Elektromagnetische Verträglichkeit Überblick und Einführung

Transkript

1 Elektromagnetische Verträglichkeit Überblick und Einführung Peter Russer Institute for High Frequency Engineering Technische Universität München Prof. Dr. Peter Russer # 1

2 Einleitung Elektromagnetische Verträglichkeit bezeichnet den Zustand, dass elektrische Einrichtungen sich nicht gegenseitig durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Einwirkungen stören. Die europäische EMV-Richtlinie definiert elektromagnetische Verträglichkeit in folgender Weise: Elektromagnetische Verträglichkeit ist die Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines Systems, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für alle in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen oder Systeme unannehmbar wären. (EMV-Richtlinie oder Richtlinie 89/336/EWG bzw. Richtlinie 2004/108/EG) Prof. Dr. Peter Russer # 2

3 Inhalt Grundlagen der Elektromagnetischen Verträglichkeit Arten von Störungen, Störquellen, Koppelmechanismen Gesetzliche Regelungen, EMV-Richtlinien EMV-Messungen EMV-Zeitbereichsmesstechnik Prof. Dr. Peter Russer # 3

4 Theoretische Grundlagen Eine einfache Beschreibung der Vorgänge, die der elektromagnetischen Verträglichkeit zugrunde liegen, kann auf Basis des sogenannten Störkopplungsmodells erfolgen. Das Störkopplungsmodell operiert mit den Begriffen Störquelle (Das Störungen erzeugende Betriebsmittel ) Kopplungspfad (Weg zwischen Quelle und Senke) Störsenke (das beeinflusste Betriebsmittel) Die Unempfindlichkeit eines Systems gegen Störungen bzw. die Güte der darin stattfindenden Signalübertragung wird durch den Störabstand charakterisiert. Prof. Dr. Peter Russer # 4

5 Arten von Störungen Leitungsgebundenen Störungen werden von der Störquelle direkt über Signal- oder Versorgungs- Leitungen zur Störsenke übertragen. Feldgebundene Störungen breiten sich als elektrisches, magnetisches oder elektromagnetisches Feld aus und von der Störsenke durch Kapazitive und / oder induktive Einwirkung empfangen. Prof. Dr. Peter Russer # 5

6 Koppelmechanismen Galvanische Kopplung entsteht durch direkte galvanische Verkopplung der Stromkreise von Störquelle und Störsenke. Kapazitive Kopplung entsteht durch Verkopplung von Leitern der Störquelle und der Störsenke über das elektrische Feld Induktive Kopplung entsteht durch Verkopplung von Leitern der Störquelle und der Störsenke über das magnetische Feld Strahlungskopplung tritt auf, wenn ein von der Störquelle erzeugtes elektromagnetisches Feld auf die Störsenke einwirkt. Teile der Störquelle und der Störsenke wirken dabei als Sende- und Empfangsantennen. Prof. Dr. Peter Russer # 6

7 Arten von Störquellen Es gibt natürliche und technische Störquellen und Störsenken. Beispiele: Natürliche Störquellen: Blitz Natürliche Störsenken: Lebewesen Technische Störquellen: Elektrische Maschinen, elektronische Geräte Technische Störsenken: Elektronische Schaltungen, Funkempfangsgeräte. Die Beeinflussung von Lebewesen durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Störquellen wird durch die elektromagnetischer Umweltverträglichkeit (EMVU) erfasst. Prof. Dr. Peter Russer # 7

8 Gesetzliche Regelungen Die Gesetzgeber schreiben in der EU den Herstellern von Elektrogeräten die Einhaltung von Schutzanforderungen vor. Grenzwerte zur Störfestigkeit sowie zur Störaussendung sind in Normen niedergelegt. Die Einhaltung der Schutzanforderungen wird im Regelfall angenommen, wenn die auf das Gerät anwendbaren harmonisierten europäischen Normen eingehalten werden. Prof. Dr. Peter Russer # 8

9 Die neue EMV-Richtlinie 2004 Die neue EMV-Richtlinie 2004/108/EG wurde im Amtblatt der Europäischen Union vom 31. Dezember 2004 wurde die neue EMV-Richtlinie veröffentlicht. Mit der neuen EMV-Richtlinie hat folgende Ziele Vereinfachung der Verwaltungsverfahren, Reduktion der Gerätepreise. Verbesserung der Information und Dokumentation bei den Aufsichtsbehörden. Die bisherige EMV-Richtlinie 89/336/EWG wird durch die Neufassung 2004/108/EG ersetzt. Seit dem 20. Juli 2007 kann die neue EMV-Richtlinie durch die Hersteller angewendet werden. Produkte, die der bisherigen Richtlinie 89/336/EWG entsprechen, dürfen noch bis einschließlich 19. Juli 2009 in Verkehr gebracht werden. Prof. Dr. Peter Russer # 9

