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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

EMV Elektromagnetische

EMV Elektromagnetische Verträglichkeit und Spektrumanalyse Der vorliegende Artikel zeigt anhand von Beispielen aus dem EMV-Bereich den Einsatz eines Spektrumanalysators exemplarisch auf. Angesprochen wird dabei der Praktiker, der sich bei seiner täglichen Arbeit mit moderner Elektronik, Signalen und Spektren auseinandersetzen muss. Die Leistungsfähigkeit moderner Elektronik (Halbleiterbauelemente, Mikroprozessoren, Oszillatoren...) wird u.a. durch eine immer weiter gesteigerte Verarbeitungsgeschwindigkeit erreicht. Die dabei auftretenden Signalfrequenzen liegen schon längst in Bereichen, die nach den Methoden der Hochfrequenztechnik betrachtet werden müssen. Die dazu notwendige Messtechnik bedient sich dabei immer mehr der Spektrumanalyse. Bild 1: Ermittlung der abgestrahlten Störenergie mithilfe einer Magnetfeld-Sonde (H-Feld-Sonde) und eines Spektrumanalysators EMV-Probleme im Griff Harmlosere EMV-Problematiken, die uns quasi täglich umgeben, manifestieren sich beispielsweise folgendermaßen: Ein Autoradio gibt undefinierbare Geräusche von sich, wenn ein Mobiltelefon benützt wird, oder der Bildschirm „wackelt“, wenn in der Nähe ein Zug vorbeifährt. Hierbei handelt es sich mit größter Wahrscheinlichkeit um elektromagnetische Unverträglichkeit. Ein elektrisches System ist erst dann elektromagnetisch verträglich, wenn es: • sich selbst nicht stört, • andere Systeme nicht stört, • von anderen Systemen nicht gestört wird. Hier setzen die seit dem 1.1.1996 in Kraft getretenen EG-Richtlinien an. Man möchte verhindern, dass elektrische Systeme von elektromagnetischen Feldern aus der Umgebung gestört werden bzw. andere Systeme stören. Wer ein CE-Zeichen auf ein Gerät aufbringen will, muss einen Nachweis über eine gewisse Mindestanforderung an elektromagnetischer Verträglichkeit erbringen. Die Qualität des Systems muss durch entsprechende Prüfergebnisse belegt werden. Wo früher Ströme im Milliampere-Bereich und Signale mit einer Dauer von 20 ms und mehr erforderlich waren, um beispielsweise ein Relais zu schalten, wird heute mit Signalströmen im Mikroampere-Bereich und Impulsen mit Anstiegszeiten von 1 ns und weniger gearbeitet. Die wachsenden Verarbeitungsgeschwindigkeiten und die immer steiler werdenden Signalflanken verschieben die EMV-Probleme in immer höhere Frequenzbereiche. Um elektromagnetische Verträglichkeit zu garantieren, muss ein sehr großes Frequenzspektrum von etwa 10 kHz bis 1 GHz beherrscht werden. Die maximal zulässigen Pegel der abgestrahlten elektrischen Feldstärke sind zudem sehr klein und betragen nur einige 10 μV/m bis wenige mV/m. Dies bedeutet, dass bei höheren Frequenzen Spannungen von weniger als 1 mV und Ströme im Milliampere-Bereich die Ursache dafür sein können, dass die EMV- Vorschriften nicht mehr einzuhalten sind. Grund für die harten Anforderungen in der EMV ist u.a. die Tatsache, dass auch empfindliche Rundfunk-Empfangsanlagen in der Umgebung von elektronischen Geräten noch störungsfrei funktionieren sollen. Was kosten EMV-Maßnahmen? EMV muss nicht teuer sein. Untersuchungen haben gezeigt, dass EMV-Maßnahmen etwa 3...5% der Gerätekosten betragen, wenn sie vom Beginn einer Entwicklung an berücksichtigt und entwicklungsbegleitend getestet werden. Blauäugigkeit bezüglich elektromagnetischer Felder kommt allerdings allzu oft teuer zu stehen. Wird die EMV erst nach Fertigstellung eines Gerätes zum Thema, so kann es leicht vorkommen, dass die EMV-Maßnahmen 50...100% der geplanten Entwicklungskosten betragen. Die normgerechten Schlussprüfungen erfolgen meist in entsprechend ausgerüsteten und spezialisierten Labors. Während der Entwicklung dagegen ist es wichtig, rasch und ohne großen Aufwand zu genügend aussagekräftigen Ergebnissen zu gelangen. Für die Kontrolle der Wirksamkeit von EMV- Maßnahmen ist es während der Entwicklung nicht wichtig, mit normengerechten Versuchsaufbauten zu arbeiten. Vielmehr geht es darum, rasch die kritischen Zonen im Schaltungsaufbau und die Signalleitungen mit einem hohen Störpotential zu erkennen, um mit vergleichenden Messungen die optimalen und kostengünstigsten EMV-Maßnahmen zu finden. Oszilloskop oder...? Für EMV-Maßnahmen ist man mit einem klassischen Oszilloskop mit dem Latein sehr rasch am Ende. EMV-Probleme können sich über einige 100 MHz erstrecken, und selbst schwache Signalanteile können große Probleme verursachen. Als Beispiel seien die Harmonischen der Clock-Frequenzen erwähnt. Wenn man beispielsweise die 17. Harmonische einer Clock- Frequenz um Faktor 3 verändert (entspricht etwa 10 dB), so wird man dies auf einem Oszilloskop kaum erkennen können. Wenn dagegen durch eine Maßnahme ein digitales Signal auf dem Oszilloskop leicht verändert erscheint, wird niemand sagen 34 hf-praxis 4/2017

EMV können, wie sich dadurch die 13., die 19. oder die 21. Harmonische verändert hat. Das Oszilloskop hat seine unbestrittenen Qualitäten und mit Recht einen festen Platz am Elektronik-Arbeitsplatz, aber für EMV-Tests sind andere Eigenschaften gefordert, wie beispielsweise: • Möglichkeiten der empfindlichen frequenzselektiven Messung zwischen 10 kHz und 1 GHz im Mikro- und Millivolt-Bereich • logarithmische Darstellung von Amplituden Hohe und frequenzselektive Empfindlichkeit wird benötigt, um die oft problematischen hochfrequenten Anteile eines Signals im Detail erkennen zu können. Die logarithmische Darstellung von Amplituden erlaubt es, gewissermaßen die Spreu vom Weizen zu trennen. So wird in einer ersten Analyse in einem bestimmten Frequenzbereich nach den größten Signalanteilen gesucht, und man kümmert sich nicht um Signalanteile, die beispielsweise 10 dB oder 20 dB kleiner sind. Die geforderten Eigenschaften eines „EMV-gerechten“ Messgeräts werden von einem Spektrumanalysator erfüllt. Die EMV und der Spektrumanalysator Es ist nach wie vor ernüchternd, wie selten Spektrumanalysatoren im Entwicklungsalltag anzutreffen sind. Oft werden Kostengründe vorgeschoben. Die entwicklungsbegleitende Spektrumanalyse verlangt jedoch keineswegs nach einem „Rolls-Royce“ unter den Spektrumanalysatoren. Da diese nicht tagtäglich eingesetzt werden, ist es im Gegenteil besser, einfach zu bedienende Geräte vorzuziehen, welche von jedem Entwickler ohne große Schwellenangst verwendet werden können. Wichtig ist es, rasch und mit wenig Aufwand vergleichende Messungen durchführen zu können. Wie schnell sich ein Spektrumanalysator amortisiert hat, zeigt folgende Überlegung: Ein Messtag in einem spezialisierten EMV-Labor kostet zurzeit etwa 2500 Euro, ein einfacher und kostengünstiger Spektrumanalysator hat sich also bereits amortisiert, wenn es damit gelingt, insgesamt zwei bis drei Messtage im EMV-Labor einzusparen. Insgesamt muss es das Ziel einer effizienten EMV-Entwicklung sein, mit jedem neuentwickelten Gerät nur ein einziges Mal zur normengerechten Schlussprüfung anzutreten. Bild 2: Aufnahme eines Breitbandspektrums Feldgeführte Störsignale Unter feldgeführten Störungen versteht man die Abstrahlung von Störsignalen im Unterschied zu sogenannten leitungsgeführten Störungen. Der Frequenzbereich für feldgeführte Störsignale erstreckt sich von ca. 30 MHz bis 1 GHz. Normengerecht werden die feldgeführten Störpegel mittels Antennen und Messempfängern in einem reflexionsfreien Umfeld, welches frei von Drittstörungen ist, gemessen, in sogenannten Absorberhallen. Das sind speziell ausgekleidete abgeschirmte Räume. Die Investitionskosten für derartige Anlagen inklusive der passenden Messgeräte liegen meist über einer Million Euro. Entwicklungsbegleitend sind derartige Messungen jedoch ineffizient, weil zeitraubend und teuer. Gefragt sind schnelle Aussagen über das Störpotential, innerhalb einer Schaltung und insbesondere auf sämtlichen Leitungen, welche eine Leiterplatte oder ein Gerät verlassen. Denn diese wirken ein wenig wie Antennen. Im Entwicklungslabor konzentriert sich die EMV-Arbeit vorwiegend auf die Beurteilung der durch solche Leitungen verschleppten Störungen. Diese Messungen können – mit den entsprechenden Hilfsmitteln – im unmittelbaren Nahfeld teilweise sogar direkt auf den Signal-, Versorgungs- und Masseleitungen oder auf den Kabelschirmen erfolgen. Wer zum ersten Mal mit einem Spektrumanalysator eine Schaltung untersucht, wird mit großem Erstaunen feststellen, dass selbst auf Signalleitungen für langsame oder statische Signale erhebliche hochfrequente Signalanteile, ausgehend von anderen Schaltkreise, „mitreiten“. Mit einem Oszilloskop betrachtet, gehen diese Signalanteile im Rauschen unter und sind meist überhaupt nicht zu erkennen. Jedoch können diese Störungen ohne größeren Aufwand mit einem Spektrumanalysator und den entsprechenden Sonden sichtbar gemacht werden. Dies sind: • aktive E-Feld-Sonde (Fernfeldsonde) • aktive H-Feld-Sonde (Nahfeldsonde) • Hochimpedanz-Tastkopf Die aktive E-Feld-Sonde Diese breitbandige Fernfeldsonde hat eine so hohe Empfindlichkeit, dass man sie ohne Weiteres zum Radioempfang verwenden könnte. Mit ihr lässt sich die Gesamtabstrahlung einer Baugruppe oder eines Geräts beurteilen. In der Regel wird sie in einem Abstand von 0,5 bis 1,5 m von dem zu untersuchenden Objekt eingesetzt. Damit lassen sich sowohl Abschirm- als auch Filtermaßnahmen beurteilen, falls diese Leitungen betreffen, welche das Gehäuse verlassen und die somit die Gesamtabstrahlung beeinflussen. Wegen der hohen Empfindlichkeit kann es vorkommen, dass mit der aktiven E-Feld-Sonde auch Drittstörungen, ausgehend von anderen Geräten im Labor, gemessen werden. Die Messung erfolgt deshalb so, dass zuerst bei ausgeschaltetem Prüfling die Störungen aus der Umgebung erfasst und nach Einschalten des Prüflings die neu hinzugekommenen Signale analysiert werden. Sind die Störungen aus der Umgebung zu stark, so genügt es vielfach, die Messungen im Untergeschoss eines Gebäudes durchzuführen, weil dadurch Störsignale von außen, z.B. von nahen Radiosendern, reduziert werden. Die Messergebnisse mit einer aktiven E-Feld-Sonde sind wie alle Fernfeld-Antennenmessungen auch vom Prüfaufbau abhängig. Insbesondere spielt die Lage der Kabel eine nicht zu unterschätzende Rolle. Sollen reproduzierbare Messungen erfolgen – nicht nur einmalige Vergleichsmessungen verschiedener Maßnahmen – so wird empfohlen, die Versuchsanordnung genau festzulegen und beispielsweise auf einem Brett zu fixieren. Die aktive E-Feld-Sonde kann auch zur Untersuchung von Störungen aus der Umgebung verwendet werden. Wird vermutet, dass eine unbekannte Störquelle in einem Gerät eine Funktionsstörung verursacht, so kann mittels aktiver E-Feld- Sonde und Spektrumanalysator die elektromagnetische Umgebung erfasst werden. Dank der Analyse im Frequenzbereich lässt sich meist sehr schnell die Störquelle ausfindig machen. hf-praxis 4/2017 35

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel