Dr. Chr. Bornkessel WS2018/19
Fachgebiet
HF-und Mikrowellentechnik
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Elektromagnetische Verträglichkeit
in der Informations- und
Kommunikationstechnik
Dr. Christian Bornkessel
Technische Universität Ilmenau, FG HMT
Postfach 10 05 65, 98684 Ilmenau
Folie I.1
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Vorstellung Dr. Bornkessel
• Seit 03/14: TU Ilmenau, FG HMT
• 11/95-02/14: IMST GmbH, Leiter Prüfzentrum
• Fokus:
- EMVU (Mensch)
- EMV (Geräte)
- Virtuelle Straße (VISTA)
- C2X-Kommunikation
Folie I.2
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Organisatorisches
• Wann: ab 09.10.2018, Di 17.00 - 18.30 Uhr (Sr H 1510)alternativ: Mi 07.15 - 08.45 Uhr (Sr Oe 118)
• Leistungspunkte: 5 ECTS
• Praktikum:
EMV-Labor der CE-Lab GmbH, Ilmenau
VISTA-Kammer im ThIMo-Hauptgebäude
• mündliche Prüfung
Folie I.3
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Was bedeutet „elektromagnetisch verträglich“?
Die EMV-Richtlinie 2004/108/EG definiert EMV als:
"Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines
Systems, in der elektromagnetischen Umwelt
zufriedenstellend zu arbeiten,"
(hinreichende Störfestigkeit)
"ohne dabei selbst
elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für
alle in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen
oder Systeme unannehmbar wären."
(Begrenzung der Emission)
Folie I.4
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Übersicht Themenbereich EMV
• I. Was versteht man unter EMV?- CE-Zeichen, gesetzliche Bestimmungen
- Die „zwei Seiten der EMV“
- Beeinflussungsmodell und Koppelmechanismen
• II. Welche Prüfungen muss mein Gerät bestehen?- Prüfverfahren, Grenzwerte, Störgrößen, Normen
- Messempfänger, Spektrumanalysator, Detektortypen
- EMV-Messeinrichtungen
• III. Wie kann ich mein Gerät EMV-gerecht entwickeln?- Designgrundsätze und Entstörmittel
• IV. Spezielle EMV-Probleme bei Funkgeräten- Mobilfunk und Medizingeräte / Implantate
Folie I.5
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Literatur
• Schwab, Kürner: Elektromagnetische Verträglichkeit. 5. Auflage, Springer, 2007.
• Gustrau, Kellerbauer: Elektromagnetische Verträglichkeit. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2015.
• T. Williams: EMC – Richtlinien und deren Umsetzung. 1. Auflage, Elektor-Verlag, 2000.
• Habiger: Elektromagnetische Verträglichkeit. Grundzüge ihrer Sicherstellung in der Geräte- und Anlagentechnik.3. Auflage, Hüthig, 1998.
• Durcansky: EMV-gerechtes Gerätedesign. Grundlagen der Gestaltung störungsarmer Elektronik. 4. Auflage, Franzis, 1999.
Folie I.6
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Teil I
Was versteht man unter EMV?
Folie I.7
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Überblick Teil I
1. Regulatorische Aspekte- CE-Zeichen
- Zertifizierungsmöglichkeiten
2. Die zwei Seiten der EMV- Emission und Störfestigkeit / Störquelle und Störsenke
3. Beeinflussungsmodell- Beschreibung von Störgrößen
- Störquellen und Störsenken
- Kopplungsmechanismen
Folie I.8
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I.1: Regulatorische Aspekte
Das CE-Zeichen …
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• Das CE-Zeichen ist die Abkürzung für "Communauté Européenne" (Europäische Gemeinschaft) bzw.
"Conformité Européenne" (Europäische Konformität)
• Das CE-Zeichen bedeutet Konformität mit allen EU-Richtlinien, die auf das Produkt zutreffen
• Dies sind zum Beispiel
- Spielzeugrichtlinie
- Maschinenrichtlinie
- Niederspannungsrichtlinie
- Funkanlagen (RED)
- EMV-Richtlinie
- ...
Was bedeutet das CE-Zeichen?
Folie I.10
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• Ohne CE-Zeichen darf ein Produkt in der Europäischen Gemeinschaft nicht in Verkehr gebracht und in Betrieb genommen werden
• Durch das CE-Zeichen bestätigt der Hersteller, dass sein Produkt den geltenden europäischen Richtlinien entspricht (Produktsicherheit)
• Sinn des CE-Zeichens ist die Erleichterung des freien Warenverkehrs im europäischen Wirtschaftsraum
• Das CE-Zeichen ist somit vergleichbar mit einem "Reisepass" für Produkte auf dem europäischen Binnenmarkt
Sinn des CE-Zeichens
Folie I.11
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• Das CE-Zeichen wird nicht vergeben, sondern ...
