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KARL - HEINZ - STRAUS S - INSTITUT für HOCHSPANNUNGSTECHNIK und EMV/EMB Prof. Dr.Ing. Adolph Laborpraktikum im Wintersemester 2016/2017 Nummer und Bezeichnung des Versuches: EMV V2 Name: Matr.:Nr.: Gruppe: Anwesend: Mitarbeiter: Abgabe: Betreuender Laboringenieur: Dipl.-Ing. N.Bartscher Anerkannt Datum: Bemerkungen: 2016/2017 Transiente Störvorgänge Burst und Surge (EMV – Puls-Prüfung)

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KARL-HEINZ-STRAUSS-INSTITUT

für HOCHSPANNUNGSTECHNIK

und EMV/EMB

Prof. Dr.Ing. Adolph

Laborpraktikum im Wintersemester 2016/2017

Nummer und Bezeichnung des Versuches:

EMV V2

Name:

Matr.:Nr.: Gruppe:

Anwesend:

Mitarbeiter:

Abgabe:

Betreuender Laboringenieur: Dipl.-Ing. N.Bartscher

Anerkannt

Datum:

Bemerkungen: 2016/2017

Transiente Störvorgänge Burst und Surge

(EMV – Puls-Prüfung)

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ElectricFastTransient - Surge

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Inhalt

1 Motivation ............................................................................................................................................. 3

2 Theoretische Grundlagen .......................................................................................................... 3

2.1 Allgemeine Begriffsdefinitionen ................................................................................... 4

2.2 EFT/Burst ....................................................................................................................................... 6

2.3 Stoßspannung/Surge ........................................................................................................... 7

2.4 Schärfegrade ............................................................................................................................ 8

2.5 Messverfahren und Darstellungsformen............................................................. 9

3. Versuchsvorbereitung ............................................................................................................... 11

4. Versuchsdurchführung .............................................................................................................. 14

4.1 Allgemeine Hinweise: ........................................................................................................... 14

4.2 Transiente Überspannungen ........................................................................................... 15

4.3 Entstörmaßnahmen für transiente Überspannungen ............................... 15

4.4 Burst-Prüfung ........................................................................................................................... 15

5. Auswertung ........................................................................................................................................ 16

6. Literatur ............................................................................................................................................... 18

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Bild 1 Mikroskopaufnahme eines zerstörten Microchips durch transiente Überspannung

1 Motivation Elektrische Betriebsmittel jeglicher Art müssen an ihrem Einsatzort funktionieren.

Elektrische Einflussgrößen dürfen an elektrischen Geräten zu keiner Störung oder Zerstörung führen.

Im Rahmen dieses Versuches sollen die transienten Störgrößen untersucht und anschließend mit industriellen Methoden simuliert werden, sodass an einzelnen Geräten der Nachweis der Störfestigkeit erbracht werden kann.

2 Theoretische Grundlagen Elektrische Betriebsmittel jeglicher Art müssen an ihrem Einsatzort funktionieren.

Atmosphärische Einflussgrößen wie Temperatur oder Luftfeuchte und elektrische Einflussgrößen wie elektromagnetische Felder oder Transiente- bzw. einmalige, schnelle Störgrößen dürfen an elektrischen Geräten zu keiner Störung oder Zerstörung führen. Rechtlich wird dies in EG-Richtlinien geregelt und durch die CE-Kennzeichnung auf den Geräten dokumentiert.

Jeder Hersteller (lt. Rechtsprechung Händler = Hersteller) hat den Nachweis der CE-Konformität seiner Produkte zu erbringen, will er nicht empfindliche Geldbußen oder die Absetzung seiner Produkte riskieren.

Tabelle 1: Übersicht über transiente Störgrössen (pulsed emi threats)

Elektrostatische

Entladungen (ESD)

Nadelimpulse – Burst

(EFT)

Stoßspannungen

(Surge)

Super fast < 1ns Fast 5ns Surge 1µs Geringe Energie Mittlere Energie Hohe Energie

Burst-Prüfung: Beim Schalten induktiver Kreise entstehen oft hochfrequente Impulspakete (Burst), die ihre Ursache im Vorzünden von Gasstrecken oder durch mehrfaches Rück- und Wiederzünden an Schaltkontakten haben.

Diese, durch Schaltphänomene entstandene, Breitbandstörungen pflanzen sich in den Versorgungsleitungen fort oder koppeln sich kapazitiv in Steuerleitungen ein. Angeschlossene elektronische Betriebsmittel können bei einem solchen elektrischen Stress Fehlfunktionen oder Ausfälle zeigen.

