CONDUCTED RF EQUIPMENT POWER AMPLIFIERS. Surge Prüfungen und seine Applikationen

CONDUCTED RF EQUIPMENT POWER AMPLIFIERS Surge Prüfungen und seine Applikationen Markus Fuhrer 20.01.2016

> Inhalt Einführung - Phänomen - EMV Modell - Neuerungen in der Surge Norm IEC 61000-4-5 Ed.3 (2014) Normative Definitionen - Impulsform - Prüflevel und Prüfklassenzuweisung - Kalibration des Surge Impulses am Generator und Koppelnetzwerk - Prüfablauf Wahl der Koppelnetzwerke - Netzleitungen - Signal- und Datenleitungen - High Speed Datenleitungen Normen mit weiteren Surge Impulsen - IEC 61000-4-5 - IEC 60060-1 - ANSI-IEEE C62.41 - UL 1449 - GR-1089-Core - ITU-T K.44 2

> Phänomen Störquellen Athmosphärische Entladungen Wirkungsparameter Max Scheitelwert des Stromes Steilheit des Stromes di/dt Steile du/dt die aufgrund von Ableiteransprechen im Primärkreis, auf die Sekundärseite übertragen werden. Ausgleichsvorgänge in Erdsystemen Schaltvorgänge Elektromechanische Ausgleichsvorgäng Schalten von kapazitiven Lasten in Hochspannungskreisen. Kabelverbindungen, Kondensatorbank etc. Schalten von Lasten in Niederspannungssystemen. Schalten von Resonanzkreisen mit Hilfe von Thyristoren. Kurzschlüsse und Überschläge in Installationen. Ansprechen von Schutzelementen, wie Spannungsableitern und Sicherungen. 3

> Normblitz 5% Normblitz ( gem. Prinz) : Die Parameter sind nur in 5% aller Fälle höher Parameter 5 % - Werte Wirkung Î 100 ka Potentialanhebung an Erdern Schrittspannung di/dt 120 ka / ms Spannungsinduktion ind. Spannungsabfälle di 2 dt 5 ka 2 s Thermische und dynamische Kräfte di dt 100 As Ladung, Ausschmelzung am Einschlagpunkt ka 100 80 60 IC 40 20 0 10 9 J (Ws) 10-7 J (Ws) 0,1 0,3 1 3 10 30 100 300 1000 µs Faktor 10 16 4

> EMV Modell Surge Störquelle Kopplung Störsenke Kopplung Kapazitiv auf parallele Leitungen (du/dt ) Induktion in Leiterschleifen (di/dt ) Abstrahlung im Nahfeld Direktkopplung bei Direkteinschlag Ausbreitung Leitungsgeführt auf Netz-, Signal-, Daten- und Steuerleitungen Symmetrisch (Leitung gegen Leitung) oder unsymmetrisch gegen PE 5

> Neuerungen in der Norm IEC 61000-4-5 Ed 3 Änderungen in Ed 3: 2014 : Neuerungen in der aktuellen Surge Norm IEC 61000-4-5 Edition 3.0 sind in diesem Vortrag rot markiert Normenhistory: http://www.iec.ch/ Normen finden Sie im electro suisse Onlineshop 6

> Definition der Pulsform Surge Impulsverifikation Leerlaufspannung : 1.2/50 s Anstiegszeit: T f = 1.67 x T =1.2 s 30% Dauer: T d = Tw = 50 s 20% ANMERKUNG: Die Impulsform der Leerlaufspannung am Ausgang des Koppel/Entkoppel-Netzwerks kann ein beträchtliches Unterschwingen aufweisen. Kurzschlussstrom: 8/20 s Anstiegszeit : T f = 1.25xTr= 8 s 20% Dauer : T d = 1.18 x Tw =20 s 20% ANMERKUNG: Die Festlegung für ein Unterschwingen um 30% gilt nur am Ausgang des Generators. Für den Ausgang des Koppel-/Entkoppelnetzwerks gibt es keine Begrenzung in Bezug auf Unter- oder Überschwingen. Die Auswertung gem. IEC 60469-1 (10% - 90%) wurde gestrichen 8

