Leistungselektronik Grundlagen Elektromagnetische Verträglichkeit – EMV

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist eines der wichtigsten Themengebiete in der Elektrotechnik. Denn ohne das Einhalten der Grenzwerte ist auch die Konformitätserklärung nichtig. Was für Regeln gibt es bei der Kennzeichnung und was genau muss eingehalten werden?

Im Fokus der EMV-Konformität stehen die korrekte Kennzeichnung und die detaillierte Dokumentation der elektromagnetischen Eigenschaften eines Produkts. Diese sind gesetzlich vorgeschrieben und enthalten wichtige Informationen über die Einhaltung der EMV-Normen, was durch Symbole wie die CE-Kennzeichnung zum Ausdruck kommt. Diese Kennzeichnung bestätigt, dass ein Produkt die relevanten Anforderungen erfüllt. Zusätzlich müssen unter Umständen Kundenanforderungen erfüllt werden, welche für den Einsatz der Geräte unter bestimmten Anforderungen notwendig sind. Hersteller müssen den Vorgang dokumentieren und die technischen Unterlagen bereithalten, welche detailliert aufzeigen, wie die Konformität mit den einschlägigen Anforderungen erreicht wurde.

Definition EMV

Dies ist die Definition der EMV nach EMV Richtlinie. Diese Richtlinie kann auf der Seite der europäischen Kommission eingesehen werden und beschreibt, welche Regularien bezüglich EMV bei inverkehrbringen eines Geräts in die EU erfüllt werden müssen.

In unserer technologisch fortgeschrittenen und vernetzten Welt wird die EMV zu einem unverzichtbaren Aspekt bei der Entwicklung von neuen Produkten. Von mobilen Endgeräten bis hin zu Fahrerassistenzsystemen oder industriellen Steuerungsanlagen wird der Ruf nach Sicherheit und Zuverlässigkeit immer lauter und notwendiger. Störungen zwischen Geräten können zu einer Beeinträchtigung im Betrieb führen. Das Themengebiet der EMV setzt sich mit den Herausforderungen dieses gemeinsamen Betriebs dieser Geräte auseinander, um Lösungsansätze für eine moderne technologische Landschaft zu finden.

Die grundlegenden Störungen in der EMV

Grundlegend unterscheidet man leitungsgebundene und strahlungsgebundene Störungen. Auf den Leitungen und im elektromagnetischen Spektrum treten dann verschiedene elektromagnetische Interferenzen (EMI) auf. In diesem Umfeld existieren transiente Störungen, welche künstlich, durch sich selbst oder durch andere elektrische Geräte hervorgerufen werden. Durch Spannungsspitzen oder Schaltvorgänge breiten sich diese Störungen über Koppelpfade aus. Neben den künstlichen Störungen gibt es aber auch natürlich vorkommende Störungen. Durch Blitze beispielsweise können Schaltungen ebenfalls gestört werden. Die freigesetzte Energie ist zwar nur von kurzer Dauer, aber die Energie ist sehr beachtlich und ruft unter Umständen erhebliche Schäden hervor.

Störaussendung vs. Störfestigkeit

Man unterscheidet zwischen Störaussendung und Störfestigkeit.

• Störaussendung (Emission): Hierbei geht es darum, welche elektromagnetischen Störungen von einem Gerät oder System, dem sogenannten Device Under Test (DUT), erzeugt werden. Diese Störungen können sowohl leitungsgebunden als auch strahlungsgebunden sein. Leitungsgebundene Störungen werden oft über die elektrischen Verbindungen des Geräts übertragen und können mittels Netznachbildungen von den Versorgungs- oder Signalleitungen ausgekoppelt und analysiert werden. Strahlungsgebundene Störungen hingegen werden durch die Luft übertragen und erfordern den Einsatz von Antennen, um sie zu empfangen und zu analysieren.

