Die Elektromagnetische Verträglichkeit ist · • Normativ • Grosse Aussagekraft Anschaffung •...

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Die Elektromagnetische Verträglichkeit ist:

Die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu arbeiten,

ohne elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere in dieser Umgebung vorhandene Betriebsmittel unannehmbar wären.

EMV Einflüsse

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Hochfrequenzfelder (induziert)

Burst, Surge

ESD (Entladungen)

Spannungsschwankungen Einbrüche

Einstrahlung • Mobiles Netz (LTE…) • Stationäre Sender • Umgebung…

EMV Störeinstrahlung

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• Auch wenn Sie zwei „CE“ Komponenten in Ihre Maschine einbauen haben Sie keinen EMV Schutz!

• Kabel wirken als Antennen

• Fehler

– Fehlende Filtermassnahmen

– Hin + Rückleiter getrennt verlegt

– Keine Schirmung – keine Funktionserdung

• Probleme

– Sporadisch auftretende Fehler

– Störungen in Peripherieeinrichtungen

– Störungen in der Kommunikation

– Ausfall oder Zerstörung von Geräten & Anlagenteilen

– Unstetige Regelung (z.B: Motor)

+ =

Auswertung gestört

Auswertung OK

Erde

EMV Störaussendung

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• Ziel: Einhaltung der EMV Richtline

• Wichtiger: Erhöhung der Produkte Qualität (Stören sich selber auch….)

• Checkliste (Beispiel)

– Leitungen so kurz wie möglich

– Hin & Rückleitung zusammen verlegen

– Geschirmte Leitungen verwenden

– Schirm flächig geerdet?

– Filter eingebaut?

– Filter flächig geerdet?

• Fazit: Konstruktion & Entwicklungsprobleme werden vermieden mit entwicklungsbegleitender EMV

• Mit geeigneten Messmittel Fehler aufspüren

Empfang gestört

Erde

Wenn «Funkwellen» zum Problem werden

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• Hohe Taktraten und kleine Strukturen führen zu mehr HF-Ärger

• Den Störquellen im Nachhinein auf die Schliche zu kommen bedeutet recht hohen Aufwand

• Es fehlen Mannstunden für Neuentwicklungen und somit Wettbewerbsfähigkeit

• Formfaktor: Entstör-Komponenten benötigen Platz • Preis: Zusätzliche Entstör-Komponenten kosten Geld • Time to Market: Nachträgliche Entstör-Massnahmen

verlängern den Entwicklungs-Zyklus • Image Verlust wenn das Produkt Funktions-Störungen hat • Unzureichende EMV Massnahmen vermindern Ihre

Wettbewerbsfähigkeit • Kennen Sie die Kosten & Image Verlust einer

Rückrufaktion?

Gründe für Redesigns

26% unzureichende Störfestigkeit 18% mangelnde Signalintegrität (unerklärliche Fehler)

Fast die Hälfte der Redesigns ist auf EMV Probleme zurückzuführen

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EMC Full Compliance Systems 10m anechoic chamber build by emitec 2013

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EMV verstehen heisst EMV-Gerecht entwickeln

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single box solution for RF Conducted Immunity Testing

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Real Time Ethernet

Unterschiede zu klassischen Feldbussen

• Neue Topologie Strukturen

• Höhere Datenraten

• Niedrigere Zykluszeiten

• Heterogene Services – welche Daten sind relevant z.B: Zustand des Telegramms (korrekt oder fehlerhaft)

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Quelle Bild: Internet

EMV & Echtzeit Ethernet

«Echtzeit» Anlagen erfordern ein fächerübergreifendes Denken und Planen.

Je höher die Taktraten & Echtzeit-Anforderungen umso grösser werden die EMV Einflüsse – dabei sind zu beachten:

• Mögliche elektrische Einstrahlungen bzw. Abstrahlungen

• Das Erdungs- und Potentialausgleichssystem

• Blitzschutz

• Metallene Teile angeschlossen an den Potentialausgleich

• Die Stromversorgung / Art der Verbraucher

• IT / OT System (Cyber Security)

• Installation / Verkabelung….

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Bildquelle: Internet

Industrie 4.0 ist nicht einfach nur ein paar Drähte

Ihre Umgebung: abschalten von induktiven Verbraucher

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230V Relays SF6 Schalter Freiluftschalter

Burst - Ausgleichsvorgänge über den Schaltkontakten

Störquellen • Schalter / Hochspannungsanlagen

• Netzversorgung

• Steuerleitungen

Kenndaten • Impulsflanken im

Nanosekundenbereich

• Breitbandiges Störspektrum bis 400MHz

• Amplituden bis zu einigen kV

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Kopplung • Kapazitiv (du/dt) auf parallele

Leitungen

• Induktiv durch einen Magnetfeldanteil (di/dt) auf den Erdleitungen

• Abstrahlung im Schalternahfeld durch Funkenüberschläge

Ausbreitung • Leitungsgeführt im Kabelsystem

• Unsymmetrisch bzw. Leitungen gegen Erde

Störquelle

Störsenke

EMV Störungsempfindlichkeit bzw. Übertragungssicherheit

• Bei Echtzeit Ethernet sind Summenrahmenprotokolle sind störungsempfindlicher als Einzelrahmenprotokolle.