> Eine einzige Impulsform Definition in der IEC 61000-4-5 Edition 3.0 Zwei Methoden für die Impulsmessung in der Ed 2 T1 T2 9

> IEC 61000-4-5 Tabelle 1 : Test Levels Tabelle 1 spezifiziert im Detail die Prüflevels der Leerlaufspannung für die Prüfung Leitung gegen Leitung und Leitung gegen Erde Table 1 Test Levels Alle Spannungen der tieferen Levels müssen geprüft werden Zur Festlegung der Prüflevels für verschiedene Schnittstellen siehe Annex B 10

> Prüflevel gemäss IEC 61000-4-5 Prüfklassenzuweisung (Installation Class) gem. der Applikation Änderungen der Ed 3 :2014 Die Surge (und Generatoren) werden für die verschiedenen Klassen wie folgt unterschieden: Klasse 1 bis 5: 1,2/50μs (8/20μs) für Ports von Versorgungsleitungen, Kurzdistanz Signale/Kreise und lokale Netzwerke (wie Ethernet, Token Ring, etc.) und ähnliche Netzwerke Klasse 4 bis 5: 10/700μs (5/320μs) für symmetrische Kommunikationsleitungen und grössere Verbindungsleitungen zwischen Systemen wie multi-user Telekommunikations Netzwerke typisch >300 m Länge. 11

> Surge Generatoren Quellenimpedanz von Surge Generatoren Aufgrund der verschiedenartigen Entstehungs- und Koppelmechanismen der Störgrösse, definiert die Norm folgende Quellenimpedanzen der zu verwendenden Generatoren. 2 Ohm 12 Ohm (2 Ohm + 10 Ohm) 42 Ohm (2 Ohm + 40 Ohm) Versorgungsleitungen (Niederspannungs- Stromversorgungsnetz) Alle anderen Leitungen symmetrisch (L-N, L-L) Störquelle im gleichen Stromkreis Unsymmetrisches Schalten Direkter Blitz unsymmetrisch(l- PE, N-PE) Störquelle in einem anderen Stromkreis Indirekter Blitz unsymmetrisch (seltener symmetrisch) Nur indirekte Beeinflussung 12

> Definition der Pulsform Kalibrierung am Generatorausgang Anders als in früheren Standardausgaben ist der Generatorausgang via einen internen oder externen 18 µf Kondensator im Leerlauf und im Kurzschluss zu verifizieren. Dies ist eine weitere neue Anforderung der IEC 61000-4-5 Ed.3. Oft verfügen Generatoren am HV COM Ausgang zum CDN keinen internen 18 µf Kondensator, da dieser sich im externen Koppelnetzwerk befindet. IMN 2 Der externe 18 uf Kondensator IMN 2 ist für die Verifikation am HV-COM Ausgang zu verwenden. 13

> IEC 61000-4-5 Kalibration Kalibration am Koppelnetzwerk Die Absicht der Norm ist es die Impulsform an jenem Punkt zu spezifizieren wo der EUT angeschlossen wird. Die Generator Charakteristik ist wie folgt zu messen: Leerlaufspannung Mit HV-Probe jede: DM: L-N CM: L-PE CM: N-PE Kurzschluss-Strom Mit Stromsonde jede: DM: L-N CM: L-PE CM: N-PE 14

> Kalibrierung am Koppelnetzwerk 6.4.2 Kalibration von CDN s für AC/DC Versorgungen bis 200A per Phase Die Toleranz der Rückenhalbwertzeit ist abhängig vom Bemessungsstrom des Koppel- /Entkoppelnetzwerkes. Die Entkopplungsinduktivitäten reduzieren sich mit zunehmendem Nennstrom. Last > 10kΩ Neu in Ed. 3 - Impuls Spannungsform Definition für Common Mode Kopplung nach PE - Toleranzen werden mit steigendem CDN Strom grösser. Entkopplungsinduktivität: - Maximum 1.5 mh - Voltage Drop CDN < 10% 15

