IEC Edition Störfestigkeit gegen Leitungsgeführte Störgrössen, Induziert durch hochfrequente Felder

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1 IEC Edition Störfestigkeit gegen Leitungsgeführte Störgrössen, Induziert durch hochfrequente Felder Markus Fuhrer, Andreas Lobeck

2 Übersicht Störfestigkeit gegen sinusförmige Störgrößen DC EN Leitungsgeführte, asymmetrische Störgrößen im Bereich 0Hz bis 150kHz. (DC, 16,67Hz, 50Hz, 60Hz, 15Hz-150kHz) typisch ohne Modulation 150kHz 80MHz 230MHz 1GHz 6GHz EN leitungsgeführte Störgrößen, induziert durch elektromagnetische Felder im Bereich von 150kHz 80MHz (230MHz). typisch mit 1kHz, 80%, AM EN hochfrequente elektromagnetische Felder im Bereich von 80MHz 6GHz. typisch mit 1kHz, 80%, AM 2

3 EN die Versionen 1/2 Spezifikation: EN : 1996+A1:2001 dop: ; dow: EN :2007 dop: ; dow: EN :2009 dop: ; dow: Anmerkungen: Im wesentlichen redaktionelle Änderungen zur EN :1996 Wesentliche Änderungen in der Prüfdurchführung: Für jede Prüfung werden immer nur noch zwei Netzwerke eingesetzt, alle weiteren Leitungen werden nur noch entkoppelt und nicht, wie zuvor, grundsätzlich mit Netzwerken abgeschlossen. Es wird ein Verfahren für die Einspeisung mit dem Koppel-/Entkoppelnetzwerk bestimmt. Schlussfolgerung: Bei Prüflingen mit mehr als 2 Anschlüssen können sich unterschiedliche Ergebnisse zeigen. Es ist genau zu prüfen, welche Version zur Konformitätsbewertung heran zu ziehen ist. Wird für bereits nach alter Norm geprüfte Geräte die neuste Version verlangt, so ist unter gewissen Umständen eine erneute Prüfung erforderlich. Neuer Anhangs G mit Informationen zur Messunsicherheit der Prüfeinrichtung 3

4 EN die Versionen 2/2 Spezifikation: Aktueller Version: IEC Ed.4.0 ( ) Anmerkungen: Die Bilder sind im Text und nicht mehr am Ende der Norm separat aufgeführt. Einige Abschnitte wurden vollständig reorganisiert. Detaillierter Ablauf der Prüfpegeleinstellung und Reduzierung der Toleranzen. Ergänzend wird der Verstärker auf mögliche Übersteuerung bei Generierung des 1,8-fachen Prüfpegels überprüft. Kleinere Toleranzen für die Kalibration der CDN s und Clamp s Beschreibung eines neuen Jig Kalibration der EM Clamp Zusätzlicher 150Ω zu 50Ω Adapters mit neuen Abmessungen. Änderung des Flow Charts, welches die Art der Einkopplung beschreibt. Der Prüfaufbau ist neu beschrieben, Bilder wurden angepasst. Neue informative Anhänge: - Annex G: Messung des LCL Unsymmetriedämpfung von T-CDNs - Annex H: Messung der AE Impedanz - Annex I: Port zu Port Einkopplung incl. Setup für Einkopplung auf identischen Ports und Sicherstellung der idealen AE Impedanz - Annex J: Kompression und Nichtlinearität des Verstärkers. 4

5 Störphänomen Ton/Rundfunk Sender TV Sender Sprechfunk/Betriebsfunk Richtfunk Systeme Navigation und Radar Hiperlan und WLAN Netze Industrielle Anlagen Digitale Funktelefone 5

6 Wirkungsprinzip Strom- und Feldverteilung während der Common-Mode Prüfung auf den Leitungen: 6

7 Prüfschärfegrade Level Prüfspannung V Frequenzbereich Ampl. Modulation X spezial 150 khz 80 MHz 80% AM mit 1kHz Level 1: Level 2: Level 3: Level x: Umgebung mit niedrigen elektromagn. Feldern, Rundfunksender mehr als 1 km entfernt Umgebung mit mittleren elektromagn. Feldern, Geschäfts- und Gewerbebereich, tragbare Funkgeräte mit Leistungen kleiner 1 W Umgebung mit starken elektromagn. Feldern, Industriebereich, starke Rundfunksender in der Nachbarschaft, tragbare Funkgeräte mit Leistungen von 2 W und mehr Offener Prüfschärfegrad, bis 30 V, wird in der jeweiligen Produktnorm festgelegt 7

