Elektromagnetische Verträglichkeit

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist der moderne Oberbegriff für eine seit den Anfängen der Elektrotechnik bestehende, seither ständig gewachsene Problematik. Bereits bei den ersten Rundfunksendern ergab sich die Notwendigkeit der Absprache, wer wann auf welchen Frequenzen mit welcher Sendeleistung senden durfte. Ferner erforderte der ungestörte Empfang der Rundfunksendungen, dass andere elektrische Verbraucher nicht unkontrolliert Hochfrequenzenergie aussenden und möglicherweise Funkstörungen verursachen durften. Mit dem Aufkommen der Elektronik und Mikroelektronik nahm die Zahl elektromagnetischer Beeinflussungen (EMB) verursachender Geräte und Systeme sprunghaft zu, ebenso die Zahl auf solche reagierende Geräte und Systeme. Dies führte schließlich für alle elektrischen und elektronischen Einrichtungen zur Festlegung von Grenzwerten bezüglich Emission und Immunität.

Quellen elektromagnetischer Beeinflussungen können natürlichen Ursprungs (Atmosphäre, Kosmos, Wärmerauschen etc.) oder „man made“ sein. Erstere müssen wir als naturgegeben hinnehmen, letztere lassen sich durch disziplinierte Nutzung des elektromagnetischen Spektrums und lokale Eingrenzung unbeabsichtigt erzeugter elektromagnetischer Energie erträglich (verträglich) machen.

Im Folgenden werden die bereits im Abschnitt 1.3 vorgestellten grundsätzlichen Übertragungswege elektromagnetischer Beeinflussungen ausführlicher betrachtet. Darüber hinaus wird gezeigt, wie sich diese Übertragungswege mathematisch beschreiben lassen, was letztlich, zusammen mit der Methodik der Abschnitte 1.6.1 bis 1.6.3, eine Quantifizierung der am Empfangsort zu erwartenden Störgrößen ermöglicht.

Filter, Überspannungsableiter und andere Entstörkomponenten werden sowohl unmittelbar an der Störquelle zur Verringerung von Emissionen, z. B. Entstörfilter, als auch unmittelbar vor einem Empfänger zur Unterdrückung von Immissionen, z. B. Störschutzfilter, angeordnet. Da den Komponenten meist nicht anzusehen ist, ob sie der Entstörung oder dem Störschutz dienen sollen, wird im Folgenden einheitlich von Entstörkomponenten gesprochen, was sowohl für Störquellen wie für Störsenken sinnfällig interpretierbar ist. Schirme sind ebenfalls passive Entstörkomponenten. Ihrer großen Bedeutung wegen werden sie jedoch in eigenen Kapiteln behandelt (s. kap. 5 und 6).

Im Kontext der elektromagnetischen Verträglichkeit geht es im Wesentlichen um die Schirmung elektrischer Felder und magnetischer Felder durch geeignete elektromagnetische Schirme. Die Wirkungsweise dieser Schirme ist nicht vergleichbar mit dem Schirmungsprinzip, das beispielsweise einem Regenschirm zum Erfolg verhilft. Vielmehr dringen elektromagnetische Felder in einen Schirm ein und influenzieren dort Ladungen oder induzieren Ströme, deren elektrische bzw. magnetischen Felder sich dem jeweils initiierenden Feld überlagern und dieses damit teilweise kompensieren. Dabei ist zunächst unerheblich, ob die zu kompensierenden Felder ihre Ursache innerhalb oder außerhalb einer Schirmhülle haben, Bild 5.1.

Die analytische Berechnung der Schirmwirkung elektromagnetischer Schirme verlangt das Lösen der Maxwellschen Gleichungen für die Gebiete innerhalb und außerhalb eines Schirms sowie in der Schirmwand selbst. Als Lösungen erhält man die Größen E _i , E _a und H _i , H _a, die zueinander in Beziehung gesetzt auf den Schirmfaktor bzw. die Schirmdämpfung führen. Diese Vorgehensweise ermöglicht ein über die bekannten Faustformeln hinausgehendes tieferes Verständnis der Wirkungsweise elektromagnetischer Schirme und macht die individuelle Wirkung eines Schirms einer genauen quantitativen Erfassung zugänglich. Die Methode ist jedoch mathematisch sehr anspruchsvoll und hat deswegen in der Vergangenheit noch nicht die gewünschte Verbreitung gefunden. Das Problem bei der analytischen Schirmberechnung beruht im Wesentlichen auf Schirminhomogenitäten wie Öffnungen, Dichtungen, Durchführungen, etc. Außerdem wird bei komplexeren Geometrien, die von einfachen Zylindern, Kugeln oder Quadern abweichen, die Lösung der notwendigen Gleichungssysteme zu aufwendig. Man bedient sich hier numerischen Verfahren auf die hier in diesem Kapitel jedoch nicht eingegangen werden soll.