Surge-Prüfung: Durch Schalthandlungen im Netz oder durch direkte und indirekte Blitzeinschläge können energiereiche Überspannungsimpulse an den Stromversorgungs- und Verbindungsleitungen von Geräten anliegen. Zweck dieser Prüfung ist die Festlegung von allgemeinen Bewertungskriterien für die Beurteilung des Betriebsverhaltens von Betriebsmitteln, wenn solche energiereichen Störgrößen den Stromversorgungsleitungen oder Verbindungsleitungen ausgesetzt sind.

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2.1 Allgemeine Begriffsdefinitionen

• Elektromagnetische Verträglichkeit -EMV- (engl. EMC - electromagnetic compatibility) ist die

Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung (EUT ... Equipment under Test) in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren und dabei diese Umgebung, zu der auch andere Einrichtungen gehören, nicht unzulässig zu beeinflussen.

• Elektromagnetische Beeinflussung -EMB- (engl. EMI - electromagnetic interference) ist die Einwirkung elektromagnetischer Grössen auf Stromkreise, Geräte, Systeme oder Lebewesen.

• Störgrösse ist eine elektromagnetische Grösse, die in einer elektrischen Einrichtung eine unerwünschte Beeinflussung hervorrufen kann.

• Störquelle ist der Ursprung von Störgrössen. • Störsenke ist die elektrische Einrichtung, deren Funktion durch eine Störgrösse beeinträchtigt wird. • Symmetrische Störgrössen (differential mode; Gegentaktstörungen) sind Ströme oder Spannungen, die

zwischen den Adern einer elektrischen Einrichtung auftreten. Symmetrische Störgrössen haben auf den Adern einer Doppelleitung eine entgegengesetzte (differential mode) Ausbreitungsrichtung.

• Unsymmetrische Störgrössen (Gleichtaktstörungen) sind Ströme und Spannungen, die zwischen den Adern einer elektrischen Einrichtung und Erde auftreten.

• Unsymmetrische Störgrössen haben auf den Adern einer Doppelleitung die gleiche Ausbreitungsrichtung.

• Asymmetrische Störgrössen (common mode) sind die vektoriellen Summen von symmetrischen und unsymmetrischen Störgrössen.

• Störfestigkeit ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, Störgrössen bestimmter Höhe ohne Fehlfunktion zu ertragen.

• Störschwelle ist der kleinste Wert einer Störgrösse, der in einer Störsenke eine Fehlfunktion bewirkt.

I10, I20, unsymmetrischer Störstrom

I12 symmetrischer Störstrom

Bild 3: Störgrößen auf einer Doppelleitung

Bild 2 Beeinflussungsmodell

1

2I12

I20

I10 EUT

Blitzentladung

Elektro-Magnetischer-Puls

Kosmische Strahlung

Wetter

Fehlbedienung

Elektrostatische -

Entladung (ESD)

Koronaentladungen

Temperatur

Ableitströme (kapazitiv)

Magnetfeldbeeinflussungen

galvanische Kopplung

induktive Kopplung

kapazitive Kopplung

H/E-Feld

UMWELT MENSCH

ENERGIE ELEKTRONIK

EUT

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• Qualitätsverlust ist die unerwünschte Änderung des Betriebsverhaltens einer elektrischen Einrichtung aufgrund einer elektrischen Beeinflussung. Dies bedeutet nicht unbedingt Fehlfunktion oder Ausfall.

• Empfindlichkeit ist das Merkmal eines elektronischen Betriebsmittels, unerwünschte Reaktionen zu zeigen, wenn es elektromagnetischer Energie ausgesetzt ist.

• Transiente Störvorgänge („Einmal-Impulse“; Spikes) sind kurzzeitige, z.T. einmalige Übergangsvorgänge (Leistungsänderungen) an elektronischen Geräten, die zu unerwünschten Beeinflussungen führen können.

• Schärfegrade werden für die ESD- EFT- und Surge-Prüfungen empfohlen.

Bild 4: atmosphärische Überspannungen

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Bild 5: Prüfaufbau zur Burstsimulation

Bezugsmasse

> 100 cm

80 cm

DUT

Burst - P

rüfplatz

Burst-generator

Burstgenerator

2.2 EFT/Burst

(eng. EFT electric fast transient) Eine Folge schneller transienter elektrischer Störgrössen/Burst.

