Elektromagnetische Verträglichkeit in der Informations ... · Dr. Chr. Bornkessel WS2018/19 Fachgebiet HF-und Mikrowellentechnik Elektromagnetische Verträglichkeit in der Informations-

Dr. Chr. Bornkessel WS2018/19

Fachgebiet

HF-und Mikrowellentechnik

www.tu-ilmenau.de/hmt

Elektromagnetische Verträglichkeit

in der Informations- und

Kommunikationstechnik

Dr. Christian Bornkessel

Technische Universität Ilmenau, FG HMT

Postfach 10 05 65, 98684 Ilmenau

[email protected]

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Fachgebiet



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

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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

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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)

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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

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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.

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Fachgebiet



Teil I

Was versteht man unter EMV?

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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

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www.tu-ilmenau.de/hmtFolie I.9

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?

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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

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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?

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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“

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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)

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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

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• Angabe des Gerätes

• Angabe der Richtlinien

• Angabe der angewendeten harmonisierten Normen

• Unterschrift

Konformitätsbescheinigung

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Fachgebiet



• Marktüberwachung für EMV- und RED-Produkte erfolgt vor Ort und Online durch die Bundesnetzagentur

• Ergebnisse der Marktüberwachung vor Ort:

Marktüberwachung - 2017

Quelle: Bundesnetzagentur

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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

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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 …

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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

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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

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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

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Fachgebiet



dB-Pegelrechnung

• Warum logarithmische Pegel?

• Relative Pegel

• Absolute Pegel

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Fachgebiet



Gleich- und Gegentaktstörungen:

„Ungestörter“ Stromkreis

INutz

INutz

UE UE Nutz

ZE

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Fachgebiet



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

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Fachgebiet



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

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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)

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Fachgebiet



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

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Fachgebiet



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

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Fachgebiet



Schmal- und breitbandige Störquellen

schmalbandig breitbandig

Definition auch über Verhältnis Signalspitzenwert zu Mittelwert des

gleichgerichteten Signals möglich: Spitzenwert </> 2 x Mittelwert

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Fachgebiet



Störsenken

Störsenken

- Rundfunkempfänger

- Mobiltelefone

- Funkschlüssel

- Datenverarbeitungsanlagen

- Automatisierungssysteme

- Bioorganismen

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Fachgebiet



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

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Fachgebiet



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

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Quelle: Gustrau/Kellerbauer, Elektromagnetische Verträglichkeit

Simulationsbeispiel

ZA1

ZA2

Entkopplung der beiden Stromkreise nur für ZK → 0

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ADS-Simulation (Advanced Design System)

Koppelimpedanz

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Ergebnis: Ohne Kopplung (R=L=0)

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Ergebnis: Mit Kopplung (R=0,05 Ohm, L=100 nH)

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Beispiel: Erdschleife

Beide Gehäuse seien aus Berührungsschutzgründen über die

Schutzkontakte der Netzanschlussleitungen geerdet.

PE

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Fachgebiet




Induktion einer Gleichtakt-Störspannung in die aufgespannte Fläche

Störspannung auch durch unterschiedliche Erdpotenziale möglich

Induzierter Gleichtaktstörstrom

UStör Gl0

~ PE

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Fachgebiet



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

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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

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Fachgebiet



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).

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Fachgebiet



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

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Fachgebiet



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)

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