Elektromagnetische Verträglichkeit

Die vorbeugende Berücksichtigung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ist für den ungestörten Betrieb von elektrischen und elektronischen Geräten, Systemen und Anlagen zu einer Notwendigkeit geworden.

Die EMV-gerechte Entwicklung und Konstruktion von Geräten erfordert ein gewisses Maß an EMV-spezifischen, technischen, ökonomischen und organisatorischen Grundkenntnissen. Das mit der Entwicklung befaßte Fachpersonal wird mit der Lösung einer Reihe objektunabhängiger, immer wiederkehrender spezieller EMV-Probleme konfrontiert. Diese EMV-Problematik ist bei aller Gleichheit und Übereinstimmung in grundsätzlichen Dingen in den verschiedenen Geräten durch bestimmte Besonderheiten gekennzeichnet.

Die EMV auf der Geräteebene kann nur bedingt losgelöst von der EMV des Systems betrachtet werden. Ist die EMV des Geräts gegeben, funktioniert also ein Gerät im Labor unter definierten Bedingungen, so ist noch seine Verträglichkeit zur Umwelt hin zu überprüfen. Die elektromagnetische Umwelt, also die Systembedingungen legen die Anforderungen an die Geräteschnittstellen fest. Dabei kann das Gehäuse und die Verkabelung als die Schnittstelle für strahlungsgebundene Größen betrachtet werden.

Bei den hier zur Diskussion stehenden Störungen geht es insbesondere um transiente Vorgänge mit Amplituden, die in der Regel deutlich höher als die der Nutzsignale liegen. Unter einem transienten Vorgang soll ganz allgemein ein nichtperiodischer Vorgang verstanden werden, der nicht unbedingt unipolar, sondern ebenfalls bipolar, z. B. in Form einer abklingenden Schwingung, verlaufen kann. Zu erwähnen sind in diesem Zusammenhang auch Impulspakete, die sog. „bursts“, die nicht immer periodisch wiederkehren. Von Interesse sind unter Berücksichtigung der anzuwendenden Schutzmaßnahmen die auf Leitungen eingekoppelten Störspannungen bzw. Störströme. Die Quellen transienter Störfelder und der dadurch auf Leitungen und elektrisch leitenden Strukturen hervorgerufenen transienten Störströme sind sehr vielfältig.

Die Zeit ist lange vorbei, in der der erfahrene HF-Ingenieur die auftretenden Hochfrequenzstörungen allein durch Intuition lind aufgrund seines Erfahrungsschatzes beseitigen konnte. Auch ist das Prinzip der nachträglichen Störbeseitigung dem Prinzip der präventiven EMV-Planung gewichen. Für seine Arbeit benötigt der EMV-Ingenieur heule neben einem umfangreichen und teuren Meßgerätepark mit Empfängern und Leistungssendern für den Frequenzbereich von 0 Hz bis zu mehreren GHz und mit Geräten für die Erzeugung und Messung steilflanlüger Impulse über einen großen Amplitudenbereich eine wohlsortierte Programmbibliothek zur schnellen und sicheren Analyse vermeintlicher und tatsächlicher Beeinflussungen, mit Programmen für die Berechnung elektromagnetischer Felder, zur Berechnung von Kopplungen in und zwischen Kabeln und Leitungen und für die Netzwerkanalyse im Frequenz- und im Zeitbereich [1].

Wie im vorhergehenden Abschnitt dargestellt wurde, ist die Momentenmethode [1, 2] aufgrund verschiedener Kriterien ein für die EMV-Analyse bevorzugtes Verfahren, das in einem weiten Frequenzbereich eingesetzt werden kann. Mit den folgenden Ausführungen sollen die mathematisch-physikalischen Grundlagen und das Prinzip des Verfahrens für periodische und transiente Vorgänge gezeigt sowie wichtige Hinweise zur Modellierung der zu untersuchenden Strukturen gegeben werden. Es wurde versucht, die Ableitung und Erklärung des Verfahrens so darzustellen, daß auch ein mit der Materie nicht vertrauter Ingenieur das Prinzip erfassen und erste Schritte zur Nutzung der Momentenmethode vollziehen kann.

Aufbauend auf den Herleitungen und Betrachtungen des Abschnitts 2.2 sollen jetzt Beipielkonfigurationen numerisch analysiert werden. Erfahrungsgemäß liegt für den potentiellen Nutzer eines Rechenprogramms zwischen dem Verständnis der theoretischen Grundlagen und der praktischen Anwendung noch eine Kluft, die es zu überwinden gilt. Auch wenn die abgeleiteten Integralgleichungen die elektromagnetische Strahlungskopplung in beliebigen metallischen Strukturen beschreiben, die zudem beliebig angeregt sein können, ergeben sich schon wegen der weiteren mathematischen und programmtechnischen Behandlung bestimmte Grenzen, die für die unterschiedlichen Programme auch verschieden ausfallen können.