> Kalibrierung am Koppelnetzwerk Die Restspannung gemessen zwischen den mit Surge beaufschlagten Leitungen und PE von AC/DC Versorgungsleitungen darf an CDN der nicht angeschlossenen EUT Versorgungsseite vom CDN max. 15% der angelegten Prüfspannung oder den doppelten Scheitelwert der CDN Nennspannung, der höhere Wert gilt, betragen. Die ungewollte Surgespannung zwischen nicht mit Surge beaufschlagten Leitungen und PE darf am nicht angeschlossenen EUT Versorungseingang 15% der angelegten Surgespannung nicht überschreiten. Table 5 Strom Impulsform Spezifikation am EUT Port vom Koppel- /Entkoppel Netzwerk 16

> Kalibrierung am Koppelnetzwerk Charakteristik und Leistung des Generators: Änderungen der Ed 3 :2014 Die Ausgangsimpedanz ist über das Verhältnis zwischen Scheitelspannung im Leerlauf und Kurzschluss-Strom definiert. Eine zusätzliche Verifikation mit der Impedanz von 12 Ω (10Ω + 2 Ω) wurde eingeführt. ANMERKUNG Die Strom- und Zeitparameter sind für den Kurzschluss Strom am EUT Port für AC/ DC Versorgungsleitungen gültig. (Neue zusätzliche Anmerkung) 17

> TOPICS für Edition 3 6.4.3.2 Kalibration von CDNs für unsymmetrische Verbindungsleitungen Die Messung soll mit einer Impulsanwendung an einer einzelnen Leitung erfolgen. Im Leerlauf sind die Scheitelspannung, Frontzeit und Impulsdauer bei den CDN Nennwerten zu prüfen. Die Eingänge vom Entkoppelnetzwerk auf der (AE) Port Seite sind gegen PE kurz zu schliessen während der Leerlauf- und Kurzschluss Messung am EUT Ausgang. Die Restspannung an der geschützten AE Seite ist abhängig vom Schutzpegel. Deshalb definiert die Norm keine Werte. Kalibrations Ablauf für unsymmetrische Verbindungsleitungen Änderungen der Ed 3 :2014 Coupling Measuring AE side EUT side Surge voltage Single Line to PE Single Line All lines shorted to PE Open Circuit at EUT side Peak voltage, front time, duration Surge Current Single Line to PE Single Line All lines shorted to PE Short Circuit at EUT side Peak current, front time, duration Surge voltage Single Line to Line Single Line All lines shorted to PE Open Circuit at EUT side Peak voltage, front time, duration Surge Current Single Line to Line Single Line All lines shorted to PE Short Circuit at EUT side Peak current, front time, duration Residual voltage on AE Single Line to PE Line to PE at a time Open Circuit Open Circuit Side (with protection) Peak voltage 18

> TOPICS für Edition 3 Impulsdefinition für unsymmetrische Verbindungsleitungen Tabelle 8 : Surge Puls-Spezifikationen am EUT Ausgang vom CDN Änderungen der Ed 3 :2014 19

> TOPICS für Edition 3 6.4.3.3 Kalibration Ablauf für symmetrische Verbindungsleitungen Die Messung soll mit einer Impulsanwendung an einer einzelnen Leitung erfolgen. Im Leerlauf sind die Scheitelspannung, Frontzeit und Impulsdauer bei den CDN Nennwerten zu prüfen. Die Eingänge vom Entkoppelnetzwerk auf der (AE) Port Seite sind gegen PE kurz zu schliessen während der Leerlauf- und Kurzschluss Messung am EUT Ausgang. Die Restspannung an der geschützten AE Seite ist abhängig vom Schutzpegel. Deshalb definiert die Norm keine Werte. Änderungen der Ed 3 :2014 Tabelle 9: Kalibrations - Prozedur Tabelle 10: Impulsform Spezifikation 20