• eigenverantwortlich vom Hersteller / Importeur am Gerät/Bedienungsanleitung/Verpackung angebracht
• Der Hersteller/Importeur identifiziert alle für sein Produkt zutreffenden Richtlinien ...
- für elektrische/elektronische Geräte ist (mindestens) die EMV-RL zutreffend
- für Funkgeräte ist die R&TTE-RL zutreffend
• ... und unterzieht sein Produkt einem Konformitätsbewertungsverfahren
• eine unabhängige Prüfstelle kann (muss aber nicht) eingeschaltet werden
Wer vergibt das CE-Zeichen?
Folie I.12
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• Die Produkte müssen die in der jeweiligen Richtlinie festgelegten "Grundlegenden Anforderungen" erfüllen
• Dies bedeutet für Funkgeräte
- Schutz der Gesundheit und Sicherheit des Benutzers und anderer Personen (Niederspannungs-RL + EMVU)
- Schutzanforderungen bezüglich der EMV
- Effektive Nutzung des Frequenzspektrums (Funk)
• Dies bedeutet für Produkte der EMV-RL:
- Begrenzung der von ihnen verursachten elektromagnetischen Störungen
- hinreichende Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen
„Grundlegende Anforderungen“
Folie I.13
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Definition der Elektromagnetischen Verträglichkeit
Die EMV-Richtlinie 2004/108/EG definiert EMV als:
"Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines
Systems, in der elektromagnetischen Umwelt
zufriedenstellend zu arbeiten,"
(hinreichende Störfestigkeit)
"ohne dabei selbst
elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für
alle in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen
oder Systeme unannehmbar wären."
(Begrenzung der Emission)
Folie I.14
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• Der Hersteller hat die EMV seines Gerätes zu bewerten, um festzustellen, ob es die Schutzanforderungen erfüllt.
• Die sachgerechte Anwendung aller einschlägigen Normen (Amtsblatt EU) ist der Bewertung der EMV gleichwertig.
• Der Hersteller erstellt "technische Unterlagen". Er kann (muss aber nicht) diese von einer benannten Stelle überprüfen lassen.
• Der Hersteller stellt eine Konformitätsbescheinigung aus.
Konformitätsbewertung bei der EMV-RL
Folie I.15
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• Angabe des Gerätes
• Angabe der Richtlinien
• Angabe der angewendeten harmonisierten Normen
• Unterschrift
Konformitätsbescheinigung
Folie I.16
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• Marktüberwachung für EMV- und RED-Produkte erfolgt vor Ort und Online durch die Bundesnetzagentur
• Ergebnisse der Marktüberwachung vor Ort:
Marktüberwachung - 2017
Quelle: Bundesnetzagentur
Folie I.17
1.564 Produkte RED1.443 Produkte EMV
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• 1926 Aufnahme des Rundfunkdienstes in Deutschland.
• Nach vielen Beschwerden über Empfangsstörungen Einführung eines eigenen Rundfunk-Entstördienstes1932.
• 1934 Leitsätze zur Funkentstörung durch den VDE.
• Störfestigkeit als "zweite Seite" der EMV kam erst ab Mitte der 60er Jahre hinzu.
• 1996 "Deutsches EMV-Gesetz"(Umsetzung der EU-Richtlinie in deutsches Recht)
Kurze Historie der EMV
Folie I.18
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• Stetige Zunahme an elektronischen Geräten
- Erhöhung des (Stör-)Pegels
- Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, eine Störung vorzufinden
• Erhöhung von Arbeitsfrequenzen und Einführung von digitalen Techniken (Flankensteilheit)
- Störpegel wird immer hochfrequenter
- Störpegel wird immer breitbandiger
• Erhöhung der Packungsdichte
- Störsenken rücken dichter an Störquellen heran
- geringere Leistungsaufnahme erhöht Empfindlichkeit gegenüber Störungen
Seitdem …
Folie I.19
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Signalleitung
Netzleitung
Störfeldstärke 30 MHz - 6 GHz,
Netzrückwirkungen (Oberschwingungen, Flicker)
Störspannung 150 kHz - 30 MHz
I.2: Die zwei Seiten der EMV
Emission von Geräten
Störleistung 30 MHz - 300 MHz
Folie I.20
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ESD
Störfestigkeit von Geräten
Signalleitung
Netzleitung
Surge, indirekte
Blitzentladung
Burst, schnelle
Transienten
Netzunterbruch,
Netzeinbruch,
Netzvariation
induzierter HF-Strom
150 kHz - 80 MHz
Störfeldstärke 80 MHz – 2,7 GHz
Folie I.21
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0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 200 400 600 800 1000B
estr
ah
lun
gsfe
ldstä
rke
[V
/m]
Frequenz [MHz]
Klasse B (Wohnbereich)
Klasse A (Industriebereich)
Umgebungsklassen
• Klasse A: Industriebereich
• Klasse B: Wohnbereich (inkl. Geschäfts-, Gewerbebereich, Kleinbetriebe)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 200 400 600 800 1000
Stö
rfe
ldstä
rke
@3
m [d
Bµ
V/m
]
Frequenz [MHz]
Klasse B (Wohnbereich)
Klasse A (Industriebereich)
Gestrahlte Emission Gestrahlte Störfestigkeit
Beispiel EN 55022, bis 1 GHz Beispiel EN 61000-4-3, bis 1 GHz
Folie I.22
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dB-Pegelrechnung
• Warum logarithmische Pegel?
