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2021 | Book

Grundlagen zur Messtechnik und Wellenausbreitung Read chapter Read first chapter

Elektromagnetische Verträglichkeit in der Praxis

Design-Analyse - Interpretation der Normen - Bewertung der Prüfergebnisse

Author: Dieter Stotz

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Dieser Praxis-Ratgeber vermittelt dem Leser ein intuitives Gespür für die elektromagnetisch verträgliche Produktentwicklung. Im Zentrum der Betrachtung liegt die Praxis: Analyse von Verträglichkeitsproblemen, Beseitigung und Vermeidung. Der Autor stellt die Grundlagen der elektromagnetischen Verträglichkeit einfach und verständlich dar und entwickelt klare Bewertungskriterien für Testmessungen und Analysen. Im Detail wird dargelegt, welche Schritte beim Entwurf zu beachten sind, wie sich externe Störungen fortpflanzen und wie man die Auswirkungen verhindern kann. Der Autor behandelt auch die Messung und Bewertung von EMV-Störungen auf mehreren Ebenen: Entwicklungsbegleitend (Prototypen-Test), mit genormten Mitteln und im akkreditierten Testhaus. Berücksichtigung findet auch die seit 2016 erforderliche Risikoanalyse und –bewertung, die der Hersteller für jedes Gerät bereithalten muss. Welchen Sinn hat diese und wie hat sie auszusehen? Solche Fragen beantwortet das vorliegende Buch. Diverse reale Praxisfälle runden den lehrreichen Inhalt ab.

