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EMV-Messungen haben den Zweck einem Produkt in Bezug auf seine elektromagnetischen Eigenschaften innerhalb seines jeweiligen Arbeitsumfeldes einen bestimmten Reifegrad zu bescheinigen.

Inhaltsverzeichnis 1 Anforderungen 2 Galvanisch gekoppelte Prüfungen 3 Kapazitiv gekoppelte Prüfungen 4 Induktiv gekoppelte Prüfungen 5 Strahlungsgekoppelte Prüfungen 5.1 Antennenmessung 5.2 Stripline 5.3 TEM-Zelle 5.4 GTEM-Zelle 6 Überwachung, Monitoring und Schutz 6.1 EMV-Messungen in Laborumgebung 6.2 EMV-Messungen in Betriebsumgebung 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks

Anforderungen

Die Anforderungen von EMV-Messungen an Systeme bestimmter Branchen sind unterschiedlich hoch. Die Klassifizierung in der Tabelle ist das Ergebnis einer Folgenabschätzung was passieren würde, wenn das jeweilige System aufgrund einer EMV-Störung ausfällt, d.h. der Absturz eines Flugzeugs ist wesentlich schärfer zu bewerten, als der Ausfall des heimischen TV-Gerätes.

• Unterhaltungselektronik
• Industrietechnik
• Automobiltechnik
• Luft-/Raumfahrt und Militätechnik

Ebenso unterschiedlich wie die allgemeinen EMV-Anforderungen der Branchen sind auch deren spezielle Messmethoden, Grenzwerte, Frequenzbereiche und sonstigen Randbedingungen. Trotzdem sind die meisten EMV-Messungen ähnlich den unten beschriebenen Prinzipien unterteilbar.

Generell wird unterschieden in Störfestigkeits- (SF) und Störaussendungsprüfungen (SA), wobei innerhalb dieser eine weitere Unterteilung in

• galvanisch gekoppelte
• kapazitiv gekoppelte
• induktiv gekoppelte
• strahlungsgekoppelte

Prüfungen stattfinden kann. Die ersten drei Kopplungsarten kann man unter "leitungsgebunden" (auch leitungsgeführt genannt) zusammenfassen, während die vierte Kopplungsart als "feldgebunden" anzusehen ist. Allerdings sind die Übergänge in der Praxis oft fließend. Eine weitere, bei EMV-Prüfungen noch nicht ganz so geläufige Kopplungsart ist die Wellenkopplung.

Galvanisch gekoppelte Prüfungen

Die Prüfung der galvanisch gekoppelten Störungen im Rahmen von im EMV-Labor durchgeführten Messungen ist notwendig, um festzustellen, ob einzelne Betriebsmittel oder Anlagen ohne größere Beeinträchtigungen des Gesamtsystems in Betrieb gehen können. Dies wird in der Regel im Rahmen der CE-Kennzeichnung durchgeführt.

Im späteren Anlagenbetrieb werden diese Messungen vor allen Dingen dann relevant, wenn die Spannungsqualität der Netzspannung durch die Vielzahl der Verbraucher nicht mehr über die spezifizierten Parameter verfügt.

SF: Es existieren hier sehr viele Verfahren, die im Bereich von Betriebsspannung, Ein- und Ausgängen diverse definierte Spannungs- und Stromverläufe einprägen.

SA: Bei galvanischem Kontakt werden Störspannungen z.B. im Versorgungsteil oder auf den Signalleitungen gemessen.

Kapazitiv gekoppelte Prüfungen

SF: Über eine definierte Koppelkapazität wird ein Störsignal injiziert.

SA: Es wird der über eine definierte Koppelkapazität ausgekoppelte Störpegel gemessen (eher selten anzutreffende Methode).

Induktiv gekoppelte Prüfungen

Um den (gesamten oder teilweisen) Kabelbaum des Prüflings herum wird (mindestens) eine Stromkoppelzange gelegt. Die Stromkoppelzange wird meist im Frequenzbereich 1 bis 400 Megahertz eingesetzt, manchmal auch unterhalb 1 Megahertz sowie bis 1000 oder gar 2000 Megahertz.

SF: Das Magnetfeld der Koppelzange prägt in den Kabelbaum einen HF-Strom ein. Meist wird mit Hilfe einer zweiten Koppelzange (als Strommesszange) überprüft, ob der eingeprägte HF-Strom der ersten Koppelzange am Messort des Kabelbaums die gewünschte Größe erreicht hat (Sollwert/Istwert Vergleich). Der Prüfling muss beweisen, dass seine Funktion trotz HF-Stroms gegeben ist. Der gängige Name diese Messmethode lautet BCI Bulk Current Injection, zu deutsch Stromeinprägung in den Kabelbaum.

Außerdem gibt es die Variante, statt eines HF-Stroms einen Einzelimpuls mit gewisser Repetitionsfrequenz einzuprägen.

