EMV-Simulation

Verbessertes EMV-Verständnis durch Simulation

01.02.16 | Autor / Redakteur: Christian Römelsberger * / Sebastian Gerstl

Durch ausgefeilte Simulation von elektromagnetischer Verträglichkeit ergeben sich neue Möglichkeiten in der Produktentwicklung. Teil 1 einer dreiteiligen Artikelserie.
Durch ausgefeilte Simulation von elektromagnetischer Verträglichkeit ergeben sich neue Möglichkeiten in der Produktentwicklung. Teil 1 einer dreiteiligen Artikelserie. (Bild: Cadfem)

Was gibt es bei der Simulation von elektromagnetischer Verträglichkeit zu beachten? Im ersten Teil unserer Serie zeigen wir, wie sich durch Simulation neue Möglichkeiten in der Produktentwicklung ergeben.

Die Anzahl und die Leistungsfähigkeit von elektronischen Baugruppen nimmt stetig zu und somit auch die ingenieurstechnischen Herausforderungen. Neue Funktionalität wird integriert, Packungsdichten werden erhöht und Leistungspegel auf Datenleitungen gesenkt. Ein prominentes Thema, das immer wieder im Fokus steht, ist deshalb die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), die mit Hilfe von Simulationslösungen besser verständlich und somit beherrschbar wird.

In der technologischen Entwicklung spielen nachhaltige Energieversorgung und Vernetzung eine zentrale Rolle. Um diese beiden Themen zu meistern nimmt die Bedeutung der Elektronik zu:

  • Moderne Leistungselektronik ist ein wichtiger Faktor für effiziente Energieumwandlung in elektrischen Maschinen und zur Energieübertragung und Speicherung.
  • Hochgeschwindigkeits-Digitalelektronik dient zur schnellen, robusten Kommunikation umfassender Daten, zur Umsetzung komplexer Algorithmen und zur Regelung.
  • In der Sensorik spielt die analoge Elektronik eine wichtige Rolle. Hohe Empfindlichkeiten und Interdisziplinäre Lösungsansätze sind genauso gefragt wie die Anbindung an die Software zur Auswertung einer Vielzahl hochvernetzter Sensoren.
  • Zur drahtlosen Datenübertragung werden Frequenzen im Radiowellenbereich (Kilohertz bis Gigahertz) benötigt. In der werden Signale auf eine Trägerwelle aufmoduliert bzw. von einer Trägerwelle abmoduliert und diese Trägerwellen werden verstärkt, gefiltert, getrennt und an die Antennen angepasst.

In diesem Zusammenhang ist EMV ein sehr breites Themengebiet unter dem die verschiedenen Elektronikentwickler aus den unterschiedlichsten Bereichen ihre speziellen Problematiken berücksichtigen müssen. Dazu zählen eine Vielzahl von Normen, die es einzuhalten gilt und die je nach Industrie die Anforderungen regeln. Diese sind kritisch für den Erfolg eines Produktes, da die Zulassung davon abhängt und die Funktionalität des Produktes im realen Einsatz beeinträchtigt werden kann.

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Ungewollte elektromagnetische Interferenzen minimieren

Die ungewollten elektromagnetischen Interferenzen (EMI) können einerseits innerhalb eines Gerätes zwischen verschiedenen Komponenten stattfinden, z.B. zwischen dem digitalen und dem analogen Teil einer Schaltung. Dabei kann der hohe Frequenzgehalt von Schaltflanken digitaler Signale analoge Sensoren in der Nachbarschaft sehr stark stören. Andererseits können aber auch Störsignale aus der Umgebung ein Gerät beeinflussen, das nennt sich elektromagnetische Suszeptibilität (Störanfälligkeit). Oder das Gerät sendet selbst Störungen aus, die die Umgebung beeinflussen.

Diese Aufteilung in Störaussendung und Störempfindlichkeit ist eine sehr nützliche Abstraktion, die es erlaubt, Normen zu definieren. Die Störungen können sich sowohl entlang von Leitern als auch in Form von elektromagnetischen Feldern im freien Raum ausbreiten. Die Aufgabe, die einzelnen Applikationen gegen äußere Einflüsse in ihrer Funktion robuster zu gestalten, betrifft aber nur die Hälfte der Entwicklungsbemühungen. Die andere Hälfte beschäftigt sich mit der Frage, wie sich die Störaussendung oder EMI von den Komponenten unterbinden lässt, damit sie für den Einsatz in unserem Alltag zulässig sind.

Kosten, die mit Entwicklungstätigkeiten rund um die EMV entstehen, bilden heute einen der größten Posten in der Gesamtentwicklung eines Gerätes. Für Geräte im medizinischen und militärischen Einsatz sind die EMV-betreffenden Kosten besonders hoch. Um die festgelegten Normen zu erfüllen, sind oft viele Entwicklungszyklen notwendig, in denen Prototypen gebaut und in genormten EMV-Messeinrichtungen geprüft sowie zertifiziert werden. Aufgrund der Komplexität vieler elektronischer und elektrischer Geräte ist es dabei oft schwierig, möglichen Störungsursachen auf die Spur zu kommen, um auftretende Probleme zu lösen.

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