> Prüfablauf für 1- und 3-phasige Prüflinge nach Norm Prüfablauf für Surgeprüfungen Es erfolgen je Einstellung (Pegel, Kopplung, Winkel, Polarität) 5 Prüfimpulse. Das Zeitintervall zwischen aufeinander folgenden Impulsen kann 60 Sekunden oder weniger betragen. 21

> Auswahl Surge Koppelnetzwerke Auswahl der Koppel- / Entkoppelnetzwerke Änderungen der Ed 3 :2014 23

> Kopplung auf Netzleitungen 1.phasig Kopplung 1-phasen Applikation Beispiel für einen Prüfaufbau für kapazitive Kopplung auf Wechselstrom- / Gleichstrom- Versorgungsleitungen. Fig. 5: Kopplung L N Entkopplung: L= 1.5mH Fig. 6: Kopplung L - PE und N PE Entkopplung: L= 1.5mH 24

> Kopplung auf 3-phasen Prüflinge Kopplung 3-phasen Applikation Beispiel für einen Prüfaufbau für kapazitive Kopplung auf Wechselstrom- / Gleichstrom- Versorgungsleitungen. Fig. 7: Kopplung Leitung - Leitung Fig. 8: Kopplung Leitung - Erde 25

> Kopplung auf Signal- und Datenleitungen Kopplung von Signal und Datenleitungen Schalter S1 : - Leitung gegen Erde : Stellung 0 - Leitung gegen Leitung : Stellung 1 bis 4 Schalter S2 : - während der Prüfung : Stellungen 1 bis 4 aber nicht in der gleichen Stellung wie Schalter S1 CNV 504N1 Schalter S3 : - Position Kopplung mit Gasableiter symmetrische I/O Leitungen - Position kapazitive Kopplung 0.5uF unsymmetrische I/O Leitungen Figur 9 26

> Kopplung auf Signal- und Datenleitungen Koppelnetzwerke Beispiele Eardanschluss EUT Generator Anschluss - rot -> HV - schwarz -> COM EUT Leitungen zwischen CDN und EUT sollen 2m nicht überschreiten Beispiel: Kopplung Leitung 1 gegen Erde (PE) AE Erdung vom CDN 27

> Kopplung auf Kommunikationsleitungen Symmetrische Verbindungsleitungen Änderungen der Ed 3 :2014 Prüfaufbau für ungeschirmte symmetrische Verbindungs-leitungen gem. Figur 10 IEC 61000-4-5 Ed2, Bild14 IEC 61000-4-5 Ed3, Bild10 und BildA4 Bild 10 Bild A4 1.2/50us Generator R m2 = n x 40, max. 250 10/700us Generator R m2 = n x 25, max. 250 1.2/50us Generator R c = n x 40 10/700us Generator R c = 25 Als Koppelelement sind neben Gasableiter (GDT) auch andere Elemente zugelassen 28

> Kopplung auf Kommunikationsleitungen CNV 504/508 T-Serie CDN für ungeschirmte symmetrische Verbindungsleitungen 1.2/50us Generator 25+135 CNV 504T5 4 Leiter => R c = 160 (4 Leiter x 40 ) CNV 508T5 2 Leiter=> R c = 80 (2 Leiter x 40 ) 29

> Kopplung auf Kommunikationsleitungen CNV 504/508 T-Serie CDN für ungeschirmte symmetrische Verbindungsleitungen 10/700µs Generator 25+135 CNV 504T5 4 Leiter=> R c = 25, (135 ist kurzgeschlossen) CNV 508T5 2 Leiter=> R c = 25 Note: - 135 Widerstand ist mit einer Brücke kurzgeschlossen - Gasableiter inaktiv ( Brücke) und mit einem alternativen Koppelelement ersetzt. 30