8 Störsignal Modulation Unmoduliertes RF Signal Upp = 2.82V, Urms = 1.00V Moduliertes RF Signal, 80% AM Upp =5.09V, Urms =1.12V Umax.rms =1.80 V Bild 4 Leerlauf Signal am EUT Port des Kopplungsnetzwerks für Prüflevel 1 8

9 Prüfsimulator Aufbau des Prüfgenerators HF Generator 80% AM Breitband- Leistungsverstärker G1 HF- Generator T1 Variables Dämpfungsglied PA Breitband Leistungsverstärker T2 Festes Dämpfungsglied (6dB) LPF/HPF Tiefpassfilter und/oder Hochpassfilter S1 HF Schalter Das Dämpfungsglied T2 verringert die Fehlanpassung zwischen PA und den CDN s. T2 kann in die CDN s integriert sein oder auch entfallen, wenn die Ausgangsimpedanz von PA bei allen Belastungen innerhalb der festlegten Werte bleibt (50 Ohm, früher zusätzlich VSWR < 1,2). 9

10 CDN-Typen CDN = Coupling-/Decoupling-Netzwerk Die Norm spezifiziert verschiedene Typen CDN-M1/2/3/4/5 (M = Main) CDN-S9/15/25/38 (S = Shielded) CDN-T2/4 (T = Telecom, symmetrisch) CDN-AF2/3/4/8 (AF, unsymmetrisch) EM Koppelzange BCI-Zange (Bulk Current Injektion) 10

11 Beispielaufbau eines CDN-M3 CDN M1 /-M2/ -M3 /-M4 /-M5 sind für ungeschirmte Netz- Versorgungsleitungen (mains). Der interne Aufbau ist mitsamt den Bauteilen detailliert in der Norm spezifiziert, z.b. CDN-M3: CDN-M2: CDN-M1: C1 = 10 nf, C2 = 47 nf, R = 300 Ohm, L > 280 µh bei 150 khz C1 = 10 nf, C2 = 47 nf, R = 200 Ohm, L > 280 µh bei 150 khz C1 = 22 nf, C2 = 47 nf, R = 100 Ohm, L > 280 µh bei 150 khz 11

12 Anforderungen an die Koppeleinrichtung Koppel- und Entkoppelnetzwerke dürfen aus einem oder mehreren Einheiten bestehen. Als Parameter gilt die unsymmetrische Impedanz Z CE (vom EUT-Port aus gesehen). Bedingungen: (24) MHz 150 Ohm +/- 20 Ohm 26 (24) MHz - 80 MHz 150 Ohm +60/- 45 Ohm MHz 150 Ohm +/- 60 Ohm informative gem. Annex B für Tests >80MHz IEC Ed.4 CDV Der Impedanz/Frequenzverlauf der Umhüllenden wechselt der Frequenzsprung von 26 MHz auf 24 MHz. (Probleme bei High-Power CDNs) Das gewünschte Signal darf nicht wesentlich durch die Kopplung Netzwerke beeinflusst werden. Koppelnetzwerke für Netzbetrieb müssen eine Erdung haben, weil sie mit der Massereferenz unter allen Testbedingungen kontakt haben müssen(grund:. Die Y-Kondensatoren erzeugen hohe Leck-ströme bei der Entkopplung) 12

13 Schema für Kalibration / Störgrößenjustage am EUT Port von CDN s Anmerkung: Die 150 Ohm Last am AE-Anschluß darf nur bei ungeschirmten Leitungen verwendet werden. Bei geschirmten Leitungen ist dieser Anschluß mit der Bezugsmassefläche zu verbinden. 13

14 Kalibration / Störgrößenjustage EUT Port von CDN s IEC Ed.4 IEC Ed.3 Umr = (Uo/6) +/- 25 % (linear Scale) Umr = Uo 15,6 db ± 2 db (logarithmic Sccale) Beispiele für den Aufbau für die Störgrößen-Justage: CDN EM 101 Zange 14

