Bruchteil wird die problematischen Abstrahlungen hervorrufen - Auch Messungen an passiven oder nicht zur Funktion gehörenden Bestandteilen durchführen - Feldbilder beachten Anwendung für spezielle Messaufgaben H-Feld 4. Nachmessung des Problems im Labor

12 Anwendung Mikrosonden Messung von Störaussendung IC Gehäuse sowie der Pins und anderen Komponenten einer Baugruppe während der Funktion Erstellung einer Karte der Störaussendung in verschiedenen Höhen