Emissionsmessungen identifizieren und quantifizieren die von Sendern bzw. Störquellen in die Umwelt abgegebene elektromagnetische Energie und erlauben den Nachweis der Einhaltung in Vorschriften festgelegter Grenzwerte für Funkstörungen. Im übergeordneten Sinne dienen sie allgemein dem Schutz der Resource Elektromagnetisches Spektrum.

Immunitäts- bzw. Störfestigkeitsprüfungen dienen der Ermittlung der Widerstandsfähigkeit elektronischer Geräte gegen die an ihrem Einsatzort zu erwartenden Störgrößen. Letztere kennt man entweder aus Betriebserfahrungen der Vergangenheit oder aufgrund speziell durchgeführter Emissionsmessungen am Einsatzort (s. a. kap. 2). Die Störpegel unterschiedlicher Umgebungen lassen sich grob verschiedenen Umgebungsklassen zuordnen, die ihrerseits eine bestimmte Prüfschärfe (engl.: test severity) nahe legen [8.1–8.3]. Eine bestandene Störfestigkeitsprüfung mit repräsentativen Störgrößen garantiert nicht, dass ein Gerät absolut störfest ist (z. B. im Extremfall eines direkten Blitzeinschlags). Sie erlaubt jedoch in vielen Fällen die Schlussfolgerung, dass das Gerät mit einer Wahrscheinlichkeit verfügbar sein wird, die komplementär ist zur Wahrscheinlichkeit des Auftretens beliebiger Störgrößen, die oberhalb der beim Test als repräsentativ eingestuften Prüfspannungen und -ströme bzw. der zugehörigen Felder liegen. Während für Emissionsmessungen bezüglich Durchführung und einzuhaltender Funkstörgrenzwerte seit Langem umfangreiche und genaue Vorschriften zur Verfügung stehen, werden Störfestigkeitsprüfungen häufig auch nach internen Hersteller- oder Anwenderrichtlinien durchgeführt. Wesentlich ist, dass Hersteller und Anwender sich rechtzeitig auf die gleichen repräsentativen Störgrößen, insbesondere auch über den Innenwiderstand der sie erzeugenden Testgeneratoren, einigen (falls diese nicht bereits durch Normen vorgegeben sind). Entspricht ein Gerät bezüglich seiner Störfestigkeit in Spezifikation und Normen festgelegten Beanspruchungen und fällt das Gerät beim Anwender trotzdem aus, obliegt es dem Anwender, seine Störumgebung durch separate Maßnahmen unter den Pegel der Prüfstörgrößen abzusenken. Wegen der sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Störfestigkeit von Automatisierungssystemen, KFZ-Elektronik etc. kann das vorliegende Kapitel verständlicherweise nur die essentiellen elektrotechnischen Grundlagen der verwendeten Verfahren und Geräte behandeln. Im konkreten Einzelfall sind die jeweils geltenden Vorschriften zu Rate zu ziehen (soweit existent).

Dem einführenden Charakter dieses Buches Rechnung tragend, werden nachstehend noch einige EMV-Probleme von allgemeinerem Interesse näher betrachtet. Leser, die ihr aktuelles Problem in dieser Auswahl vermissen, werden auf die grundsätzlichen Betrachtungen in den vorstehenden Kapiteln und das zugehörige umfangreiche Literaturverzeichnis im Anhang verwiesen.

Auf Leiterplatten und in integrierten Schaltkreisen (IC’s) treten grundsätzlich die gleichen EMV-Phänomene auf wie in verteilten Systemen, deren Komponenten durch fliegende Verdrahtung untereinander verbunden sind. Es gelten daher nicht nur die gleichen Koppelmechanismen, sondern auch die bereits in kap. 3 für verteilte Systeme beschriebenen Gegenmaßnahmen. Entscheidend ist, dass der Entwickler selbst vorab „erahnt“, wo Koppelpfade entstehen können, und die zugehörigen, in keiner Stückliste aufgeführten parasitären Koppelimpedanzen, wie Streukapazitäten und Streuinduktivitäten, ihrer Größe nach abzuschätzen vermag. Sinngemäß lässt sich für Baugruppen auch eine Unterscheidung in Intrasystem- und Intersystem-Beeinflussung treffen.

Aufgrund der ubiquitären Präsenz der EMV-Problematik in allen Gebieten der Elektrotechnik und ihren zahllosen Anwendungen in anderen Branchen haben sich in der Vergangenheit die verschiedensten Gremien mit EMVNormungsaktivitäten befasst. Diese Vielfalt, verbunden mit der generellen Komplexität der EMV-Thematik und den europäischen Harmonisierungsbestrebungen, lässt das Vorschriftenwesen sehr heterogen erscheinen. Um den Einstieg in diesen Problemkreis zu erleichtern, werden im Folgenden die Grundzüge und der heutige Stand der EMV-Normung näher erläutert.