15 Unterschiedliche Setups für die Kalibration? Bisher Bisheriges Verfahren und weiter gültig: Benütze den RF Generator P gen für die Kalibration Verwenden des Kalibrierwertes zur Generierung der Störspannung am EUT Port der Koppeleinrichtung. Neu in Ed.4 Zusätzlich in IEC Ed.4 : Aufnahme der Vorwärtsleistung P for am Verstärkerausgang. Verwendung der Meßwerte von P gen, P for und U mr um die Störspannung zu berechnen die benötigt wird EUT Port der Koppeleinrichtung. 15

16 Level Setting (Kalibration) Applizierung einer FWD Leistung zum CDN so, dass die Spannung der geforderten U mr am Ausgang des 150Ω zu 50Ω Adapter entspricht Wiederhole bis die letzte Frequenz erreicht ist Speichern des Levels am RF Generator P gen und/oder der Vorwärtsleistung an Verstärkerausgang P for und der Spannung U mr am Ausgang des 150 Ω zu 50 Ω Adapter; (P gen ) P for Kalibrations Datei Erhöhung der Frequenz um Maximum 1% des letzten Frequenzwertes; 16

17 Verstärker Sättigungscheck Messung (P gen ) 5.1dB P for + Kalibrations Datei Anwendung des neuen Levels IEC Ed. 4 Überprüfung der Verstärkersättigung Messung der neuen Ausgangsleistung am CDN P for,inc oder der Spannung am Ausgang des 150 Ω zu 50 Ω Adapter U mr,inc Berechnung der Differenz - P for,inc -P for oder - U mr,inc -U mr (log. scale) 17

18 Verstärker Sättigungscheck Überprüfung der Meßwerte Ist die Differenz zwischen 3.1dB und 7.1dB? Ja Der Verstärker ist innerhalb der Toleranz und das Prüfsystem ist geeignet um den vorgesehenen Prüflevel zu testen. Nein Der Verstärker ist nichtlinear und ungeeignet für die Prüfung. IEC Ed. 4 Überprüfung der Verstärkersättigung 18

19 Neue Geometrie für den 150Ω zu 50Ω Adapter Bisher: Neu: IEC Ed.4 Das Zentrum des Steckers zum CDN ist auf 30mm Höhe über der Masseplatte zu fixieren. Die Grundplatte soll 30 mm lang sein. Die Referenzfläche hat eine Ausdehnung von 100mm x 100mm Die Abmessung der Referenzfläche wird neu abhängig vom Parameter h. h = 30mm : h > 30mm : Fläche der Referenzplatte 100mm x 100mm. Fläche der Referenzplatte neu 150mm x 150mm. 19

20 150Ω zu 50Ω Adaptor für die Kalibration der EM-Zange IEC Ed.4 Anhang A widmet sich ganz der EM- und Entkopplungszange. Neben dem Leitfaden für die Konstruktion, der Messung der S-Parameter und der Berechnung der Impedanz, Kopplungs- und Entkopplungsfaktoren, gehört auch eine neue Kalibriereinrichtung für die Zangen. Die konstruktiven Details der Vorrichtung werden nachfolgend dargestellt. 20

21 Test Jig Applikation für EM-Clamp Position der Kalibrations-Stange IEC Ed.4 Zentrum der Zange: Impedanz- und Entkopplungs-Faktor Untere Position: Koppelfaktor, EM TEST empfiehlt diese Position für die Kalibrierung 21

22 Prüfaufbau für CDN s Jeweils der Prüfling und das AE stehen 10 cm isoliert über der Bezugsmassefläche. Alle abgehenden Leitungen müssen über ein CDN entkoppelt werden. Die CDN s müssen im Abstand von 0,1 m bis 0,3 m vom Prüfling eingefügt werden. Die CDN s müssen HF-mäßig gut mit der Bezugsmasseplatte verbunden werden. 22

23 Prüfaufbau für ein Einzelgerät IEC Ed.4 : korrekt IEC Ed.3/Ed.2: falsch Die Normenversionen der Ed. 2 und Ed.3 zeigen im Prüfaufbau für Einzelgeräte EUT fehlerhafte Setups. Der 50 Abschluß an einem ungeprüften CDN fehlt. Die IEC Ed.4 zeigt nun den korrekten Prüfaufbau mit 50 Abschluß an einem CDN. 23

24 Prüfaufbau gemäss IEC Ed.4 Die Kabel sind auf mindestens 30 mm Höhe zu führen. Diese Regel erfolgte aus praktischen Gründen für den Prüfaufbau. Alle Abmessungen sind nun klar begrenzt mit, Zeichen bisher Neu Die CDN Ein- und Ausgangssignale sind nun nicht mehr mit GND verbunden. 24

25 Verfahren für Einspeisung mit dem Koppel-/Entkoppelnetzwerken Verfahren seit IEC / EN :2007: Der zur Prüfung vorgesehene Anschluß wird über das entsprechende CDN mit dem Störgenerator verbunden. Ein anderes mit 50 abgeschlossenes CDN wird mit einem weiteren EUT Anschluß verbunden. Alle weiteren Anschlüsse werden nur entkoppelt. Das mit 50 abzuschließende CDN muß entsprechend der nachfolgenden Reihenfolge der Vorrangigkeit ausgewählt werden: IEC Ed.4: Änderungen sind blau markiert 1. CDN-M1 (zur Verbindung mit dem Erdschluß) 2. CDN-M3, CDN-M4, CDN-M5 (für Versorgungsanschlüße Schutzklasse I) 3. CDN-Sn (n=1,2,..), Anschluß der am nächsten (geometrisch) zum Einkopplungspunkt ist 4. CDN-M2(für Versorgungsanschlüße Schutzklasse II) 5. anderes CDN, Anschluß der am nächsten (geometrisch) zum Einkopplungspunkt ist 25

26 Prüfaufbau für ein aus mehreren Einheiten bestehenden Gerät Der EUT ist so zu positionieren, dass der Abstand zu anderen leitenden Einrichtungen mindestens 0,5 m beträgt. Die Bezugsmasseplatte muss den Prüfaufbau selber auf allen Seiten mindestens 0,2m überragen. Geräte aus mehreren Einheiten werden nur dann als ein Gerät betrachtet, wenn die Leitung zwischen ihnen <1m ist. 26

27 Auswahl des Einkoppelverfahrens Das Flußdiagramm für die Auswahl des geeigneten Einkoppelverfahrens wurde durch eine neue Entscheidung erweitert. So ist klar, dass das Injektionsverfahren "Direkteinspritzung" nur auf geschirmten Kabel anwendbar ist. IEC Ed.4 IEC Ed.3 geschirmte Kabel? 27

28 Besonderheit bei Prüfungen mit Einspeisezangen Als Einspeisezange werden 2 unterschiedliche Arten aufgeführt: 1. Die EM-Koppelstrecke Die EM Koppelzange hat für die Stromeinspeisung hat sie eine Richtwirkung von >=10dB oberhalb 10MHz. Durch weitere Ferrite kann die Richtwirkung noch vergrößert werden, typisch werden hier Ferritzangen verwendet. AE EUT 2. Die Stromzange, im Automotive- Bereich auch BCI Zange genannt, hat keine Entkoppel-einrichtung, d.h.: Der in einer Leitung induzierte HF Strom fließt allein in Abhängigkeit der Impedanzverhältnisse der Leitungen. 28

29 Unterschied wenn mit Einkopplungszangen geprüft wird Wegen der zu geringen Richtwirkung, respektive der unzureichender Entkopplung besteht die Gefahr, dass die asymmetrische Impedanz mit 150 am Prüflingsanschluss und dem Zusatzgeräteanschluss nicht gewährleistet ist. Im EUT könnte ein zu großer, unbeabsichtigter Strom fliessen. Figure 5 IEC Der Strom darf mittels Stromsonde zwischen dem Einkopplungspunkt und dem Prüflingsanschluss überwacht werden. Ist der maximale Strom Imax, definiert durch Imax= Uo/150 Ohm überschritten, so darf die Prüfspannung bis zum Erreichen von Imax abgesenkt werden. Die dann erzielte Prüfspannung ist zu protokollieren. 29

30 Prüfaufbau mit CDN und EM-Koppelzange Fig 1: IEC Ed.4 Auf der CDN-Seite ist für das angeschlossene AE keine besonderen Vorkehrungen zu treffen. Das AE muss lediglich 10cm oberhalb der Bezugsmasseplatte stehen. Auf der Seite mit EM-Koppelstrecke ist eine asymmetrische Impedanz mit 150 zu gewährleisten. So muss das AE einmalig mit einem mit 50 belasteten CDN abgeschlossen werden (siehe CDN 2). Weitere Leitungen des AE s sind nur zu entkoppeln. 30