Table of Contents

Frontmatter

Grundlagen und Festlegungen

Frontmatter
1. Grundlagen zur Messtechnik und Wellenausbreitung
Zusammenfassung
Im EMV-Bereich gehört Messtechnik zum unverzichtbaren Werkzeug bei der Arbeit mit den zu untersuchenden Geräten oder Komponenten. Ein Schwerpunkt bildet dabei das Messen und Bewerten von Pegeln. Deshalb liegt dort auch das Augenmerk bei den nachfolgenden Ausführungen. Gemeinsam mit den theoretischen Festlegungen sind ein paar Beispielrechnungen eine Einführung in die praktische Messtechnik.
Die Wellenausbreitung ist ein weiterer grundlegender Bereich. Alle theoretischen Grundlagen können wir hier jedoch nicht darlegen, lediglich solche zum Verständnis der Zusammenhänge im EMV-Bereich. Gerade für Einstrahlung und Abstrahlung sind Strukturen vorausgesetzt, die die Ursachen in einem klareren Licht erscheinen lassen können.
Da es in diesem Kapitel um allgemeine Fragen der Messung geht, ist ein kleiner Bereich dem Umgang mit Messmitteln gewidmet. Hier im Grundlagenkapitel sind diese Hilfestellungen ganz gut platziert, denn sie bilden das Bindeglied zu den Detailmessungen in den folgenden Kapiteln, die durch Handhabungstipps nicht allzu sehr gestört werden sollten.
Dieter Stotz
2. Arten der Störfestigkeit
Zusammenfassung
Störfestigkeit wird nach verschiedenen Kriterien beurteilt. Kurze, durch Schaltfunken hervorgerufene, multiple Spannungsspitzen zeigen häufig eine breite, aber unspezifische Frequenzverteilung. Dagegen wirken sich Geräte mit Übertragungsfunktion mehr mit diskretem spektralen Aufbau aus, dafür sind diese Einflüsse häufig von dauerhafter Natur.
Neben elektromagnetischen Störungen sind auch statische Größen von Bedeutung, beispielsweise elektrostatische Entladung, starke Magnetfelder oder Stoßspannung und Stoßstrom.
Alle Störeffekte haben unterschiedliche Entstehungsursachen und Charakteristik. Dieses Kapitel beleuchtet die Prinzipien und Zusammenhänge, jedoch keine Grenzwerte und standardisierte Messanordnungen, welche in späteren Kapiteln genauer betrachtet werden.
Dieter Stotz
3. Arten der Störaussendung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beleuchtet in einem groben Überblick, mit welchen Erscheinungen als Störaussendung von Prüflingen zu rechnen ist. In weiteren Kapiteln kommt im Detail zur Sprache, wie diese genormt zu messen sind und wie auch eine Vermeidung bzw. Reduzierung der Störgrößen zu realisieren ist.
Ganz ähnlich wie bei den Arten der Störfestigkeit sind Störgrößen in ihrer Richtung auch umkehrbar, d. h. sie werden im Prüfling erzeugt und gelangen nach draußen und ins Umfeld anderer Geräte, die dann ihrerseits mit Störerscheinungen reagieren.
Dabei werden insbesondere leitungsgeführte Störspannungen und HF-Felder unter Augenschein genommen. Dagegen bleiben Stoßspannungen, ESD und Burst außen vor, da diese teilweise nicht dort entstehen oder aber über die beiden oben genannten Prüfungen erfasst werden.
Dieter Stotz
4. Messungen zur Prüfung der Störfestigkeit
Zusammenfassung
Zur Beurteilung der Störfestigkeit einer Anordnung oder eines Gerätes müssen Messaufbau und Störgrößen möglichst exakt und reproduzierbar normativen Vorgaben entsprechen. Nur so ist gewährleistet, dass Grenzwerte auch tatsächlich eingehalten werden. Manche Normen lassen gewisse „Spielräume“, diese sollten jedoch zur Feststellung der relevanten Störfestigkeit eine untergeordnete Rolle spielen.
Die geltenden Grenzwerte richten sich nach dem anzuwendenden Schärfegrad. Üblich sind hier Industriebereich und Wohnungsbereich . Da im Industriebereich schwerere „Störer“ zu vermuten sind, muss der Proband folgerichtig dort auch höhere Störpegel vertragen. Wir werden im Kap. 8 die unterschiedlichen Schärfegrade und die daraus resultierenden Grenzwerte etwas genauer betrachten.