• Relative Pegel
• Absolute Pegel
Folie I.23
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Gleich- und Gegentaktstörungen:
„Ungestörter“ Stromkreis
INutz
INutz
UE UE Nutz
ZE
Folie I.24
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Gegentaktstörung
INutz
INutz
UE Nutz
UStör Gg0 ~
IStör Gg
IStör Gg
UE Stör Gg
Zwischen Hin- und Rückleiter, in entgegengesetzter Richtung
„Gleichsinnige“ Überlagerung von Nutz- und Störsignal
Quellen: Induktive Einkopplung, Gleichtakt-/Gegentakt-Konversion,
häufig im niederfrequenten Bereich < 20 kHz
ZE
Folie I.25
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UStör Gl0 ~
INutz
INutz
UE Nutz
IStör Gl2 = 0
IStör Gl1 = 0
UE Stör Gl = 0
Gleichtaktstörung
Zwischen Hin-/Rückleiter und Erde
In Hin- und Rückleiter in gleicher Richtung
„Gegensinnige“ Überlagerung von Nutz- und Störsignal
Quellen: Kapazitive Einkopplung, Potenzialdifferenzen räumlich
auseinanderliegender Masse-/Erdpunkte
In erdfrei betriebenen Strom-
kreisen und bei kleinen
Frequenzen sind die
Gleichtaktströme und der
Störspannungsabfall =0
ZE
Folie I.26
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Gleichtakt-/Gegentaktkonversion
Für höhere Frequenzen machen sich Streukapazitäten bemerkbar
Gleichtaktstörströme sind ungleich Null
Keine Wirkung auf ZE nur bei völliger Symmetrie (ZL1=ZL2, CStr1=CStr2)
Bei Unsymmetrie (Praxis) wird automatisch Gegentaktstörspannung an ZE
erzeugt; Verhältnis zu Gleichtaktstörspannung ergibt Konversionsfaktor
UStör Gl0 ~
INutz
INutz
UE Nutz
IStör Gl2 0
IStör Gl1 0
CStr2
CStr1
UE Stör Gg
ZEEStörGg
StörGl0
U (f)GGKF=
U (f)
Folie I.27
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Störquelle
(Sender)
Kopplungs-
mechanismus
(Pfad)
Störsenke
(Empfänger)
Vor allem die Ermittlung der Koppelmechanismen und -pfade ist
schwierig, da es sich häufig um parasitäre Übertragungswege handelt
(Streukapazitäten, Streuinduktivitäten usw.).
Ursprung von
Störgrößen
elektrische Einrichtung,
deren Funktionsfähigkeit
durch Störgrößen
beeinträchtigt werden kann
I.3: Beeinflussungsmodell
Folie I.28
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Schmalbandige Emissionen
werden von periodischen bzw.
getakteten Quellen erzeugt
- Rundfunk
- Schaltnetzteile
- Prozessoren
Breitbandige Störspektren
entstehen bei nicht periodischen
bzw. einmaligen Störimpulsen
- ESD
- Blitzentladungen
- Schaltvorgänge
Quelle: Schwab
Störquellen
Folie I.29
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Schmal- und breitbandige Störquellen
schmalbandig breitbandig
Definition auch über Verhältnis Signalspitzenwert zu Mittelwert des
gleichgerichteten Signals möglich: Spitzenwert </> 2 x Mittelwert
Folie I.30
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Störsenken
Störsenken
- Rundfunkempfänger
- Mobiltelefone
- Funkschlüssel
- Datenverarbeitungsanlagen
- Automatisierungssysteme
- Bioorganismen
Folie I.31
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Störquelle
(Sender)
Galvanische
Kopplung
(Leitungen)
Störsenke
(Empfänger)
Elektrische
Kopplung
(E-Feld)
Magnetische
Kopplung
(H-Feld)
Strahlungs-
kopplung
(EMF)
In der Regel liegen
mehrere
Kopplungspfade
gleichzeitig vor
Koppelmechanismen
Folie I.32
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Galvanische bzw. Leitungskopplung tritt
immer dann auf, wenn zwei Stromkreise
eine gemeinsame Impedanz Z besitzen
(gemeinsam genutzte Leitung (z.B.
