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Die Elektromagnetische Verträglichkeit ist · 2016. 5. 31. · 2 Die Elektromagnetische Verträglichkeit ist: Die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen

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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…

    https://www.google.ch/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjwn6eI5OHMAhUFQBQKHUCRACwQjRwIBw&url=http://www.conrad.ch/ce/de/overview/1101123/Frequenzumrichter&bvm=bv.122129774,d.d24&psig=AFQjCNFKDYZRX0S8D-s2NnQAS_oXBjK0Dw&ust=1463597573242988

  • 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

  • 7

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

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    EMV Messtechnik

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    für Ihre Entwicklung

  • 8

    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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  • 12

    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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    https://www.google.ch/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwj3wIXawMzMAhUC2BoKHYlqAuwQjRwIBw&url=https://www.narda-sts.com/de/ida-2-handheld-portable-interference-and-direction-analyzer/&psig=AFQjCNFIOVhKKbBhUtyCp45ROZEsfQCs9A&ust=1462865934028823

  • 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

    https://www.google.ch/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiy0a6ipd_MAhWIzRQKHYWHAj0QjRwIBw&url=https://www.bmvit.gv.at/innovation/ikt/produktion/fabrik_der_zukunft.html&bvm=bv.122129774,d.d24&psig=AFQjCNH8KkLLshroyG57Cn7dHYJERLbgog&ust=1463512005858299