• Koppelnetzwerk - Elektrische Schaltung mit dem Zweck der Energieübertragung von einem Kreis in

einen anderen. • Entkoppelnetzwerk - Elektrische Schaltung, die verhindert, dass EFT-Spannungen, mit denen der

Prüfling beaufschlagt wird, andere Einrichtungen, Geräte und Systeme, die nicht geprüft werden, beeinflussen.

• Koppelzange - Gerät mit festgelegten Maßen und Eigenschaften zur Übertragung der Störgrösse als asymmetrisches Signal auf die zu prüfende Schaltung, ohne dass eine galvanische Verbindung zu jener besteht.

• (Bezugs-)Masseplatte - Eine ebene leitfähige Oberfläche, deren Potenzial als gemeinsamer Bezugspunkt verwendet wird.

• typischer Verlauf eines Burst-Einzelimpulses -

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Bild 6: Prüfaufbau zur Surge - Simulation

2.3 Stoßspannung/Surge

Stoßspannung/Surge (eng. Surge) Ein energiereicher Puls verursacht durch Blitzentladungen oder Schalthandlungen in Energienetzen.

EUT (engl. DUT) Das zu prüfende Betriebsmittel

• typischer Verlauf einer Surge-Entladung -

Bezugsmasse

> 100 cm

80 cm

EUT

Surge -

Prüfplatz

Surge-generator

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2.4 Schärfegrade

In diesem Kapitel sind die Schärfegrade der ESD-, EFT- und Surge-Prüfungen aufgelistet. Diese unterteilen sich in Prüfungsarten sowie in Spannungsebenen.

Tabelle 2: Schärfegrade für Burst und Surge Prüfungen

Schärfegrade für die Burst-Prüfung (EN 61000-4-4; VDE 0847 T 4-4; IEC 61000-4-4)

Schärfegrad Prüfspannung ± 10% Prüfspannung ± 10% auf Stromversorgungsleitungen auf Signal-, Steuer- und Datenleitungen

1 0,5 kV 0,25 kV 2 1 kV 0,5 kV 3 2 kV 1 kV 4 4 kV 2 kV

Schärfegrade für die Surge-Prüfung (EN 61000-4-5, VDE 0847 T 4-2; IEC 61000-4-5)

Schärfegrad Leerlaufspannung ± 10% kV 1 0,5 2 1 3 2 4 4

Tabelle 3: Elektromagnetische Verträglichkeit einiger Halbleiterbauteile und Baugruppen

Kritische Energiebeträge von Bauelementen (burn out) CMOS 0.000001 Joule schnelle diskr.Halbleiter 0.00001 Joule Low-Power-Transistoren 0.0001 Joule Medium-Power-Tansistoren 0.1 Joule Relais 0.1 Joule High-Power-Transistoren 10.0 Joule

Empfindlichkeit elektronischer Halbleiterfamilien gegen elektrostatischen Entladungen

VMOS 30 - 1800 Volt Op-Amp 190 - 2500 Volt CMOS 250 - 3000 Volt ECL 500 - 1500 Volt Schottky TTL 1000 - 2500 Volt

Stoßdurchschlag- bzw. -Überschlagspannung von: Starkstromgeräten 5.0 - 8.0 kV IT-Geräten 1.0 - 3.0 kV Elektr. Schaltungen und Halbleiter zwischen den Klemmen 0.005 - 0.1 kV

Hinweis: Die Tabellen zeigen keine absoluten Grenzwerte sondern nur Größenordnungen!

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2.5 Messverfahren und Darstellungsformen

Leitungsgeführte transiente Störgrößen können im Zeitbereich mit Speicheroszilloskopen (DSO), Signalanaly-satoren (DSA) oder Speichervoltmetern gemessen werden. Die Darstellung der Störgröße erfolgt durch den

„wahren“ Zeitverlauf oder die maximalen Amplitude des Impulses bzw. des Impulspaketes.

Die Kennzeichnung solcher Störvorgänge kann nach folgenden Gesichtspunkten erfolgen:

• maximale Spannungsamplitude, • maximale Spannung (Spitze-Spitze), • Dauer der maximalen Anstiegsflanke, • Dauer der minimalen Anstiegsflanke, • maximale Spannungssteilheit, • Gesamtdauer eines „Burst“ (Impulspaket), • Dauer eines „Sub-Burst“, • Hochfrequenz, • Frequenz im mittleren Bereich, • Häufigkeit von Transienten mit einer Amplitude größer als 0,4 ⋅ Umax,

• Energieinhalt, - etc..

Eine weitere Möglichkeit der Beurteilung von Störgrößen ist die Korrelation dieser Parameter.