10 Die neue EMV-Richtlinie 2004 Die Umsetzung dieser neuen EMV-Richtlinie 2004/108/EG ist in Deutschland mit dem Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit (EMVG) vom 26. Februar 2008 erfolgt, das mit seiner Verkündung in Kraft getreten ist. Prof. Dr. Peter Russer # 10

11 CISPR The Comite International Special des Perturbations Radioelectriques (International special committee on Radio Interference) is a special committee under the sponsorship of the International Electrotechnical Commissions (IEC). The membership is from national committees of the IEC, and other number of other international organizations interested in the reduction of the radio interference. CISPR was founded in Prof. Dr. Peter Russer # 11

12 CISPR The Comité International Special des Perturbations Radioelectriques (CISPR) (International special committee on Radio Interference) ist eine von den International Electrotechnical Commissions (IEC) geförderte Einrichtung. CISPR wurde1934 gegründet. Mitglieder sind die National Committees of the IEC und andere internationale Vereinigungen, die an der Reduktion der elektromagnetischen Störungen interessiert sind. Prof. Dr. Peter Russer # 12

13 CISPR subcommittees In den vergangenen 70 Jahren wurden in CISPR sechs aktive Subkommittees gebildet: CISPR Subcommittee A Radio interference measurements and statistical methods. CISPR Subcommittee B Interference relating to industrial, scientific, and medical (ISM) radio frequency apparatus, to other (heavy) industrial equipment, to overhead power lines, to high voltage equipment, and to electric traction. CISPR Subcommittee D Interference relating to motor vehicles and internal combustion engines. CISPR Subcommittee F Interference relating to househ old appliances, tools, lighting equipment, and similar apparatus. CISPR Subcommittee H Limits fro the protection of radio services. CISPR Subcommittee I Electromagnetic compatibility of information technology equipment, multimedia equipment, and receivers. Prof. Dr. Peter Russer # 13

14 CISPR Standards Die CISPR Standards betreffen elektromagnetische Emissionen und deren Messungen sowie die Immunität gegen elektromagnetische Störungen. Es wurden mehr als 30 CISPR Standards veröffentlicht. Prof. Dr. Peter Russer # 14

15 CISPR Standards Einige der wichtigsten CISPR-Veröffentlichungen betreffen: CISPR 10. Organization, Rules and Procedures of the CISPR. CISRP 11. Industrial, Scientific, and Medical (ISM) Radio-Frequency Equipment-Electromagnetic Disturbance Characteristics-Limits and Methods of Measurement. Prof. Dr. Peter Russer # 15

16 CISPR Standards CISPR Electromagnetic Compatibility-Requirements for Household Appliance, Electric Tools, and Similar Apparatus-Part 1: Emissions. This standard applies to the conduction and radiation of radio-frequency (RF) disturbances from appliances whose main function is performed by motors and switching or regulatory devices. Covers equipment such as household electrical appliances, electric tools, regulating controls employing semiconductor devices, motor-driven electro medical apparatus, electric toys, automatic dispensing machines and cinema or slide projectors. CISPR Electromagnetic Compatibility-Requirements for Household Appliances, Electric Tools, and Similar Apparatus-Part 2: Immunity-Product Family Standard. This publication specifies the immunity requirements in relation to continuous and transient conducted and radiated electromagnetic disturbances, including electrostatic discharge, for the relevant equipment. Prof. Dr. Peter Russer # 16

17 CISPR Standards CISPR 22 Information Technology Equipment Radio Disturbance Characteristics Limits and Methods of Measurement. This is one of the better known CISPR standards. This CISPR standard covers the requirements for radiated and conducted emissions for Information Technology Equipment (equipment that transmits/receives digital data via wire). Measurement techniques are given in CISPR 22 for conducted common mode emissions testing on AC Mains and telecommunications cables. The original standard was released in Several revisions have been released since that time. Prof. Dr. Peter Russer # 17