Mit den Methoden zur Erdung und Massung sollen geeignete Bezugspotcntiale in Baugruppen, Geräten und Anlagen geschaffen werden. Damit können störende Auswirkungen von unerwünschten Spannungen und Strömen vermieden oder zumindest begrenzt werden. Die Maßnahmen zur Erdung betreffen die Sicherheit, die Maßnahmen zur Massung betreffen die Funktion und sind dementsprechend zu unterscheiden (Bild 3.1-1). Auch die Unterschiede im Sprachgebrauch sind zu beachten.

Wichtige Maßnahmen zur Sicherstellung der EMV sind u. a. Schirmung und Filterung. Beide Maßnahmen sind in unmittelbarem Zusammenhang miteinander zu sehen. Denn die in einem geschirmten Raum oder Gehäuse befindlichen Komponenten haben i. a. eine Verbindung zum Raum außerhalb des Schirms, und eine Schirmung als alleinige Maßnahme reicht dann nicht aus, sondern alle durch die Schirmwand hindurchgehenden elektrischen Leitungen müssen über Filter geführt werden. Der folgende Abschnitt bezieht sich auf räumliche Entkopplung und Schirmung, während die Filterung im anschließenden Kapitel 3.3 behandelt wird.

Kabelauswahl und Verlegung sowie ggf. die zusätzliche Anbringung von Entstörfiltern sind wichtige Bausteine auf dem Weg zur Realisation zuverlässig arbeitender Elektroniksysteme.

In diesem Abschnitt geht es um Schutzmaßnahmen gegen transiente Störungen, wobei hier Schutzmaßnahmen gegen leitungsgefuhrte transiente Störungen, d. h. Schutzschaltungen im Vordergrund stehen sollen.

Beim Einsatz elektronischer Geräte und Anlagen in der Automatisierungstechnik treten in vielfältiger Weise Probleme sowohl der geräteinternen EMV als auch der EMV von Geräten in und mit ihrer jeweiligen Umwelt am Einsatzort auf.

In der Informationstechnik liegt das Aufgabengebiet der EMV schwerpunktmäßig bei der physikalischen Übertragung der Information, d.h bei der Realisierung geeigneter Signalschnittstellen und Übertragungsverfahren sowie bei der Auswahl und EMV-gerechten Handhabung geeigneter Übertragungsmedien (Leitungen, Kabel, Schirmung, Verlegung). Dies gilt sowohl für Punkt-zu-Punkt-Datenübertragung über größere Entfernungen als auch in besonderem Maße für lokale Daten-Netze und Daten-Busse. EMV-relevant sind hier im wesentlichen die Schichten 0 und 1 im ISO-Modell (Medium, Physical Layer).

Unsere für den Netzbetrieb vorgesehenen elektrischen Geräte bzw. Betriebsmittel werden — zumindest schulmäßig — konzipiert für den Betrieb an einem idealen 230/400V-(220/380V)-Energieversorgungsnetz. Real ist dieses Energieversorgungsnetz aber keineswegs ideal. Es besitzt weder den Innenwiderstand bzw. die Netzimpedanz Z_N=0 noch einen echten zeitlich sinusförmigen Verlauf der Spannung.

Die Behandlung der EMV in der Kfz-Technik in einem speziellen Kapitel ergibt sich aus der besonderen Problematik für diesen Bereich. Die besondere Problematik ist dabei in mehrerlei Hinsicht gegeben.

In diesem Überblickskapitel sollen in einer Wiederholung der zur Diskussion stehende Frequenzbereich und die typischen Ausbreitungswege elektromagnetischer Signale mit den zugehörigen EMV-Meßverfahren näher dargestellt werden. Die zu erfassenden Störsignale werden auf ihre Eigenschaften hin untersucht und klassifiziert.

Bei der Betrachtung der EMV-Meßtechnik der „Störaussendungen“ muß man sich darüber im klaren sein, daß es sich bei den zu messenden Größen nicht um Nutzsignale handelt, sondern um störende Nebenpegel, d.h. Störpegel, die eigentlich nicht vorhanden sein sollten.

Störfestigkeitsmessungen dienen dazu, den Nachweis zu erbringen, daß „eine elektrische Einrichtung bestimmte Störgrößen ohne Fehlfunktion ertragen“ kann [1], [2]. Da die Umweltbedingungen für die zu prüfende elektrische Einrichtung (im allgemeinen ein elektronisches Gerät oder System), zum Zeitpunkt der Prüfung La. nicht vorhanden sind, muß die Störfestigkeitsmessung diese Verhältnisse so gut wie möglich simulieren.