• Wir z.B. durch einen EMV (z.B: Burst) Puls ein Frame zerstört geht immer ein kompletter Zyklus verloren

• Leitungen, Anschlüsse etc sind daher (aufwendig) abzuschirmen

• Aber wird z.B: mit der Schirmung auch immer richtig umgegangen?

• Können z.B: Burst Pulse auch durch kleinste Schirmungslecks einkoppeln?

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Bildquelle: Internet

Burst Störungen

• Burst Pulse gehören zu den Störungen, die in der Praxis am häufigsten auftreten

• Störeffekt ist meistens nicht destruktiv

• Störung wird „leitungsgebunden“ eingekoppelt. Hat aber auch einen relativ hohen Anteil an Abstrahlung. Darum wird oft in der Norm auch die Einkopplung via kapazitive «Koppelzange» beschrieben

• Burst-Tests helfen, dass alle Ein-und Ausgänge der Geräte bezüglich «HF» geschützt sind

• Falls die HF-Schirmung (z.B: Gehäuse) schlecht ist, merkt man dies generell während des EMV-Tests

• Burst Tests werden entwicklungsbegleitend und bei EMV Abnahmen durchgeführt

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Bildquelle: Internet

Burst Einzelimpuls

Oben: Messung eines 230 V Netzrelais – der Ausgleichvorgang des Schaltkontaktes „generiert“ ein breitbandiges Störspektrum mit impulsflanken in Nanosekundenbereich und Amplituden bis zu einigen kV

Unten – Pulsform der EMV Burst Norm IEC/EN 61000-4-5

• Anstiegszeit tr = 5ns

• Impulsdauer td = 50ns

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5ns ± 1.5ns

50ns ± 15ns

0.9

0.1

0.5

Pulseform 5ns/50ns

Messungen von Burstpulsen in der Realität

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Parameter Quecksilber

Relais Signal Relais

Steuerung (5 A)

Steuerung (10 A)

Spike Amplitude [kV] 1 - 5 0.5 - 3 0.5 - 1.8 0.25 - 2.5

Anstiegszeit [ns] < 3 < 3 < 3 < 3

Spikedauer [µs] 5 - 40 3.5 - 32 4 - 20 3.5 - 22

Spike Repetitionsrate [kHz] 10 - 100 15 - 143 25 - 125 22 - 143

Burstlänge [ms] 0.2 2.2 2 1.7

Anzahl Spikes/ Burst 8 270 165 130

Burst Norm: Parameter der eigentlichen Störgrösse

Der Burstpuls wird mit einer Repetitionsfrequenz in Paketen auf den Prüfling EUT „beaufschlagt“

Traditionell:

• Repetitionszeit Tr = 300ms

• Dauer Burstparket Td = 15ms

• bei einer Spikefrequenz f=5kHz

Realere Repetitionsfrequenz:

• Repetitionszeit Tr = 300ms

• Dauer Burstparket Td = 0,75ms

• bei einer Spikefrequenz f=100kHz

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Burst Norm Test-Levels

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Open circuit output test voltage

Level On power ports On I/O ports

Voltage Repetition rate (2)

kV peak kHz

1 0.5 0.25 5 or 100

2 1 0.5 5 or 100

3 2 1 5 or 100

4 4 2 5 or 100

x (1) Special Special

NOTE 1 - "X" is an open level. The level has to be specified in the dedicated equipment specification.

NOTE 2-5kHz is the traditional frequency, however 100kHz is closer to reality. Product committees should determine which frequencies are relevant for specific products or product types.

Burst – der Breitband Störer

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Frequenz in MHz

• Einfach aufzubauender Test

• Normativ

• Grosse Aussagekraft

Anschaffung

• Test Generator 12k

• Kapazitive Koppelplatte 2k

• Tisch, Erdungsplatte

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Burst Tests bei Ihnen – wie wird’s gemacht

eine grosse Antennen-Anlage….

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Bildquelle: Internet

«Sporadische» EMV Probleme im Feld

• Ihr System fällt plötzlich aus – niemand weiss warum – die

Fehlersuche wird sehr aufwendig

• Kann man die Probleme mit einem Spektrum Analyzer messen?

– Zeit – wann tritt das Problem auf?

– Intensität – wie hoch ist der Störpegel?

– Ort – welche Orte sind störempfindlicher und welche nicht?

