EMV-Prüfung von Geräten

Mit diesen Entstörungsmaßnahmen lassen sich typische EMV-Probleme vermeiden

04.04.2008 | Autor / Redakteur: Dervis Günaydin* / Hendrik Härter

Seit Juli 2007 gilt eine geänderte europäische EMV-Richtlinie 89/336/EWG. Die elektromagnetische Verträglichkeit ist entscheidend für die Funktion eines Gerätes und muss daher zwinged bereits in der Produktentwicklungsphase beachtet und umgesetzt werden. Wir zeigen Ihnen, welche Störmechanismen es gibt und welche Maßnahmen in der Designphase notwendig sind.

Jedes elektrische Bauteil, Gerät oder Anlage (kurz: Betriebsmittel) erzeugt durch die Umwandlung der Energie elektromagnetische Felder. Diese elektromagnetischen Felder können über elektrische Betriebsmittel hinausgehen und somit in andere Betriebsmittel eindringen und deren Funktionen stören. In der elektromagnetischen Umgebung wird ein Frequenzbereich von 0 Hz bis 400 GHz angenommen [1].

Das Betriebsmittel, welches andere Betriebsmittel über elektromagnetische Felder stört oder beeinflusst, wird als Störquelle bezeichnet. Gestörte Betriebsmittel, welche die Störung empfangen, wird Störsenke genannt. Grundsätzlich kann ein Betriebsmittel sowohl Störquelle als auch Störsenke sein. Der Weg der elektromagnetischen Störenergie zwischen Quelle und Senke wird Kopplung genannt (Bild 1).

EMV ist nicht nur das störungsfreie Funktionieren des Betriebsmittels, sondern auch die Beschränkung des elektromagnetischen Feldes auf das Betriebsmittel und dessen Verträglichkeit für die Umgebung hinsichtlich der Störaussendung und Störfestigkeit. Kurz gefasst: Das Betriebsmittel darf andere nicht beeinflussen und selbst nicht beeinflussbar sein.

Störungsmechanismen müssen bekannt sein

Um EMV überhaupt gewährleisten zu können, müssen die Störungsmechanismen bekannt sein. Neben den natürlichen Störquellen, wie beispielsweise einem Blitz, gibt es verschiedene Kopplungsarten:

  • Galvanisch: Kopplung von zwei Stromkreisen über einen gemeinsamen Strompfad,
  • Kapazitiv (elektrische Kopplung): Kopplung von zwei Stromkreisen über ein elektrisches Wechselfeld. Hauptsächlich im Hochfrequenzbereich,
  • Induktiv (magnetische Kopplung): Kopplung zweier Stromkreise über ein magnetisches Wechselfeld. Hauptsächlich im Niederfrequenzbereich und
  • Strahlungskopplung (elektromagnetische Kopplung): Aussendung von Wellenfeldern mit elektrischer und magnetischer Feldstärke.

Die Kopplungsart bedingt demnach die entsprechende Störungsart. Während die galvanische, kapazitive und induktive Kopplung leitungsgebundene Störungen hervorrufen, ist die Kopplung durch Strahlung leitungsungebunden.

Veränderte gesetzliche Rahmenbedingungen

Der Gesetzgeber trägt diesem Anliegen mit der EMV-Richtlinie 89/336/EWG und deren Neufassung 2004/108/EG zum 20.7.2007 mit Übergangsfrist bis 2009 europaweit Rechnung. Der Hersteller oder Importeur muss anhand einer Konformitätserklärung bestätigen, dass das von ihm in den Wirtschaftsverkehr eingebrachte Betriebsmittel oder Gerät die zutreffenden EU-Richtlinien erfüllt. Für den Vertrieb aller elektrischen und elektronischen Geräte innerhalb der EU gilt daher, dass diese Geräte:

  • die einschlägigen EMV-Normen in Abhängigkeit von der Produktgruppe erfüllen,
  • in einem akkreditierten EMV-Labor geprüft werden,
  • eine Konformitätserklärung erhalten, die vom Hersteller unterzeichnet sein muss und
  • eine Kennzeichnung mit dem CE-Zeichen erhalten, das am Gerät fest angebracht oder eingeprägt sein muss.

Ab dem 20. Juli 2009 gilt uneingeschränkt die neue Richtlinie. Dann muss jedes erstmalig in den Verkehr gebrachte Produkt eine Konformitätserklärung erhalten, sowie ein CE-Zeichen haben. Bestehende Produkte müssen der neuen EU-Richtlinie gemäß umgestellt werden [2].

Maßnahmen in der Designphase

Es ist zwingend erforderlich, EMV bereits in der Produktentwicklungsphase zu beachten und umzusetzen. Hierfür müssen die vorgegebenen EMV-Anforderungen innerbetrieblich umgesetzt werden. Die Planungsschritte sollten darauf hinauslaufen, durch geeignete Maßnahmen das Betriebsmittel/Produkt bereits vor der Serientauglichkeit auf EMV hin zu testen und auszurichten.

Ein typisches EMV-Problem wird durch die galvanische Kopplung hervorgerufen. Die Ursache hierbei sind die gemeinsamen Zuleitungen mehrerer Betriebsmittel. Sie können auch geräteintern zwischen Baugruppen sowie Bauelementen wie ICs auf Leiterplatten entstehen. Dabei spielen die Leitungsinduktivität und der gemeinsame Rückleiter der Zuleitungen eine große Rolle. Die Störung entsteht bei Zu- und Abschaltung der Komponenten.

Bild 2 stellt ein übliches Beispiel für eine solche Anwendung dar. Die Verbraucher V1, V2 und V3 werden über die gemeinsamen Zuleitungen Zg am selben Versorgungsnetz angeschlossen und mit Spannung versorgt. Jeder Ein- und Ausschaltvorgang eines Verbrauchers führt zu Schwankungen der Versorgungsspannung. Dieses Schaltverhalten beeinträchtigt die Funktionen der über die gemeinsamen Zuleitungen versorgten Verbraucher.

Die Leitungsinduktivität kann durch kurze Leitungslänge, dichte Leiterführung und Verdrillen der Zuleitungen verringert werden [1].

Weitere Abhilfen können im Gerät durch folgende Maßnahmen geschaffen werden:

  • Für jedes IC sollte ein Stützkondensator als Energiespeicher eingefügt werden,
  • Stromkreisverbindungen sollten punktförmig ausgelegt werden,
  • Je Stromkreis sollte eine völlig separate Leitungsführung vorgenommen werden,
  • Erdschleifen sollten vermieden werden,
  • Bei frequenzerzeugenden Komponenten, ICs mit der Spread-Spectrum-Technologie verwenden. Bei dieser Technologie wird das Prinzip des Spreizspektrums angewendet. Dabei wird das Frequenzspektrum eines Signals über eine größere Bandbreite gestreut und
  • HF-Signale und Schaltungsteile können in HF-Kammern platziert werden. Die Signalführung erfolgt in den Innenlagen der Platine. Die freien Außenlagenflächen können dabei mit Masse-Flächen aufgefüllt werden.

Einleiten von Entstörungsmaßnahmen

Werden die Emissionsgrenzen oder die Festigkeitswerte bei der EMV-Prüfung dennoch überschritten, so müssen Entstörmaßnahmen eingeleitet werden. Hierzu müssen Art und Herkunft der Störungen ermittelt werden. Die leitungsgebundenen Störungen können vermieden werden, indem

  • der Leitungsabstand vergrößert wird,
  • keine Parallelführung der Leitungen zugelassen wird,
  • ein geerdeter Schirm als Kopplungsunterbrechung und
  • gegebenenfalls eine Reduktionsschleife verwendet wird.

Entstörungsmaßnahmen bei der strahlungsgebundenen Störung sind nachträglich als schwierig einzustufen. Nach Ermittlung der Störquelle und der Ursache können als mögliche Maßnahmen genannt werden:

  • Einbau eines Filters in der Stromversorgung,
  • Verbessern der Signalqualität, Abflachung steiler Schaltflanken,
  • Entkoppeln und Abschirmen störender Signale,
  • Taktfrequenz verringern und
  • Abschirmen von störenden Teilschaltungen.

Quellen:

1 Messe EMV Stuttgart 2007 Workshop Prof. Dr.-Ing. Michael Ermel „EMV-Wissen für Neu- und Quereinsteiger“

2 Bundesnetzagentur Workshop Mai 2007 „Auswirkungen der neuen EMV-Richtlinie auf die Industrie“

*Dipl.-Ing. Dervis Günaydin arbeitet als Hardware-Entwickler bei Mixed Mode in Gräfelfing.

 

Neue gesetzliche EMV-Richtlinien seit Juli 2007

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Danke für den guten Artikel  lesen
posted am 02.12.2014 um 15:39 von Unregistriert


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