Masse) oder Bauelement).
Häufig verschleppen Spannungs-
versorgungsleitungen Störgrößen über
die gesamte Leiterplatte.
Beispiele: Erdschleifen, Störungen über
Netzzuleitungen von am selben Netz
betriebenen Verbrauchern.
Entstörung: Minimierung der
Koppelimpedanz, Erhöhung der
Spannungsebene, Stützkondensatoren.
Störer
gestörtes System
Quelle: Schwab
Galvanische Kopplung
Folie I.33
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Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit
Simulationsbeispiel
ZA1
ZA2
Entkopplung der beiden Stromkreise nur für ZK → 0
Folie I.34
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Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit
ADS-Simulation (Advanced Design System)
Koppelimpedanz
Folie I.35
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Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit
Ergebnis: Ohne Kopplung (R=L=0)
Folie I.36
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Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit
Ergebnis: Mit Kopplung (R=0,05 Ohm, L=100 nH)
Folie I.37
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Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit
Beispiel: Erdschleife
Beide Gehäuse seien aus Berührungsschutzgründen über die
Schutzkontakte der Netzanschlussleitungen geerdet.
PE
Folie I.38
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Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit
Induktion einer Gleichtakt-Störspannung in die aufgespannte Fläche
Störspannung auch durch unterschiedliche Erdpotenziale möglich
Induzierter Gleichtaktstörstrom
UStör Gl0
~ PE
Folie I.39
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Elektrische Kopplung
Elektrische oder kapazitive Kopplung
tritt zwischen zwei Stromkreisen auf,
wenn deren Leiter sich auf
verschiedenen Potenzialen befinden.
Die Intensität der Kopplung ist
abhängig von den Streukapazitäten
zwischen den Leitern.
Je größer die Streukapazität d.h. je
kleiner der Abstand bzw. je länger die
parallele Leitungsführung, desto größer
ist der Verkopplungsgrad.
Entstörung: Abstandserhöhung,
Reduzierung der „Koppelfläche“
Quelle: Schwab
Folie I.40
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Magnetische Kopplung
Quelle: Schwab
Magnetische oder induktive
Kopplung tritt zwischen zwei oder
mehreren stromdurchflossenen
Leiterschleifen auf.
Das durch den Strom im Kreis I
erzeugte magnetische
Wechselfeld induziert in Kreis II
eine sich dem Nutzsignal
überlagernde Störspannung.
Induktive Verkopplungen
existieren vorwiegend bei
Frequenzen < 30 MHz und in
niederimpedanten Systemen.
Entstörung: Abstandserhöhung,
Reduzierung der Induktionsfläche
Folie I.41
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Strahlungskopplung
Quelle: Schwab
Strahlungskopplung liegt dann vor,
wenn sich die Störsenke im EM
(Fern)Feld der Störquelle befindet.
Beim Auftreffen der EM Welle auf
eine elektrisch leitfähige
Anordnung entstehen durch
Antennenwirkungen im Empfän-
gerkreis HF-Störspannungen.
Als Strahler (bzw. Empfänger)
können z.B. Kabel,
Gehäuseschlitze oder auch
Leiterbahnen wirken.
Entstörung: Schirmung,
Absorption, Längenänderung von
Leitungen (Verschiebung der
Resonanzfrequenz).
Folie I.42
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Inter- und Intrasystem-Beeinflussung
Störquelle
(Sender)
Störsenke
(Empfänger)
System 1 System 2
Intersystem-Beeinflussung
Störquelle
(Sender)
Störsenke
(Empfänger)
System
Intrasystem-Beeinflussung- Rückkopplung in
Verstärkern
- selbstinduzierte
Spannungen beim
Schalten von Relais
- Kombinierte
Sender/Empfänger
Folie I.43
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Prinzipielle Entstörprinzipien
• Unterdrückung der Störspektren durch Filterung der internen und externen Leitungen
• Reduzierung der Störfeldstärke durch Gehäuse- und Leitungsschirmung
• Vermeidung von Störeinflüssen durch Leitungsführung und EMV-gerechtes Layout
• Die EMV-Maßnahmen sollten möglichst immer an der Quelle beginnen
• Die EMV-Maßnahmen sollten in einem frühen Stadium des Designprozesses erfolgen(Dies wird nach wie vor unterschätzt und führt oftmals zu einem kostenaufwändigen Redesign)
Folie I.44