Basierend auf der Notwendigkeit, Regeln für das ungestörte Zusammenspiel elektrischer und elektronischer Einrichtungen verschiedenster Hersteller außerhalb der funktionellen Schnittstellenbeschreibungen aufzustelllen, entstanden und entstehen in den unterschiedlichsten Gremien Normen und Vorschriften zur Sicherstellung der Elektromagnetischen Verträglichkeit. In Teilbereichen der EMV, wie z. B. der Funk-Entstörung, liegen bewährte, in jahrzehntelanger Anwendung erprobte Normen vor. Die Normungsaktivitäten zu der gesamten Querschnittsaufgabe EMV sind national und international meist jüngeren Datums, wobei in den letzten Jahren ein Trend von der Grundsatznorm hin zur produktspezifischen Norm verstärkt zu erkennen ist. Dies führte zu einer Vielzahl sich oft nur im Detail unterscheidender Normen, die selbst dem erfahrenen EMV-Ingenieur den Überblick und die Anwendung erschweren. Eine weitere Koordination der EMV-Normungstätigkeit ist sowohl national als auch international geboten. Vielleicht gelingt diese anspruchsvolle Aufgabe dem TC 110 der CENELEC, das zur normativen Umsetzung der EMV-Rahmen-Richtlinie [1] der EG gegründet wurde. Mit dem Erlaß dieser Richtlinie wurde die EMV zum Schutzziel deklariert, dem jede elektrische und elektronische Einrichtung genügen muß. Diese EMV-Rahmenrichtlinie ist wie jede EG-Richtlinie in den Mitgliedsstaaten in nationales Recht umzusetzen. In der Bundesrepublik Deutschland erfolgt diese Umsetzung mittels des EMV-Gesetzes.

In der Bundesrepublik liegt der Schwerpunkt der EMV-Normung für zivile Anwendung im K 767 (K 760 alt) der Deutschen Elektrotechnischen Kommission im DIN und VDE (DKE). EMV-Normen für militärische Anwendung entstehen in Form der Verteidigungsgerätenormen (VG) in der Verantwortung der Normenstelle Elektrotechnik (NE), der Normenstelle Marine (NM) und der Normenstelle Luftfahrt (NL) im DIN. Aber auch Interessenverbände wie z. B. NAMUR, VDMA usw. arbeiten entsprechende Papiere aus. In der nationalen Normung anderer Staaten ist vor allem die MIL-STD 461 als die klassische EMV-Norm zu nennen.

Jeder Hersteller, jeder Betreiber wird von der Querschnittsthematik EMV gefordert. Folgerichtig beschäftigen sich die unterschiedlichsten Interessengruppen mit der EMV und den Normen bzw. Richtlinien zur Sicherstellung der Elektromagnetischen Verträglichkeit Daraus resultieren, vergleichbar mit den nationalen Gegebenheiten, auch internationale Aktivitäten in den verschiedensten Organisationen mit allgemeinen Aufgaben wie der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und den internationalen Organisationen mit Spezialaufgaben unterschiedlichster privater, staatlicher oder halbstaatlicher Träger.

Zur Vermeidung von Handelshemmnissen innerhalb der Europäischen Gemein schaft (EG) liegt die „Richtlinie des Rates vom 3. Mai 1989 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten über die Elektromagnetische Verträglichkeit“ [1] vor. Mit dem Erlaß dieser Richtlinie am 3. Mai 1989 wurde die Elektromagnetísche Verträglichkeit zum Schutzziel deklariert, dem jedes elektrische und elektronische Gerät genügen muß, wenn es ab 1.1.1992 innerhalb der EG in Verkehr gebracht wird oder in Betrieb genommen werden soll. Eine Übergangsfrist bis 31.12.1995 wurde später zugestanden [2]. Entsprechend der neuen Konzeption enthält diese Richtlinie keine technischen Details, sondern nennt globale Schutzziele, die unter der Anwendung von Europa-Normen (EN) zu erreichen sind. Mit dem Entwurf dieser Richtlinie erging von der EG-Komission ein Mandat an CENELEC mit dem Auftrag, die zum Erreichen der Ziele erforderliche Normung rechtzeitig auszuarbeiten. Basierend auf diesem Hintergrund wurde Anfang 1989 das Technische Komitee TC 110 der CENELEC, dem Europäischen Komitee für elektrotechnische Normung, gegründet. Dessen Aufgabe ist es, nun den Richtlinieninhalt mit technischem Leben zu erfüllen. Dabei wäre es optimal, wenn mit dem Inkrafttreten der Richtlinie alle Normen vorhanden wären. Im Bereich der Informationstechnik wurde dazu als Instrument zur schnelleren Vorlage einer erforderlichen Norm die Europäische Vornorm ENV geschaffen, die in einem vereinfachten, schnelleren Verfahren ausgearbeitet werden kann, allerdings auch eine deutliche Einschränkung der Mitwirkungsmöglichkeiten der nationalen Komitees zur Folge hat.

Wie bereits erwähnt, wurde zur normativen Umsetzung der EG-Rahmenrichtlinie das TC 110 der CENELEC gegründet. Der Vollständigkeit halber sei auch hier die Struktur des TC 110 erläutert. Bild 6-8 zeigt die Aufteilung des TC 110 in 3 Arbeitskreise (Working Groups, WG) und in das SC 110 A sowie deren Aufgaben. Die Aufgabe der WG 1 besteht in der Formulierung von sogenannten „Generic Standards“. In der WG 2 arbeiten zur Zeit drei Projektgruppen (Task Forces) an den im Bild 6–8 gezeigten Themen. Die WG 3 bearbeitet das klassische Beeinflussungsthema, die Beeinflussung von Telekommunikationseinrichtungen durch energietechnische Einrichtungen.

In den vorangegangenen Kapiteln wurde die Vielfalt der EMV-Normung angedeutet. Danach sind die unterschiedlichsten Sortierkriterien vorstellbar.