> Prüfaufbau für beidseitig aufgelegte geschirmte Leitungen Figur 12 Prüfaufbau für geschirmte Leitungen Änderungen der Ed 3 :2014 Gelöschte Figuren von Ed.2 Der EUT ist isoliert von der Referenzmasse mit einem Surge Impuls (2Ω) auf das Metallgehäuse zu prüfen. Die Abschlüsse (oder die Zusatzeinrichtung) an den Port s sind während der Prüfung zu erden. Kabellänge: 20 m (bevorzugte Länge) oder Die kürzeste Länge über 10m, wenn der Hersteller ein konfektioniertes Kabel einer aktuellen Installation beilegt. Keine Prüfung wenn das Kabellänge gem. Hersteller 10 m ist. 31

> IEC 61000-4-5 TEST SETUP Prüfaufbau für geschirmte Leitungen Hochspannungsleiter, Ist mit dem zentralen Erdungspunkt vom EUT 1 zu verbinden 20m geschirmtes Signalkabel Mäanderförmig ausgelegt Isoliertransformer Auxiliary Equipment oder EUT2 EUT1 Erdungspunkt von EUT 2 Zur Referentmasse. Bezugserde der Hochspannungsquelle, dieser ist als Rückleiter an die Bezugserde anzuschließen. 32

> IEC 61000-4-5 TEST SETUP Regeln für die Anwendung von Surgeimpulsen auf geschirmte Leitungen a) Schirm an beiden Enden geerdet: Die Prüfung muss entsprechend Bild 12 durchgeführt werden. Der Prüfpegel muss mit einer Quellenimpedanz des Generators von 2Ω und mit der 18µF Kapazität auf Schirme angewendet werden. b) Schirm an einem Ende geerdet: Die Prüfung muss entsprechend 7.4 oder 7.5 durchgeführt werden (siehe Bild 4), da der Schirm keinerlei Schutz gegen Stoßwellen, die durch magnetische Felder induziert werden, bietet. Bild 12 Bei Prüflingen, die kein metallisches Gehäuse besitzen, wird die Stoßwelle direkt auf das geschirmte Kabel auf der Prüflingsseite angewendet. Gemäß IEC61000-4-5 Ed. 3 CD: Die Prüfung ist wie auf ungeschirmte asymmetrische I/O Leitungen durchzuführen. Bild 4 33

> CDN für High Speed Datenleitungen Surge Prüfung auf High Speed Datenleitungen Die Kopplung erfolgt auf ein CDN gemäß Figur 11 der IEC 61000-4-5 Ed. 3 :2014 Änderungen der Ed 3 :2014 AE Port max. 40V EUT Figur 11 CNI 508N2 Koppel/Entkoppelnetzwerk 34

> CDN für High Speed Datenleitungen Konzept des CNI 508N2 Systems Das CNI 508N2 System ist in der Lage Surge-Impulse wahlweise auf die Leitungen oder den Kabelschirm zu koppeln. Kopplung auf Leitungen Kopplung auf den Schirm AE EUT AE EUT SPN 508N1 CNI 508N2 SPN 508N1 CNI 508N2 SPN 508N1: Zusätzlicher Überspannungsschutz mit galvanischer Trennung. Spannung am AE Port max.10v 35

> CDN für High Speed Datenleitungen Kopplung auf schnelle symmetrische I/O Leitungen Beispiel für die Kopplung gem. Figur 11 der IEC 61000-4-5 Ed. 3 :2014 Kopplung auf ungeschirmte Leitungen Kopplung auf den Schirm mit AE Schutz mit SPN 508N1 36