– Störfrequenz – welche Frequenz(en) führen zum Problem

– Unterscheidung Nutz zu Störfrequenzen – kennen Sie alle Nutzfrequenzen (Handy, DAB, Tetrapol etc)

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Die Schwierigkeit sporadische Probleme zu finden

• Spektrum-Analyzer sweepen, d.h. messen sie an einer Frequenz sind die anderen Frequenzen «tot» = Frequenzen werden gerade nicht analysiert welche ev. Probleme (kurzzeitige Störer) beinhalten…

• Breitbandige Antennen sind riesengross und wenig empfindlich = Aufteilung in Frequenzbänder

• Identifikation der Störfrequenz (z.B: mittels Color-Spektrogramm)

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Machen Sie Ihr System störsicher

• «Impfen» Sie das Komplettsystem an verschiedenen (vermuteten) Schwachstellen

• Einkopplung von Burst Pulsen mit verschiedenen Frequenzen und Störpegeln (Spannung)

• Beobachtung des Systems (z.B: Display Probleme)

• Messung mit Ethernet Analyse System

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Magnetfeldquelle

Die Magnetfeldquelle wird von einem EFT/Burstgenerator gespiesen. Sie erzeugt ein B-Feld von ca. 5 cm Durchmesser. Sie eignet sich zur grossflächigen Beaufschlagung von Gehäuseoberflächen und Innenbereichen, Verbindungstechnik und Baugruppen mit Leiterzugstrukturen und ICs zur Erkennung von magnetisch sensiblen Schwachstellen

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Elektrische Feldquelle

Mit der E-Feldquelle sind grossflächige elektrische Einkopplungen möglich.

E-Feld sensible Schwachstellen wie LCD-Display, Bussysteme, Kabel werden damit aufgespürt

Set mit verschiedenen Sonden erhältlich

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EMV Probleme im Feld

• Mit dem Einkoppeln des Burst tritt der Fehler nun häufig oder repetierbar auf.

• Nun kann man die Ursachen mit Echtzeit Ethernet-Analysegerät finden (z.B. Hilscher Netanalyzer)

• Der Analyzer wird via TAP in die Kommunikation «eingeschlauft»

• Dabei wird die Kommunikation auf der vermuteten Strecke erfasst und ausgewertet

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Isolierte Betrachtung eines Elements (z.B: Sensors)

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Globale Betrachtung inkl. Signal Delay Messung

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Telegramm Analyse

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Auswertung der Telegrammstatistik zeigt, dass der Fehler durch physikalische Störungen hervorgerufen wird

Messung der Protokoll Fehler mit einem Hilscher Echtzeit Ethernet Netanalyzer

Telegramm Analyse

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Lösung: Austausch des «schlechten» Ethernet Kabels

Messung der Protokoll Fehler mit einem Hilscher Echtzeit Ethernet Netanalyzer

Investitionskosten

• Burst Generator

– Kombi (Burst, Surge, Powerfail) = 22k

oder

– Burstgenerator = 12k

• Capacitive Coupling Clamp = 1.7k

• Burst Sonden Set = 1.7k

• NetAnalyzer

Burst Test sind einfach durchzuführen gut zu Reproduzieren und ermöglichen eine hohe Aussagekraft über die Störfestigkeit einer Anlage

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EMV Regeln

• Masseschleifen sind zu vermeiden

• Masseleitungen und Versorgungsspannungen müssen sternförmig ausgeführt werden

• Bei flächiger Versorgungsauslegung GND und Vcc in möglichst geringem Abstand (< 120 µm) aufbauen.

• Jede Signallage sollte eine benachbarte Fläche für den Rückstrom haben

• Separierung von langsamen, analogen Schaltungen und schnellen, digitalen Logiken

• Abblock-Kondensatoren sollten an jedem Chip und über den kürzesten Weg angeschlossen werden.

• Keine Signalleitungen im Bereich des Quarz-Oszillators führen. Massefläche um und unter dem Quarz layouten.

• Nicht benutzte Anschlüsse von Chips sind niederohmig festzulegen.

• Resetanschlüsse und CE-Anschlüsse durch Pullup oder Pulldown Widerstand, sowie einen C entstören.

• Leitungen und Leiterbahnen, die schnelle Signale führen, sind kurz auszuführen.

• Impedanzsprünge in Verbindungsleitungen und häufige Durchkontaktierungen sind zu vermeiden.

• Signale und Takte niemals so schnell und steil wie möglich, sondern nur so schnell und steil wie nötig ausführen.

• Zustandsgesteuerte Logik ist störfester als flankengesteuerte Logik.

• GND und Schutzleiter sollen getrennt ausgeführt sein.

• Die Möglichkeit der kapazitiven Verkopplung von GND und PE bzw. Schirme ist vorzusehen.

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Mit Zuversicht dass Ihre Kommunikation störungsfrei Funktioniert - Besten Dank

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Quelle Bild: Internet