Die Messung von Störgrößen im Zeitbereich liefert ein anschauliches Abbild einer Störung und eignet sich besonders für Detail-Untersuchungen.

Die Messung von Störgrößen im Frequenzbereich erfolgt bei transienten Vorgängen durch Aufzeichnung im Zeitbereich und anschließender Überführung in den Frequenzbereich (FFT-Rechnerprogramm). {FFT ... fast fourier transformation}

Die Störgröße (Strom oder Spannung) wird in ihre einzelnen Frequenzanteile zerlegt und in Form eines Amplitudendichtespektrums dargestellt.

Zur Simulation leitungsgebundener Störgrößen verwendet man Entladekreise mit Speicherkondensatoren.

Bild 7: Zeitverlauf einer realen Überspannung

300V/div

2 µs/div

Burst

AusschwingvorgangSub-Burst

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Bild 8: Burst – Simulation mit PSpice

Frequency

1.0MHz 3.0MHz 10MHz 30MHz 100MHz

20*log10(V(R1:1)/1)

0

1.0

2.0

SEL>>

Time

0s 40ns 80ns 120ns 160ns 200ns

V(R1:1)

0V

0.25KV

0.50KV

0.75KV

1.00KV

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Bild 9: Surge – Simulation mit PSpice - Darstellung des Prüfimpulses im Zeit und Frequenzbereich

Frequency

10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 82MHz

20*log10(V(R3:2)/1)

0

2.5

5.0

SEL>>

Time

0s 50us 100us 150us 200us

V(R3:2)

0V

0.5KV

1.0KV

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3. Versuchsvorbereitung

• Welches Ziel haben Störfestigkeitsprüfungen? • Welche normierten Prüfimpulse zur Störfestigkeitsprüfung sind üblich?

Machen Sie einen tabellarischen Vergleich der einzelnen Impulse und deren Kenngrößen. (Anstiegszeit, Dauer, Amplitude und Energiegehalt)

• Welche Abtastrate (sample/sec) muss ein digitales Speicheroszilloskop (DSO) haben, damit ein

Burst Impuls aufgezeichnet werden kann? (Begründung erforderlich)

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• Zeichnen Sie die Strom/Spannungskennlinie eines Varistors (spannungsabhängiger Widerstand) auf?

• Durch welche Maßnahmen können Überspannungen verhindert werden?

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4. Versuchsdurchführung

4.1 Allgemeine Hinweise:

• zu jedem Versuchsteil ist eine vollständige Gerätestückliste (Leistungsangaben der Geräte) anzufertigen. Zu den Leistungsangaben zählen insbesondere:

• die Art des Gerätes, • der Bereich der einzustellenden Prüfparameter, • die Messbereiche, die Bandbreite, • die Messgenauigkeit, • usw.

• die aufgenommenen Diagramme oder Messkurven sind sofort vollständig zu beschriften. Zu einer vollständigen Beschriftung gehören mindestens folgende Punkte: • Überschrift……. Sie beschreibt die Art der gemachten Messung. • Achsenbeschriftung……. Sie gibt die gemessenen physikalischen Größen an (nicht zu verwechseln mit

den Einstellgrössen der Messgeräte. • Parameterbeschriftung… Sie gibt bei mehreren Messkurven die Messparameter an. • Geräteeinstellwerte…... Die Messbereiche und Masstabsfaktoren der Messgeräte ermöglichen die

Beurteilung der Messunsicherheit.

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4.2 Transiente Überspannungen

Bei der in Bild 10 vorgegebenen selbstkontrollierende Sicherheitsschaltung (Anwendungsbeispiel: Notausschalter für Speicherprogrammierbare Steuerung) wird der Schalter S1 bzw. S2 ein- und ausgeschaltet. Die entstehende transiente Überspannung an der Induktivität bzw. Schütz K1 wird gemessen und aufgezeichnet.

230 V

50 Hz

S1 S2

24 V (DC)

K143

44

K371

72

K1A1

A2K2

A1

A2K3

A1

A2K4

A1

A2

K471

72

61

62

61

62

K243

44

71

72

81

82

81

82

L1

T1

13

14

L1

T1

13

14

DSO

Drucker

60 dB

Üss

Bild 10: Versuchsschaltung transiente Überspannung

4.3 Entstörmaßnahmen für transiente Überspannungen

Es soll versucht werden die Störquelle aus 4.2 mit einem Varistor zu bedämpfen. Bei der Dimensionierung der Störbedämpfungsschaltung muss die Funktionstüchtigkeit der „Nutzschaltung“ gewährleistet sein. (Kenndaten der Bauelemente beachten)

Die jeweilige Entstörmaßnahme ist in die Schaltung (Bild 10) einzutragen . Anschließend wird wie unter 4.2 die verbleibende Störspannung aufgezeichnet.