31 Prüfaufbau mit CDN und EM-Koppelzange L2 0.3 m 0.1 m L 0.3 m 31

32 Prüfaufbau mit CDN und injektion Stromzange und HF Strom Messzange L2 0.3 m 0.1 m L 0.3 m 32

33 Prüfaufbau für direkte Kopplung Die Einkopplung über 100 erfolgt direkt auf dem Schirm der geschirmten Leitung. Die Entkopplung zur AE-Seite muss ausreichend groß sein, L>280µH!! Hinweis: Oft ist die Entkopplung nicht ausreichend, so dass zur AE-Seite ein Teil der Störgröße abfließt. Hier könnte, ähnlich wie bei der Einkopplung mittels Stromzangen, das AE mit seinen weiteren Anschlüssen über ein CDN geführt werden. 33

34 Prüfaufbau direkte Kopplung über 100 Ohm 34

35 Frequenzdurchlauf 150 khz 80 MHz Fehlerquellen bereits im Prüfplan vermeiden! Bereits vor der Prüfung ist zu überlegen, ob die folgenden Parameter ausreichend dimensioniert sind: Prüfpegel Reicht die gesetzliche Mindestanforderung aus, oder wird unter QS-Aspekt getestet? Schrittweite Maximale Schrittweite 1% log. (1% von der vorhergehenden Frequenz) Verweildauer Die Verweildauer je Frequenzschritt darf nicht <0,5s sein, und Muß mindestens solange gewählt werden, bis die Betriebsfunktion und eine eventuell resultierende Reaktion des Prüflings möglich ist. 35

36 Anhang F (informativ): Prüfaufbau für große Prüflinge Die angehobene Massefläche muss aus Sicherheitsgründen mit der Masse elektrisch verbunden sein. Aus HF-Sicht hat die Verbindung keine Bedeutung. 36

37 Anhang F (informativ): Prüfaufbau für große Prüflinge Wichtig: Jede Abweichung vom genormten Prüfverfahren muss im Prüfbericht dokumentiert werden. 37

38 Messunsicherheit der Einrichtung (informativer Anhang G) Beschreibung von Einflüssen auf die entsprechenden Messverfahren. Begriffsbestimmung der Einzelunsicherheitsfaktoren. Berechnungsbeispiele für die kombinierte und erweiterte Unsicherheit. Die MU kann durch das Labor bestimmt werden, die zu prüfende Störgröße wird aber nicht um den Betrag der Messunsicherheit korrigiert! Anwendung: Koppel-/Entkoppelnetzwerk (CDN) Beispiel Kalibriervorgang erweiterte Unsicherheitsbilanz (k=2) 1,27dB Beispiel Prüfverfahren erweiterte Unsicherheitsbilanz (k=2) 1,36dB EM-Koppelstrecke 1,27dB 3,19dB (Der größte Unsicherheitsfaktor ist der Abschluss auf der AE Seite (Uxi=2,5).) Stromzange (BCI) 1,46dB 3,27dB (Der größte Unsicherheitsfaktor ist der Abschluss auf der AE Seite (Uxi=2,5)). Direkte Kopplung 1,46dB 3,07dB (Der größte Unsicherheitsfaktor ist die Entkopplung (Uxi=2,3).) 38

39 Das Störphänomen leitungsgeführte induzierte HF-Störgrößen Störquelle: Sendefunkanlagen (Betriebsfunk, Rundfunk/Fernsehen, Handy, DECT etc.) verursachen Felder, welche in Leitungen Störgrößen induzieren. Niederfrequente Störströme von Leistungselektroniken (Umrichter, Zentrifugen, Wirbelstrombremse etc.). Parameter: Dauernd anliegende, schmalbandige Störgrößen mit bestimmter Modulation. Norm: Pegel von 1V, 3V, 10V (Effektivwert des unmodulierten Trägers), Modulation typisch mit 1kHz, 80% AM. Frequenzbereich: leitungsgeführt 150kHz 80MHz (230MHz). Praxis: unterschiedlichste Pegel, Modulationen und betroffene Frequenzbereiche. Auswirkung: Beeinflussung von Signalen im Daten verarbeitenden Bereich (Logikfehler und deren Konsequenz). Beeinflussung von analogen Signalen und Verstärker. Anmerkung: Ab 80MHz erfolgt die Prüfung gemäß EN gestrahlt in der Absorberhalle typisch mit 3-10V/m. 39

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