• Störfestigkeit (Immunität): Bei der Störfestigkeit wird untersucht, wie widerstandsfähig ein Gerät oder System gegenüber externen elektromagnetischen Störungen ist. Tests zur Störfestigkeit simulieren verschiedene Arten von Störungen, um zu bestimmen, bei welchem Störpegel und in welchem Frequenzbereich die Funktionalität des DUT beeinträchtigt wird. Dies schließt sowohl leitungsgebundene als auch strahlungsgebundene Störungen ein, wobei im letzteren Fall Antennen verwendet werden, um die Störung direkt auf das DUT oder dessen Kabelbaum einzukoppeln.

Neben diesen Tests gibt es noch weitere, die je nach Industrie und Einsatzgebiet des DUTs variieren. ESD (Elektrostatische Entladung) ist ein solcher Test, welcher bei Komponenten durchgeführt wird. Er beschreibt ein weiteres weiteres wichtiges Testverfahren im Rahmen der EMV-Prüfungen. ESD-Tests simulieren die Auswirkungen elektrostatischer Entladungen auf elektronische Bauteile oder Systeme, die in der realen Welt durch Berührung oder Nähe zu geladenen Objekten auftreten können. Diese Tests sind besonders wichtig für Bauteile, welche in empfindlichen Umgebungen eingesetzt werden. Wichtig ist auch zu wissen, dass diese Tests durch Luftfeuchtigkeit beeinflusst werden können.

Kopplungsmechanismen

Um zu verstehen, warum es zwischen Geräten oder Systemen zu Störungen kommt, muss man die Kopplungsmechanismen verstehen. Sie beschreiben die verschiedenen Wege, wie sich Störungen zwischen Quelle und Senke verhalten.

Die grundlegendste Art der Kopplung ist die galvanische Kopplung. Dies ist eine Kopplung über einen leitenden Pfad. Also beispielsweise eine gemeinsam genutzte Stromversorgung oder ein gemeinsamer Masse-Pfad.

Des Weiteren gibt es die kapazitive Kopplung. Diese Art der Kopplung tritt beispielsweise auf, wenn zwei Leiterbahnen oder Drähte eng nebeneinander geführt werden. Diese bilden eine Kapazität, welche eine Übertragung von Wechselspannung zulässt.

Bei der induktiven Kopplung existiert ein Koppelpfad über ein magnetisches Feld. Hier beispielsweise bei einem Schaltvorgang der Strom in einem Leiter ein Magnetfeld hervorrufen, welcher in einen benachbarten Kreis eine Spannung induziert. Man kennt dies häufig als Brummen bei Audiogeräten.

Der letzte Übertragungspfad ist die elektromagnetische Strahlungskopplung. Hier werden Wellen frei durch den Raum übertragen. Diesen Fall kennt man wie bereits erwähnt als das Geräusch im Radio bei der Nutzung eines Mobiltelefons.

Welche Grenzwerte müssen in der EMV eingehalten werden?

In der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) gibt es verschiedene Arten von Grenzwerten, welche eingehalten werden müssen. Dies ist nötig, um sicherzustellen, dass elektrische und elektronische Geräte keine elektromagnetischen Störungen verursachen oder nicht von anderen Geräten gestört werden.

Basisgrenzwerte EMV

Basisgrenzwerte sind fundamentale Schwellenwerte, die eingehalten werden müssen, um die funktionale Integrität und Kompatibilität von elektronischen Systemen und Geräten innerhalb ihrer elektromagnetischen Umgebung zu gewährleisten. Diese Grenzwerte sind entscheidend, um sicherzustellen, dass elektrische und elektronische Geräte ohne gegenseitige Störungen funktionieren können.

Internationale Gremien wie die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) und das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) spielen eine entscheidende Rolle bei der Definition solcher Grenzwerte. Sie entwickeln und veröffentlichen Standards und Normen, welche die Anforderungen für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) festlegen. Diese Standards sorgen dafür, dass Geräte so entworfen und gefertigt werden, dass sie einerseits elektromagnetische Störungen innerhalb akzeptabler Grenzen emittieren und andererseits eine angemessene Immunität gegen externe elektromagnetische Störungen aufweisen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist zum Beispiel das Mobiltelefon in der Nähe des Radios. Hier kennen viele noch das Geräusch beim Eingang einer Nachricht oder eines Anrufs.

EMV Normen

Neben den Grenzwerten für Immunität und Emission enthalten EMV Normen natürlich auch noch die Messanforderungen. Eine exakte Beschreibung der Testverfahren ist hier für jeden Test vorhanden, sodass jedes Labor nach denselben Aufbauten Messungen reproduzieren kann. Je nach Industrie gibt es verschiedene Normen für EMV. So unterscheidet sich die EMV Norm für Medizintechnik natürlich stark von der EMV Norm für Automotive. EMV Messungen erfolgen also nach harmonisierten Normen im akkreditierten EMV Labor.

Beispiele für Normen:

• DIN EN 61000 – Allgemeines - Verfahren zum Erreichen der funktionalen Sicherheit von elektrischen und elektronischen Systemen

• DIN EN 301489 – Standard für Funkeinrichtungen und -dienste

• DIN EN 50121 – Bahnanwendungen – Elektromagnetische Verträglichkeit

• CISPR 25 – Fahrzeuge, Boote und Verbrennungsmotoren - Funkstöreigenschaften – Grenzwerte und Messverfahren für den Schutz der bordeigenen Empfangsgeräte

• DIN EN 60601 – Medizinische elektrische Geräte

Kundenanforderungen

Neben den offiziell festgelegten Normen stellen Kunden häufig spezifische Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit von Produkten, welche zugekauft werden. Diese kundenspezifischen Vorgaben übertreffen in der Regel die gesetzlichen Mindestanforderungen, da sie auf den besonderen Bedingungen und Umgebungen basieren, in denen das Gerät zum Einsatz kommen soll. Solche Anforderungen können entweder auf Branchenstandards aufbauen oder sich an den internen Richtlinien eines Unternehmens orientieren. Sie sind maßgeschneidert, um eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit des Produkts unter spezifischen oder extremen Bedingungen zu gewährleisten.

dBµV das essenzielle Maß

Störungen in der elektromagnetischen Verträglichkeit werden oft in der Einheit dBµV ausgedrückt, um die Intensität von Störspannungen zu quantifizieren. dBµV steht für Dezibel-Mikrovolt und repräsentiert eine logarithmische Maßeinheit, die eine Störspannung im Verhältnis zu einer Referenzspannung von einem Mikrovolt (µV) angibt. Diese Einheit wird verwendet, um die Stärke elektromagnetischer Störungen oder Signale zu beschreiben, die von elektrischen und elektronischen Geräten erzeugt oder empfangen werden.

Wellencharakteristik

Neben dem herkömmlichen Signalfluss über elektrische Leiter ist in der EMV, welche ja primär auf hochfrequente Effekte ausgerichtet ist, die Wellencharakteristik entscheidend. Bei niedrigen Frequenzen breiten sich die Signale der Schaltung über den dafür berücksichtigten Signalpfad aus, doch mit zunehmender Frequenz ändern sich auch die Ausbreitungsbedingungen. Effekte wie Reflexionen, Beugung und stehenden Wellen sind von dort an Phänomene, welche die Signalintegrität beeinflussen können. Ein Verständnis dieser Welleneffekte ist grundlegend, um die Zuverlässigkeit der Schaltung beeinflussen zu können.

Kommen also neben dem Leistungsteil der Schaltung auch noch eine Kommunikation hinzu, so muss versucht werden, dass eine einwandfreie Kommunikation noch möglich ist und nicht der Schaltvorgang im Kommunikationskanal sichtbar ist.

Absorberkammer

Um weder Störungen nach außen noch Störungen in den Raum zu bringen, gibt es Absorberkammern. Diese mit Ferrit gekachelten und geerdeten Metall-Boxen, schirmen nahezu alles ab, was von außen kommt und nach außen dringt. Spezielle metallische Dichtungen an den Türen sorgen außerdem dafür, dass keine elektromagnetische Strahlung durch kleinste Öffnungen dringen kann. Jede Kabelstrecke, welche von außen nach innen geht, muss gefiltert werden, sodass der Raum „still“ ist. Hierzu werden riesige Netzfilter zwischengeschaltet, um auch die letzte Störung zu eliminieren. Selbst Lampen und Lüftungen müssen gewisse Anforderungen erfüllen, um nicht später in einer Messung als Störquelle identifiziert zu werden. Signale zur Kommunikation mit dem Prüfling werden durch optische Transceiver übermittelt. Hierfür werden Glasfaserleitungen verwendet, da diese nicht als Antennenstruktur nach außen wirken. Moderne Kammern haben für die Umschaltung von horizontale auf vertikale Polarisation spezielle Antennenhalter, welche die 90 ° Drehung mittels Druckluft realisieren.

Pre-Compliance

EMV Precompliance bezeichnet vorbereitende Tests und Prüfungen, die im Entwicklungsprozess elektrischer und elektronischer Geräte durchgeführt werden können, um frühzeitig die Einhaltung der EMV zu bewerten. Diese Tests bieten dem Entwickler wichtige Einblicke in die EMV-Leistung seines Produkts. Ziel ist es, potenzielle Probleme und Nichtkonformitäten bereits in einem frühen Stadium der Produktentwicklung zu identifizieren und zu beheben. Dies verhindert kostenintensive Änderungen und Verzögerungen in den späteren Phasen der Produktentwicklung.

Precompliance-Tests umfassen typischerweise Messungen der elektromagnetischen Emissionen und der Störfestigkeit eines Produkts unter Verwendung von vereinfachten Testaufbauten. Diese Tests können in-house mit grundlegenden Testgeräten durchgeführt werden, was eine kosteneffiziente Möglichkeit bietet, das Design iterativ zu verbessern, bevor es an ein zertifiziertes Labor für die endgültigen Compliance-Tests gesendet wird.

Die Durchführung von EMV Precompliance-Tests bietet mehrere Vorteile:

• Frühzeitige Fehlererkennung: Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit können früh im Designprozess erkannt und behoben werden, was die Entwicklungszeit verkürzt und die Kosten reduziert.

• Designoptimierung: Durch wiederholte Precompliance-Tests können Designer das Produkt iterativ verbessern, um die bestmögliche EMV-Leistung zu erreichen.

• Risikominimierung: Das Risiko von Verzögerungen in der Markteinführung wird minimiert, da potenzielle Nichtkonformitäten vor den abschließenden Compliance-Tests identifiziert und adressiert werden.

• Kosteneinsparungen: Indem kostspielige Designänderungen und zusätzliche Tests in zertifizierten Laboren vermieden werden, können erhebliche Einsparungen erzielt werden.

EMV-Konformität sicherstellen

Wie der EMV-Precompliance-Test im Entwickleralltag gelingt

Wer nicht gerade eine Absorber-Kammer neben seinem Entwicklungsarbeitsplatz stehen hat, der kann Pre-Compliance-Lösungen nutzen, um sein Produkt zur Marktreife zu entwickeln. Durch Aufbauten am Entwicklungsarbeitsplatz, kann jeder Entwickler mit einfacheren Messmitteln die Störungen vorab analysieren und sein Produkt auf die Freigabemessung vorbereiten.

Zukünftige Herausforderungen der EMV

Gerade in der Zukunft werden immer schnellere Datenraten benötigt. Um die fehlerfreie Übertragung sicherzustellen, muss sich also auch die EMV immer neuen Herausforderungen stellen. Gerade 5G oder autonomes Fahren wird eine sorgfältige Betrachtung EMV-Prinzipien erfordern, um die Koexistenz von diversen Technologien auch in Zukunft sicherzustellen. Gerade durch die komplexe Mischung aus elektronischen Komponenten und elektronischen Systemen, die eng zusammenarbeiten müssen, entstehen schwierige Herausforderungen. Radar, Lidar, GPS und V2X-Kommunikation (Fahrzeug-zu-allem) sind Technologien, sind hier Schlüsseltechnologien, welche Sicherheitsrelevant sind und nicht gestört werden sollten. Viele Experten betonen, dass die EMV Bedeutung weit über die technischen Spezifikationen hinausgeht, da sie die Grundlage für die zuverlässige Funktion und Koexistenz elektronischer Geräte in unserer modernen Welt bildet. (mr)

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