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EMV-Test: Unverträglichkeiten frühzeitig aufdecken

| Autor / Redakteur: Dirk Fiedler * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wird ein elektronisches Gerät nicht für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zertifiziert, sind teure Nachprüfungen notwendig. Günstiger ist es, während der Entwicklungsphase zu prüfen.

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Ein Prüfling wird in der GTEM-Zelle auf seine EMV-Störfestigkeit getestet.
Ein Prüfling wird in der GTEM-Zelle auf seine EMV-Störfestigkeit getestet.
(Bild: Hesch)

Die neue Dienstleistung richtet sich an Elektronikhersteller, die kein eigenes Labor besitzen. Sie können ihre neuen Geräte nicht selbst auf eine mögliche elektromagnetische Unverträglichkeit prüfen, sondern erfahren erst beim Zertifizierungsverfahren im akkreditierten Fachlabor, ob sie die Bestimmungen des „Elektromagnetische-Verträglichkeit-Gesetz (EMVG)“ einhalten. In den Tests wird gemäß EMV-Richtlinie 2014/30 EU geprüft, ob die Geräte im Betrieb ungewollte oder unzulässige Störungen bei elektrischen Einrichtungen in der näheren Umgebung verursachen.

Fällt das Ergebnis negativ aus, sind dem Unternehmen nicht nur hohe Kosten entstanden. Es muss die Produkte außerdem nachbessern und anschließend erneut testen lassen – allerdings ohne die Gewissheit zu haben, dass sie dann die Prüfung bestehen. Elektronikhersteller können die Mehrkosten zwar über einen höheren Verkaufspreis ihrer Geräte wieder hereinholen, müssen dann aber damit rechnen, Wettbewerbsnachteile gegenüber Mitbewerbern zu erleiden, deren Produkt-Entwicklungskosten niedriger sind.

Unverträglichkeiten werden frühzeitig erkannt

Seit über 40 Jahren fertigt Hesch Industrie-Elektronik Steuerungs- und Automatisierungskomponenten und kennt die Problematik gut. Bis 2017 war das Unternehmen selbst auf die Expertise externer Prüflabore angewiesen, um die elektromagnetische Verträglichkeit seiner Produkte belegen zu können. Jetzt greift das Unternehmen auf ein eigenes EMV-Labor zurück. Das Labor bietet eine GTEM-Zelle (Gigahertz Transverse Electro Magnetic Cell) und notwendige Messungen lassen sich entwicklungsbegleitend im eigenen Haus durchführen.

Im Test können Unverträglichkeiten frühzeitig aufgedeckt und korrigiert werden. Teure Mehrfachprüfungen können im akkreditierten, externen Labor entfallen. Bisher testet man ausschließlich eigene Produkte und im Auftrag gefertigte Geräte. Den Service können auch andere Elektronikhersteller nutzen.

GTEM-Zelle ist Herzstück des EMV-Labors

Im Herzstück des EMV-Labors, der GTEM-Zelle, lassen sich sämtliche Geräte bzw. Platinen mit den maximalen Abmessungen von 60 cm x 60 cm x 50 cm überprüfen. Bei der GTEM-Zelle handelt es sich um eine metallisch vollständig geschlossene und abgeschirmte Messvorrichtung in pyramidenähnlicher Form. Sie nimmt den Prüfling auf, an dem dann die Messung und Prüfung gestrahlter Störsendungen bzw. Störfestigkeit nach IEC 61000-4-20 erfolgen.

Entwickler können in einem Frequenzspektrum von 80 MHz bis hin zu einem GHz messen. Zudem ist die GTEM-Zelle von der Umgebung elektromagnetisch vollständig entkoppelt. Die GTEM-Zelle ersetzt die Störfestigkeitsprüfungen (SF) und Störaussendungsmessungen (SA) in herkömmlichen Absorberräumen und beansprucht weniger Platz. Ein weiterer Vorteil der Zelle gegenüber einem Absorberraum ist der weitaus geringere Zeitaufwand für die Tests: Während sie in einer Absorberhalle etwa zwei Stunden dauern, sind sie in der GTEM-Zelle bereits nach 30 Minuten abgeschlossen.