Dieter Stotz
5. Messungen zur Prüfung der Störaussendung
Zusammenfassung
Das Kapitel zeigt die grundlegenden Regeln für normgerechte Messaufbauten der Störaussendung und gibt Tipps zur Vermeidung von Messfehlern und zur Aufbereitung und Interpretation von Messdaten. Für die Abstrahlung ist für gewöhnlich eine Prognose besser möglich als für die Störfestigkeit – zumindest was die relevanten Frequenzen angeht. Falls ein interner Generator ein Nutz- oder Pilotsignal generiert, beschleunigt dies eine Vorabmessung, die bereits eine Aussage darüber liefern kann, ob Grenzwerte einzuhalten sind.
Unterteilung erfährt dieses Kapitel zwangsläufig durch die Tatsache, dass die Messung von Signalen unter 30 MHz leitungsgebunden und darüber als Feldstrahlung vonstattengeht. Bei der Messung des HF-Feldes ist wiederum eine Absorberhalle oder ein Freifeld nötig, sodass derartige Messungen meist nur durch Testhäuser erledigt werden können.
Bei Überschreiten der Grenzwerte haben wir im zweiten Teil des Buches zielführende Maßnahmen ausgearbeitet, die meist gut und günstig durchzuführen sind.
Dieter Stotz
6. Messungen im Testhaus
Zusammenfassung
Nicht jeder traut sich zu, selbst EMV-Messungen durchzuführen, die als Grundlage für eine Konformitätserklärung hinreichend sind und nicht jeder besitzt das relevante Equipment dazu. Es kommt auch vor, dass der Endverbraucher oder Auftraggeber von seiner Entwicklungsfirma einen EMV-Bericht eines akkreditierten Instituts verlangt. In diesen Fällen ist man auf ein externes Testhaus angewiesen. Welche Dinge dabei zu beachten sind, damit die Dienstleistung in einem überschaubaren Rahmen bleibt, sind Inhalt dieses Kapitels.
Dieter Stotz
7. Dokumentation
Zusammenfassung
Detaillierte und dennoch kompakte Darstellung aller Daten, die man im Vorfeld, während der Tests, aber auch in der Auswertephase gewinnt, ist das Ziel dieses Kapitels.
Die Test-Dokumentation ist keineswegs nur Nachweis darüber, alles richtig gemacht zu haben, sondern sie bietet u. a. die Vergleichsmöglichkeit mit früheren Tests. Daneben kann sie Aufschluss geben darüber, wie in Zukunft bei anderen Geräten zu verfahren ist. Die Kriterien, die in den Schriftstücken auftauchen, können sich mit der Zeit erweitern, andere können auch gelöscht werden. Es kann auch vorkommen, dass manche Tests oder besondere Bedingungen nicht impliziert wurden – das kann jederzeit ein weiterer Test ergänzend abdecken.
Seit April 2016 ist die Erstellung einer Risikoanalyse Pflicht für den Hersteller. Was diese beinhalten sollte, ist Thema eines eigenen Unterkapitels.
Nicht zuletzt verlangt auch die ISO-Zertifizierung eine klar strukturierte Dokumentation aller Vorgänge während der Entstehung eines Produktes.
Dieter Stotz
8. Normen und Rechtliches
Zusammenfassung
Das EMV-Gesetz ist eine bindende Vorschrift, die die Richtlinie 2004/108/EG des Europäischen Parlaments umsetzt. Alle Mitgliedstaaten der EU müssen sich an dieses Gesetz halten. Die genannte Richtlinie wiederum befasst sich mit der Einhaltung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).
Normen dienen der Einhaltung der Richtlinie. Die Konformitätserklärung ist somit die Konsequenz der Einhaltung der Normen. Die CE-Kennzeichnung erfordert die Konformität bezüglich der EMV. Letztere ist jedoch nicht hinreichend, es müssen auch Gesetze zur Einhaltung der Produktsicherheit und anderen Sicherheitsvorschriften (z. B. gesundheitliche) befolgt werden.
Diese Kennzeichnung muss der Hersteller anbringen. Er entscheidet, welche Prüfungen bzw. welche Normen dabei anzuwenden sind. Die Verantwortlichkeit darüber, dass die EMV erfüllt ist, trägt er.
Für die anzuwendenden Normen wird ein kurzer Überblick gegeben. Doch dies – wie auch das gesamte Buch – macht den Erwerb von Normen nicht überflüssig.
Dieter Stotz