4.4 Burst-Prüfung

Die Funktionsfähigkeit eines elektronischen Gerätes bei Belastung mit hochfrequenten Nadelimpulsen (Burst) soll untersucht werden.

• Fertigen Sie eine Skizze des Versuchsaufbaues an! • Ermittlung der Störschwelle durch Variation der Ladespannung am Burst-Simulator. • Protokollieren Sie Art der Prüfungen, Art der Fehlfunktionen, Höhe der Störschwellen.

Verwenden Sie das beigefügte Protokollpapier (Einstelldaten der Messgeräte nicht vergessen).

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5. Auswertung

1) Ermitteln Sie aus den Aufzeichnung von 4.2:

• maximale Spannungsamplitude, • Dauer der maximalen Anstiegsflanke, • maximale Spannungssteilheit • maximale Spannung (Spitze-Spitze), • Dauer eines „Sub-Burst“ (Einzelimpuls), • Wiederholfrequenz der „Sub-Burst“ (Einzelimpulse) • Energieinhalt eines Sub-Bursts an einer 50 Ohm-Last,

Tragen Sie die ermittelten Kennwerte zusätzlich in die Messdiagramme aus 4.2 ein!

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2) Diskussion der Ergebnisse aus 4.2: • Wodurch entstehen die festgestellten Überspannungen?

• Erklären Sie die Funktionsweise gewählten Endstörmaßnahme

3) Nennen Sie weitere Abhilfemaßnahmen zur Vorbeugung und Beseitigung von Überspannungs-Proble-men!

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6. Literatur

U. Adolph Elektromagnetische Verträglichkeit Vorlesungen an der HS Düsseldorf J.Wilhelm Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Expert-Verlag D.Stoll Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC), Elitera-Verlag,

K.Fleck Elektromagnetische Verträglichkeit in der Praxis, VDE-Verlag, E.Habiger Handbuch Elektromagnetische Verträglichkeit, VDE-Verlag, E.Habiger Elektromagnetische Verträglichkeit, Hüthig-Verlag, 1 F.Hölzel EMV-Theoretische und praktische Hinweise für den Systementwurf, Hüthig-Verlag, T.N.Bhar, Electrostatic Discharge Control, Hayden, E.J.Mc Mahon P.Panzer Praxis des Überspannungs- und Störspannungs- schutzes, Vogel-Verlag, D.Peier Elektromagnetische Verträglichkeit Hüthig-Verlag, A.Schwab Elektromagnetische Verträglichkeit Springer-Verlag, Nachweis der Störfestigkeit gegen die Entladungen statischer Elektrizität

Prüfvorschrift: EN 61000-4-2, VDE 0847 T 4-2;

Nachweis der Störfestigkeit gegen schnelle transiente Störgrößen (Burst)

Prüfvorschrift: EN 61000-4-4; VDE 0847 T 4-4;

Nachweis der Störfestigkeit gegen Stoßspannungen Prüfvorschrift: EN 61000-4-5; VDE 0847 T 4-5; Fachgrundnorm – Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe

Prüfvorschrift: EN 61000-6-1; VDE 0839 T 6-1

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BURST

Allgemeine Angaben zum Prüfling

Prüfling: _______________________

Typ: _______________________

Serien-Nr.: _______________________

Hersteller: _______________________

Modifikation: _______________________

Repräsentative Betriebsbedingungen des Prüflings

Betriebsart: _____________________________

Versorgungsspannung: _____________________________

Hilfsspannung: ______________________________

Eingangsgrößen: ______________________________

Eingangsgrößen: ______________________________

Meß- / Prüfgeräte: Schlöder

Meßort: L1.20Meß- / Prüfgeräte:

Tischgerät: Standgerät: Oberfläche

isolierend: nichtisolierend:

Temperatur: __________

Druck: __________

rel. Luftfeuchte: __________

Prüf-punkt

Burst-frequenz

(kHz)

Burst- länge

(ms)

Prüf-spannung

(kV)

Prüf-dauer

(s)

Koppel- art

Meß- /Auslösewert vor / bei / nach

der Prüfung

Bewertung Schärfegrad

Bemerkungen: N....Koppelnetzwerk; K....Koppelzange Industriebereich: 2/1 kV Wohnbereich: 1/0,5 kV

Auftrags.-Nr: Seite: