Wie sich die EMV-Anforderungen trotz Zeit- und Kostenbeschränkungen erfüllen lassen

Um die EMV-Vorschriften zu verstehen, ist Spezialwissen erforderlich. Bei neuen Produkten kann es OEMs daher schwer fallen, Probleme rund um die elektromagnetische Verträglichkeit und die Einhaltung dieser Vorschriften zu identifizieren. Ist die Zeit und das Budget knapp, werden womöglich nicht alle Probleme gelöst. Filter, Abschirmungen und Drosseln helfen bei der Suche nach einer schnellen und kostengünstigen Lösung.

Die Vorschriften hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) sollen sicherstellen, dass die unterschiedlichen Arten von Elektro- und Elektronikgeräten, die in Haushalten und am Arbeitsplatz sowie zunehmend in Smart Cities, Verkehrsinfrastrukturen und vernetzten Fahrzeugen zum Einsatz kommen, in unmittelbarer Nähe nebeneinander verwendet werden können. Diese Koexistenz ist für den Betrieb der Systeme unerlässlich, ohne dass andere Geräte gestört werden oder externe Störungen auftreten.

Das übergeordnete Ziel besteht darin, zu verhindern, dass Geräte oder Prozesse durch elektromagnetische Effekte ausfallen. Die Folgen solcher Ausfälle können von kleinen Unannehmlichkeiten wie einem gestörten Empfang einer Textnachricht oder einer ungenauen Aufzeichnung durch einen Schrittzähler bis hin zu lebensgefährlichen Situationen reichen, wenn ein medizintechnisches Gerät wie ein Herzschrittmacher, Sicherheitssystem für die Bremssteuerung in Fahrzeugen oder die Signalgebung in der Bahntechnik gestört wird.

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Störquellen und Kompatibilitätsstandards

Gängige Störquellen sind Schaltnetzteile, DC/DC-Schaltwandler sowie 1- oder 3-Phasen-Motoren und ihre zugehörigen Treiber. Generell werden Störungen bei Frequenzen bis 30 MHz durch Leitungen/Kabel und Strompfade oder durch induktive oder kapazitive Mechanismen zwischen Leitungen übertragen.

Diese leitungsgebundenen Störungen können Subsysteme innerhalb des Gesamtsystems oder andere in der Nähe befindliche Geräte beeinflussen. Störsignale (Interferenzen) oberhalb von 30 MHz werden von metallischen Teilen, Komponenten/Bauteilen oder Kabeln, die als Antennen wirken, abgestrahlt. Solche Störstrahlantennen können auch abgestrahlte Störungen von einer anderen Quelle aufnehmen.

Da Störsignale über gleiche Signalwege gekoppelt sind, weisen Geräte, die als starke Störquellen wirken, gleichzeitig eine schlechte Immunität gegenüber externen Störungen auf.

In Europa gilt die EMV-Richtlinie 2014/30/EU. Harmonisierte Normen im Sinne dieser Richtlinie gelten für zwei Produktgruppen, wie sie in der EN 55014 für Haushaltsgeräte und Elektrowerkzeuge sowie in der EN 55015 für elektrische Beleuchtung aufgeführt sind. Der Umfang dieser Spezifikationen umfasst die Stärke der elektromagnetischen Signale, die von Geräten abgegeben werden sowie die Störfestigkeit externer Quellen.

Neue Geräte müssen auf Konformität getestet werden, bevor das Produkt in EU-Ländern vermarktet werden kann. Geräte für gewerbliche, industrielle oder geschäftliche Zwecke werden als Klasse A eingestuft. Geräte für den Einsatz in Haushalten werden der Klasse B zugeordnet. Die Vorschriften für Geräte der Klasse B sind tendenziell strenger.

In der Tabelle sind die Arten von Tests aufgeführt, die zur Bewertung der Störungen und der Störfestigkeit von Geräten verwendet und zur Prüfung eingereicht werden. Um die EMV-Vorschriften zu erfüllen, muss bei geprüften Geräten nachgewiesen werden, dass die Signalstärke aller Störungen unterhalb der festgelegten Grenzwerte leitungsgebundener und abgestrahlter Frequenzbereiche liegt. Darüber hinaus müssen die Geräte gegen Störsignale und Störungen bis zu spezifizierten Signalstärken immun sein.

Design für die Elektromagnetische Verträglichkeit

Um sicherzustellen, dass elektromagnetische Störungen und die Störfestigkeit innerhalb bestimmter Grenzen liegen, sollten ab der Leiterplattenebene beste Entwurfspraktiken zum Einsatz kommen, um mögliche Störsignalpfade zu beseitigen. Dazu zählen Ausgangsfilter für die Stromversorgung, die richtige Entkopplung der U_cc-Anschlüsse der ICs, die sorgfältige Erdung und korrekte Platzierung der Masseflächen in mehrlagigen Leiterplatten sowie die Vermeidung langer Signalleitungen, die als Antennen dienen können.

OEM-Entwicklungsteams sind möglicherweise nicht mit den Spezifikationen und Prüftechniken vertraut, die in der Richtlinie 2014/30/EU festgelegt sind und verfügen möglicherweise nicht über EMV-Fachwissen im eigenen Haus. Auch bei Produkten, die durch die Integration von Modulen externer Zulieferer gefertigt werden, haben die OEM-Entwickler oft keine Kontrolle über Designentscheidungen auf Leiterplattenebene.

Entwickler können auch vor der Situation stehen, dass Module externer Zulieferer die EMV-Richtlinien zwar erfüllen, die Gesamtemissionen des OEM-Systems mit mehreren Modulen jedoch bei bestimmten Frequenzen über den festgelegten Grenzwerten liegen. Dies kann zum Beispiel bei LED-Beleuchtungssystemen der Fall sein, die mehrere Treiber mit Schaltnetzteilen (SMPS-Modulen) enthalten, die der EN 55015 entsprechen, obwohl zusätzliche Filter auf Systemebene erforderlich sind, um die Konformität des Gesamtprodukts zu gewährleisten.

Wurde ein OEM-System getestet und zertifiziert, kann eine anschließende Änderung des Designs, z.B. für ein Derivat oder ein Produkt der nächsten Generation, zu erhöhten Emissionen führen. Das neue Produkt besteht dann möglicherweise die EMV-Tests nicht.

Auch die Unterschiede zwischen EMI-Signalstärken, die für Elektrogeräte in Haushalten und Industrieanlagen zulässig sind, können überraschen. Während die Richtlinien für Industrieanlagen in einigen Frequenzbändern leitungsgebundene oder abgestrahlte Störungen bis etwa 75 oder 100/110 dB zulassen, können die entsprechenden Grenzwerte für Haushaltsgeräte um 10 dB oder mehr geringer ausfallen. Dies kann bei der Auswahl eines Moduls, z.B. eines Wechselrichters für ein HVAC- oder ein Haushaltsgerät von Bedeutung sein.

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