Elektromagnetische Verträglichkeit in der Informations- und Kommunikationstechnik

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1 Elektromagnetische Verträglichkeit in der Informations- und Kommunikationstechnik Dr. Christian Bornkessel Technische Universität Ilmenau, FG HMT Postfach , Ilmenau Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.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 I.2

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

6 Literatur Schwab, Kürner: Elektromagnetische Verträglichkeit. 5. Auflage, Springer, Gustrau, Kellerbauer: Elektromagnetische Verträglichkeit. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 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 I.6

7 Teil I Was versteht man unter EMV? Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.7

8 Überblick Teil I 1. Regulatorische Aspekte - CE-Zeichen - Zertifizierungsmöglichkeiten 2. Die zwei Seiten der EMV - Emission und Störfestigkeit / Störquelle und Störsenke 3. Beeinflussungsmodell - Beschreibung von Störgrößen - Störquellen und Störsenken - Kopplungsmechanismen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.8

9 Das CE-Zeichen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.9

10 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 I.10

11 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 I.11

12 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 I.12

13 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 I.13

14 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 I.14

15 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 I.15

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

17 Marktüberwachung Marktüberwachung für EMV- und R&TTE-Produkte erfolgt durch die Bundesnetzagentur administrativ messtechnisch Quelle: Bundesnetzagentur Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.17

18 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 I.18

19 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 I.19

20 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 I.20

21 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 I.21

22 m [dbµv/m] Bestrahlungsfeldstärke [V/m] Umgebungsklassen Klasse A: Industriebereich Klasse B: Wohnbereich (inkl. Geschäfts-, Gewerbebereich, Kleinbetriebe) Gestrahlte Emission Gestrahlte Störfestigkeit Klasse B (Wohnbereich) Klasse A (Industriebereich) Klasse B (Wohnbereich) Klasse A (Industriebereich) Frequenz [MHz] Frequenz [MHz] Beispiel EN 55022, bis 1 GHz Beispiel EN , bis 1 GHz Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.22

23 db-pegelrechnung Warum logarithmische Pegel? Relative Pegel Absolute Pegel Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.23

24 Gleich- und Gegentaktstörungen: Ungestörter Stromkreis I Nutz Z E U E U Nutz E I Nutz Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.24

25 Gegentaktstörung I Nutz I Stör Gg Z E U Stör Gg0 ~ U E Nutz U E Stör Gg I Nutz I Stör Gg Zwischen Hin- und Rückleiter, in entgegengesetzter Richtung Gleichsinnige Überlagerung von Nutz- und Störsignal Quellen: Induktive Einkopplung, Gleichtakt-/Gegentakt-Konversion, häufig im niederfrequenten Bereich < 20 khz Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.25

26 Gleichtaktstörung I Nutz I Stör Gl2 = 0 Z E U E Nutz U E Stör Gl = 0 U Stör Gl0 ~ I Nutz Zwischen Hin-/Rückleiter und Erde I Stör Gl1 = 0 In Hin- und Rückleiter in gleicher Richtung Gegensinnige Überlagerung von Nutz- und Störsignal In erdfrei betriebenen Stromkreisen und bei kleinen Frequenzen sind die Gleichtaktströme und der Störspannungsabfall =0 Quellen: Kapazitive Einkopplung, Potenzialdifferenzen räumlich auseinanderliegender Masse-/Erdpunkte Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.26

27 Gleichtakt-/Gegentaktkonversion I Nutz I Stör Gl2 0 C Str2 U E Nutz Z E U E Stör Gg U GGKF= U EStörGg StörGl0 (f) (f) U Stör Gl0 ~ I Nutz I Stör Gl1 0 C Str1 Für höhere Frequenzen machen sich Streukapazitäten bemerkbar Gleichtaktstörströme sind ungleich Null Keine Wirkung auf Z E nur bei völliger Symnmetrie (Z L1 =Z L2, C Str1 =C Str2 ) Bei Unsymmetrie (Praxis) wird automatisch Gegentaktstörspannung an Z E erzeugt; Verhältnis zu Gleichtaktstörspannung ergibt Konversionsfaktor Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.27

28 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 I.28

29 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 I.29

30 Schmal- und breitbandige Störquellen schmalbandig breitbandig Definition auch über Verhältnis Signalspitzenwert zu Mittelwert des gleichgerichteten Signals möglich: Spitzenwert </> 2 x Mittelwert Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.30

31 Störsenken Störsenken - Rundfunkempfänger - Mobiltelefone - Funkschlüssel - Datenverarbeitungsanlagen - Automatisierungssysteme - Bioorganismen Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.31

32 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 I.32

33 Galvanische Kopplung Störer gestörtes System Quelle: Schwab Galvanische bzw. Leitungskopplung tritt immer dann auf, wenn zwei Stromkreise eine gemeinsame Impedanz Z besitzen (gemeinsam genutzte Leitung (z.b. Masse) oder Bauelement). Häufig verschleppen Spannungsversorgungsleitungen Störgrößen über die gesamte Leiterplatte. Beispiele: Erdschleifen, Störungen über Netzzuleitungen von am selben Netz betriebenen Verbrauchern. Entstörung: Minimierung der Koppelimpedanz, Erhöhung der Spannungsebene, Stützkondensatoren. Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.33

34 Simulationsbeispiel Z A1 Z A2 Entkopplung der beiden Stromkreise nur für Z K 0 Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.34

35 ADS-Simulation (Advanced Design System) Koppelimpedanz Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.35

36 Ergebnis: Ohne Kopplung (R=L=0) Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.36

37 Ergebnis: Mit Kopplung (R=0,05 Ohm, L=100 nh) Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.37

38 Beispiel: Erdschleife PE Beide Gehäuse seien aus Berührungsschutzgründen über die Schutzkontakte der Netzanschlussleitungen geerdet. Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.38

39 Induzierter Gleichtaktstörstrom ~ PE U Stör Gl0 Induktion einer Gleichtakt-Störspannung in die aufgespannte Fläche Störspannung auch durch unterschiedliche Erdpotenziale möglich Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.39

40 Elektrische Kopplung Quelle: Schwab 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. Je größer die Streukapazität d.h. je kleiner der Abstand bzw. je länger die parallele Leitungsführung, desto größer ist der Verkopplungsgrad. Entstörung: Abstandserhöhung, Reduzierung der Koppelfläche Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.40

41 Magnetische Kopplung Quelle: Schwab 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. Induktive Verkopplungen existieren vorwiegend bei Frequenzen < 30 MHz und in niederimpedanten Systemen. Entstörung: Abstandserhöhung, Reduzierung der Induktionsfläche Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.41

42 Strahlungskopplung Quelle: Schwab Strahlungskopplung liegt dann vor, wenn sich die Störsenke im EM (Fern)Feld der Störquelle befindet. Beim Auftreffen der EM Welle auf eine elektrisch leitfähige Anordnung entstehen durch Antennenwirkungen im Empfängerkreis HF-Störspannungen. Als Strahler (bzw. Empfänger) können z.b. Kabel, Gehäuseschlitze oder auch Leiterbahnen wirken. Entstörung: Schirmung, Absorption, Längenänderung von Leitungen (Verschiebung der Resonanzfrequenz). Dr. Chr. Bornkessel WS2015/16 Folie I.42

43 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 I.43

44 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 I.44