Leitungsgeführte und gestrahlte Messverfahren

Ein Prüfling wird in der GTEM-Zelle auf seine EMV-Störfestigkeit getestet.
Ein Prüfling wird in der GTEM-Zelle auf seine EMV-Störfestigkeit getestet.
(Bild: Hesch)

In der GTEM-Zelle werden Messungen in einem breiten Frequenzspektrum von 80 MHz bis hin zu 1 GHz vorgenommen.
In der GTEM-Zelle werden Messungen in einem breiten Frequenzspektrum von 80 MHz bis hin zu 1 GHz vorgenommen.
(Bild: Hesch)

Mit den sogenannten leitungsgeführten Verfahren testet Hesch in seinem EMV-Labor unter anderem die Störfestigkeit elektronischer Geräte gegen elektrostatische Entladung nach EN 61000-4-2, gegen Stoßspannungen nach EN 61000-4-5, gegen schnelle transiente elektrische Störgrößen (Burst) nach EN 61000-4-4 und gegen Spannungsschwankungen nach EN 61000-4-11.

Darüber hinaus fällt unter die leitungsgeführten Aussendungs-Tests auch die Messung der leitungsgeführten Störspannung. In den gestrahlten Messverfahren wird dagegen untersucht, wie hoch die gestrahlte Störfestigkeit im transversal-elektromagnetischen TEM-Wellenleiter von 80 MHz bis 1 GHz ist. Zusätzlich misst man hier die gestrahlte Störaussendung von 30 MHz bis 6 GHz.

Im EMV-Labor kommen neben einem HF-, ESD- und Surge-Messplatz unter anderem Mess-Einrichtungen wie eine Zweileiter-V-Netznachbildung und Messempfänger für die Störaussendung bis 6 GHz sowie über einen Generator zur Erzeugung von Spannungsschwankungen und Kurzzeitunterbrechungen der Stromversorgung zum Einsatz. Somit lassen sich Tests und Messungen durchführen, die für eine EMV-Verträglichkeitsprüfung nötig sind.

Auf die Gesamtemission achten

Hier ist das Spektrum der gestrahlten Funkfeldstärke eines Prüflings von 30 MHz bis 1 GHz zu erkennen – gemessen in der GTEM-Zelle. Die rote Grenzwertlinie wurde überschritten, so dass die Messung als „nicht bestanden“ gilt.
Hier ist das Spektrum der gestrahlten Funkfeldstärke eines Prüflings von 30 MHz bis 1 GHz zu erkennen – gemessen in der GTEM-Zelle. Die rote Grenzwertlinie wurde überschritten, so dass die Messung als „nicht bestanden“ gilt.
(Bild: Hesch)

Pre-Compliance-Tests sollten selbst dann erfolgen, wenn die einzelnen Module eines elektronischen Geräts laut Herstellerangaben alle EMV-Anforderungen erfüllen. Es kommt nicht selten vor, dass die Gesamtemissionen des Gerätes bei bestimmten Frequenzen trotzdem die zulässigen Grenzwerte überschreiten. Der Gerätehersteller könnte also eine unangenehme Überraschung erleben, wenn er sich nur auf die Angaben seiner Zulieferer verlässt. Um die Grenzwerte einzuhalten, können Ingenieure und Konstrukteure bereits in der Produktentwicklungsphase einige Vorkehrungen treffen.

Dazu zählt beispielsweise die Installation von Ausgangsfiltern für die Stromversorgung und die richtige Entkopplung der Versorgungsanschlüsse der ICs. Auch die Erdung und korrekte Platzierung der Masseflächen in mehrlagigen Leiterplatten und die Vermeidung langer Signalleitungen sind sinnvolle konstruktive Maßnahmen.

* Dirk Fiedler begleitet als EMV-Fachmann bei Hesch Industrie-Elektronik in Neustadt die Pre-Compliance-Tests.

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