> Weitere Normen mit Surge Impulse Weitere Normen Prüfen mit Impulsen, die auf dem Surge Phänomen abgeleitet werden. Insbesondere die Telecom Standards verwenden weitere Impulse, die aus Messungen im Feld abgeleitet wurden. Normen die Surgeimpulse enthalten (Auszug) IEC 60060-1:2010 High-voltage test techniques - Part 1: General definitions and test requirements IEEE Std C62.41.2 IEEE Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-Voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits UL 1449 Standard for Surge Protective Devices GR-1089-CORE Electromagnetic Compatibility and Electrical Safety - Generic Criteria for Network Telecommunications Equipment ITU-T K.44 Resistibility tests for telecommunication equipment exposed to overvoltages and overcurrents Basic Recommendation Impuls Voltage 1.2/50us 1.2/50us 200/2500us 10/360us 10/250us 10/1000us 10/700us 2/10us not defined Current 8/20us 1.2/50us 10/360us 10/250us 10/1000us 5(4)/310 2/10us 8/20us Norm CWG Blitzstoss Schaltstoss Telecom Telecom Telecom Telecom Telecom Komponenten IEC 61000-4-5 x x IEC 60060-1 x x ANSI C62.41 x UL 1449 x ITU-T K.44 x x x x x GR-1089 x x x x x x x 38

> Surge Impulse ANSI-IEEE C62.41 ANSI unterscheidet die Surge Kopplungen in folgenden Kategorien ANSI A Kopplung Kopplung mit 12 Ω und 9 µf ANSI B Kopplung Kopplung mit 2 Ω und 18 µf ANSI C Kopplung SPD Prüfung (Surge Protection Devices) 39

> Definition der Pulsformen, für Telekommunikation Annex A: Die Definitionen der Telecom Pulse wurde in den Annex A verschoben. Die Pulsformen sind unverändert. Tabelle A.1 Definition der Pulsparameter 10/700 µs 5/320 µs Quellenimpedanz = 40 Ohm Pulsform Leerlaufspannung (10/700 µs) Tabelle A.2 Relationen zwischen Peak Leerlaufspannung und Peak Kurzschlussstrom Pulsform Kurzschlussstrom (5/320 µs) 40

> Surge Impulse ANSI-IEEE C62.41 Der Surge Impuls bei ANSI wird gemäss IEC 61000-4-5 Ed 2 ausgewertet Open-circuit voltage waveform - Frontzeit: 1.2 µs - Impulsdauer: 50 µs Die Frontzeit ist definiert gem. (IEC 60060-2:1994 [B12]; IEEE Std 4-1995 [B21]) als 1.67 (t90 - t30) wobei t90 und t30 die Zeiten der 90% und 30% Punkte der ansteigenden Impulsform sind. Die Laufzeit ist die Zeit zwischen virtuellen Startpunkt und der 50% Amplituden Punkt auf dem Rücken. Der virtuelle Startpunkt ist der Punkt, Schnittpunkt mit der 0V linie mit der gerade Linie zwischen den 30% und 90% Punkten auf der ansteigenden Impulsform. Short-circuit current waveform - Frontzeit: 8 µs - Impulsdauer: 20 µs Die Frontzeit ist definiert gem. (IEC 60060-2:1994 [B12]; IEEE Std 4-1995 [B21]) als 1.25 (t90 - t10) wobei t90 und t10 die Zeiten der 90% und 10% Punkte der ansteigenden Impulsform sind. 41

> Surge Impulse UL 1449 UL verwendet einen Combination Wave Generator Pulsauswertung: 42

> Surge Impulse Telcordia GR-1089-CORE (Bellcore) Der GR-1089 Telecom Standard beschreibt im Detail die verschiedenen Prüfungen mit einer Vielzahl von Surge Impulsen vor. Die Tabelle A-1 gibt eine Übersicht über die Verifikation der verschiedenen Surge Impulse. Auswertung von Doppel Exponentiellen Impulsformen Figur A-1 und A-2 43

> Surge Impulse Telcordia GR-1089-CORE (Bellcore) Der GR-1089 Übersicht in Tabelle 4-2 ( 7 Seiten) über die einzelnen Prüfanforderungen mit der Referenz zur Püfbeschreibung. 44

> Surge Impulse ITU-T K44 ITU definiert die Komponenten der einzelnen Generatoren Generatoren gemäss: IEC 61000-4-5 Generatoren für weitere Telecom impulse: 45

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 46