18 EMV-Messungen Die Anforderungen von EMV-Messungen werden auf der Basis von Folgenabschätzungen bei Systemausfällen auf Grund einer EMV-Störung getroffen. Es existieren unterschiedliche Anforderungen in Unterhaltungselektronik Industrietechnik Automobiltechnik Luft- und Raumfahrt Verteidigungstechnik Medizintechnik Prof. Dr. Peter Russer # 18

19 Arten der Prüfungen (1) Prüfung galvanisch gekoppelter Störungen: Dabei werden Störspannungen auf den Versorgungs- und Signalleitungen gemessen. Prüfung kapazitiv gekoppelter Störungen: Über eine definierte Koppelkapazität ausgekoppelte Störpegel werden gemessen. Prüfung induktiv gekoppelter Störungen: Die von Kabeln bzw. Kabelbäumen emittierten magnetischen Störfelder werden mit Hilfe von Kabelzangen gemessen. Prof. Dr. Peter Russer # 19

20 Arten der Prüfungen (2) Prüfung strahlungsgekoppelter Störungen: Die Entfernungen zwischen Störquelle und Störsenke sind hier wesentlich größer als im Fall der rein kapazitiven oder rein induktiven Verkopplung. Es kommen verschiedene Prüfumgebungen zur Anwendung: Freifeldmessplatz, Absorberkammer, Schirmkammer, GTEM-Zelle TEM-Zelle Modenverwirbelungskammer (Reverberation Chamber). Prof. Dr. Peter Russer # 20

21 Emissionsmessung Spannungs- Versorgung LISN Prüfling Funkstörspannung Funkstörfeldstärke Messung in Absorberhalle Höhenscan Abstrahlwinkel Vertikale und Horizontale Polarisation Prof. Dr. Peter Russer # 21

22 Zeitbereichs-EMV-Meßsystem Multiresolution TDEMI Measurement System TP Gleitkomma ADC Digitale Signal Verarbeitung (Realzeit) Bewertetes Amplituden spektrum LISN Messzeit kann um bis zu 5 Größenordnung reduziert werden Gleichzeitige Detektoren: Peak, Average, RMS, Quasipeak, CISPR-AV,.. Emissionsmessung von Einzelereignissen (z.b. Motorstart) Prof. Dr. Peter Russer # 22

23 Zielsetzung Reduktion der Messzeit Normgerechte Emissionsmessung Hoher Dynamikbereich >> 100 db Kontinuierliche Auswertung Auswertung in Realzeit ZF-Filterverhalten wie in CISPR Detektorverhalten wie in CISPR Einzelereignisse Die Zeitbereichsmessung kann alle Anforderungen erfüllen. Prof. Dr. Peter Russer # 23

24 Gleitkomma Analog-Digital-Wandlung Power Splitter < -1.5 db A D -22 db A D Digital Signal Processing -22 db -10 db A D Dreifache Aufteilung des Amplitudenbereiches 3 synchrone A/D Wandler Reflexionsfreie Begrenzer Verbesserung der Dynamik um ca. 50 db Prof. Dr. Peter Russer # 24

25 Störemission eines PC (Quasi-Peak) 60 TDEMI EMI Receiver 50 Magnitude / dbµv Emissionsmessung Desktop PC Quasi-Spitzenwertdetektor Frequency / MHz Prof. Dr. Peter Russer # 25

26 Spektrogrammauswertung Prof. Dr. Peter Russer # 26

27 Spektrogrammauswertung Laptop 200 MHz Prof. Dr. Peter Russer # 27

28 Zusammenfassung Elektromagnetische Verträglichkeit ist die Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines Systems, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für alle in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen oder Systeme unannehmbar wären. Der Gesetzgeber schreibt den Herstellern von Elektrogeräten die Einhaltung von Schutzanforderungen vor. Gegenwärtig werden in erster Linie abstimmbare Meßempfger für EMV- Messungen engesetzt. Sie ermöglichen Full Compliance Messungen nach CISPR benötigen jedoch erheblichemeßzeiten. Die Zeitbereichsmesstechnik führt zu einer Verkürzung der Messzeit um mehrere Größenordnungen und ermöglicht die Erfassung wichtiger Daten, welche mit konventionellen Frequenzbereichs-Messsystemen nicht erfasst werden können. Die Mindestanforderungen an die Dynamik eines EMV-Messsystems entsprechend der Norm CISPR werden von dem hier vorgestellten Zeitbereichsmesssystem erfüllt.. Prof. Dr. Peter Russer # 28