Praxis und Erfahrungsbasis

Frontmatter
9. Untersuchungen und Verbesserungen zur Störfestigkeit
Zusammenfassung
Nachdem die Durchführung normgerechter Messungen in den letzten Kapiteln zur Sprache kam, soll hier etwas ausführlicher untersucht werden, welche Schlüsse man aus den Ergebnissen ziehen kann und wie zielorientiert Verbesserungen im Aufbau des Gerätes bzw. in der Schaltung und im Layout zu erreichen sind. Hierzu kommen auch ausführlich Komponenten zur Sprache, die in einem Schaltungsdesign für die Einhaltung der EMV dienlich sind. Ferner sind analytische Methoden etwas ausführlicher zu betrachten, insbesondere Simulationen per FEM.
Dieter Stotz
10. Untersuchungen und Verbesserungen zur Störaussendung
Zusammenfassung
Wie auch das letzte Kapitel soll auch dieses die Probleme in der Praxis etwas näher beleuchten. In diesem Fall handelt es sich um die Aussendung von Störungen und seine Vermeidung. Unterstützung soll auch hier die Simulation bieten, speziell die FEM-Simulation. Welche Messungen können zum Auffinden der Störquelle dienlich sein? Welche Maßnahmen sind adäquat zur Beseitigung? Der letzte Abschnitt des Kapitels erläutert anhand konkreter Praxisbeispiele, wie man zu Lösungen kommen kann.
Die Wahrscheinlichkeit zur Störemission ist nicht einfach zu überreißen. So darf man zum Beispiel nicht dem Irrtum unterliegen, „kleine“ und wenig Leistung aufnehmende Geräte seien von vornherein keine Störstrahler. So genügen z. B. wenige hundert Milliwatt, um im oberen Megahertz-Bereich für beträchtliche Unruhe zu sorgen.
Dieter Stotz
11. Eigene Tests ohne normgerechtes Equipment
Zusammenfassung
Tests in der eigenen Umgebung, am Labortisch der Entwicklung, sind ohne genormte Messgeräte und Messaufbauten ungeeignet, um über die Einhaltung von Grenzwerten sicher Auskunft zu geben. Dennoch können solche Tests mit einfachem Equipment sinnvoll sein, um Vergleiche und Trends abzubilden. Es sind nicht alle EMV-Tests auf diese Weise provisorisch ersetzbar, aber die diejenigen mit den meisten „Auffälligkeiten“. Sinn und Zweck soll sein, nicht bereits bei einem Entwicklungsstand ins akkreditierte EMV-Labor zu gehen und womöglich viele Prüfungen nicht zu bestehen und damit unnötig Kosten entstehen zu lassen und Zeit zu verschwenden. Für den Selbstbau eines Test-Generators ist ein Quellcode Arduino-Generator.ino zum Download verfügbar.
Für die Beurteilung des Testverlaufs ist für den Prüfling ein Betriebsmodus zu wählen, der erstens in der Praxis vorkommen kann und zweitens die Wahrscheinlichkeit eines Störfalls erhöht.
Eigene Versuche erfordern auch ein Umfeld mit passender Örtlichkeit, bei der keine unerlaubte Störung nach außen dringen kann.
Auch bei einer solchen Vorgehensweise ist es wichtig, eine klare Dokumentation zu führen.
Dieter Stotz
12. Entwicklungsbegleitendes Equipment
Zusammenfassung
Gegenüber ausdrücklich nicht-normgerechter Aufbauten und Anordnungen – wie im letzten Kapitel beschrieben – steigern wir in diesem Kapitel die Ansprüche, und damit auch die Ausgaben. Dennoch halten letztere sich in akzeptablen Grenzen und sind noch um Größenordnungen geringer als bei einem akkreditierten Institut.
Es handelt sich hier um keine Eigenbau-Teile und Ausrüstungen, sodass allein das Befolgen des normgerechten Aufbaus zu hinreichend genauen Ergebnissen führen sollte. Zum Aufbau sind die Kap. 4 und 5 zu beachten.
Die empfohlenen Ausrüstungsgegenstände erscheinen in der Hierarchie ihrer Wichtigkeit, und EMV-Kriterien, die in den meisten Fällen nur eine untergeordnete Rolle spielen, fanden in diesem Kapitel keine Erwähnung.
Der praktische Einsatz der Geräte soll hier zur Sprache kommen, begleitet von zahlreichen Anwendertipps. Ferner sind die Prinzipien einiger Geräte beschrieben, damit der Entwickler auch Effekte und Phänomene erklären bzw. vermeiden kann.
Dieter Stotz
13. Designregeln
Zusammenfassung
Die Darstellung von Richtlinien zum Design soll helfen, bereits bei der Konzeption an EMV-Aspekte zu denken. Die meisten Komponenten, die lediglich der Gerätefunktion dienen, sind häufig weniger kritisch bezüglich Positionierung und Leiterbahnführung wie die EMV-Bauteile. Wir werden sehen, welche Grundregeln zu einem sicheren Grundkonzept führen. Ein universelles Regelwerk, das auch ins Detail geht, kann es nicht geben, weil die Anforderungen mannigfaltig sind. Daher ist es sinnvoller, man greift einige markante Situationen beispielhaft heraus und vergleicht diese anhand einer schlechten und einer guten EMV-Lösung.
Dieter Stotz
14. Mikrocontroller-Steuerungen
Zusammenfassung
Sobald ein Gerät oder ein elektronisches System über Mikroprozessor oder Mikrocontroller verfügt, kann sich die Situation in Bezug auf Immunität drastisch verschlimmern. Man stelle sich vor, eine von außen eindringende Störung beeinflusst die Schaltungsfunktion so, dass sich der Programmablauf nicht mehr ordnungsgemäß verhält.
Der Einsatz von Mikrocontrollern bietet jedoch auch Vorteile: Immerhin lassen sich viele Reaktionen oder Messgrößen, die ausgewertet werden, auf ihre Plausibilität hin überprüfen. Ein Messsignal, das nach draußen gelangt und in irgendeiner Form als Sensorsignal zurückkommt und vom System weiter zu verarbeiten ist, lässt sich durch eine gewisse Intelligenz auf Kongruenz überprüfen und somit von unabhängigen Störsignalen unterscheiden.
Dieter Stotz
15. Signalverarbeitung
Zusammenfassung
Während die letzten Kapitel den Aufbau einer Schaltung in den Fokus nahmen, soll dieses Kapitel die Funktionsweise zum Thema haben. Wie eine Schaltung oder ein ganzes Gerät arbeitet, das Zusammenspiel der Einzelkomponenten gestaltet, nimmt bedeutenden Einfluss auf das EMV-Verhalten. Beispielsweise kann man die Verstärkung eines Sensorsignals fast beliebig steigern, um eine erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen. Damit könnte jedoch auch vermehrt ein Störsignal überhandnehmen. Um dies zu verhindern, sollte die Verstärkung nur zu bestimmten, festgelegten Zeiten hochgesteuert werden, nämlich dann, wenn ein Signal tatsächlich zu erwarten ist. Man nennt diese Art der Steuerung auch Koinzidenz-Verfahren.
Die in diesem Kapitel erläuterten Methoden und Schaltungen dienen als Anregung – sie stellen keine fertigen Konzepte oder Detailschaltungen dar, dafür ist in diesem Buch kein Platz, denn die Anforderungen sind zu vielfältig.
Dieter Stotz
Backmatter
Metadata
Title
Elektromagnetische Verträglichkeit in der Praxis
Author
Dieter Stotz
Copyright Year
2021
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-62221-6
Print ISBN
978-3-662-62220-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-62221-6