SA: Die sich um den Kabelbaum des Prüflings bildenden Magnetfelder werden von der Koppelzange (Strommesszange) in Strom gewandelt und gemessen.

Leider hat sich im Bild rechts ein technischer Fehler eingeschlichen --> Normalerweise befindet sich der Prüfling auch auf einer 5cm hohen Isolation.

Strahlungsgekoppelte Prüfungen

Anmerkung: Hier hat die physische Entfernung zwischen Prüfling und Messantenne bereits den wirksamen Bereich der kapazitiven und induktiven Kopplung signifikant überschritten, d.h. alle messbaren Effekte beruhen auf den Effekten von elektromagnetischen Feldern im Raum.

Antennenmessung

Die bekannteste Form ist die der Antennenmessung, d.h. in einem definierten Abstand zum Prüfling (meist 1, 3 oder 10 Meter) wird eine Antenne positioniert. Der zu prüfende Frequenzbereich erstreckt sich von einigen Kilohertz bis weit in den Gigahertzbereich und die verwendeten Antennen und Polarisationen sind je nach Messmethode unterschiedlich.

SF: Es wird am Ort des Prüflings bzw. seines Kabelbaumes (falls vorhanden) eine definierte Feldstärke erzeugt. Der Prüfling muss beweisen, dass seine Funktion trotz anliegendem HF-Feld gegeben ist.

SA: Die von Prüfling und ggf. auch Kabelbaum (falls vorhanden) abgestrahlten Störfeldstärken werden gemessen.

Stripline

Die Stripline (zu deutsch Streifenleitung) eignet sich in der Ausführung als Komponenten-Stripline gut für Messungen an Geräten mit Kabelbäumen, da hier aus EMV-Sicht meist eine Schwachstelle existiert. Die Stripline wird bevorzugt im unteren Frequenzbereich bis zu einigen hundert Megahertz eingesetzt, Bauformen mit höheren Impedanzen (90 Ohm, 120 Ohm) auch bis zu 1000 Megahertz und mehr.

SF: Es wird Hochfrequenz in den streifenförmigen Leiter (Septum) eingespeist. Dadurch bildet sich zwischen Streifenleiter und der darunter befindlichen Massefläche (Groundplane) ein definiertes homogenes Hochfrequenzfeld aus. Die Feldhomogenität nimmt mit steigender Frequenz ab, was auch von der Impedanz der Stripline abhängig ist. Die Impedanz wiederum ist abhängig vom Abstand zwischen Groundplane und Septum und der Breite des Septums. Kabelbaum und zu prüfendes Gerät werden mit der HF beaufschlagt. Das Gerät muss unter HF-Einfluss funktionieren.

SA: Das zu prüfende Gerät wird in den Betriebszustand versetzt, welcher die höchste Störaussendung erwarten lässt. Am Speisepunkt der Stripline wird gemessen, welche Störstrahlung durch das Gerät erzeugt wird.

TEM-Zelle

Die TEM-Zelle (TEM = Transversal Elektro Magnetische Welle) kann man sich hilfsweise als proportional gespreitztes Koaxialkabel vorstellen, bei dem Innen- und Außenleiter soweit auseinander gespreizt wurden, dass dann ein zu messendes Gerät dazwischen passt. In der Praxis gibt es entsprechend des Einsatzzwecks käufliche TEM-Zellen, die geometrisch stark von obiger Beschreibung abweichen. Dennoch ist das Prinzip der "Koaxkabelspreitzung" weiterhin deutlich zu erkennen. Der nutzbare Frequenzbereich ist stark abhängig von der Größe der TEM-Zelle. Je größer das nutzbare Prüfvolumen, desto geringer die Maximalfrequenz. So kommen TEM-Zellen für Tests auf IC- bzw. Platinen-Ebene auf einen nutzbaren Bereich von 0 bis 2500 Megahertz, während bei größeren (höheren) Prüflingen ein Maximum von 100 bis 750 Megahertz geläufig ist.

SF: Aufgrund der Feld-Homogenität sollte sich theoretisch an jedem Punkt des Prüflings eine gleich hohe Feldstärke ausbilden, die den Prüfling in seiner Funktion nicht beeinflussen darf.

SA: Entsprechend des Reziprozitätsgesetzes gelten für die Störaussendungsmessungen die gleichen physikalischen Bedingungen wie bei der Störfestigkeit, d.h. es kann hier am Anschlusskabel der Pegel der ausgesendeten Störspannung gemessen werden.

GTEM-Zelle

Die Anwendungsgebiete der GTEM-Zelle (GTEM = Gigahertz Transversal Elektro Magnetische Welle) sind im wesentlichen dieselben wie die der TEM-Zelle. Die GTEM-Zelle ist eine Weiterentwicklung der TEM-Zelle. Sie hat nicht nur einen erweiterten nutzbaren Frequenzbereich bis weit über ein Gigahertz sondern kann, je nach Bauform bzw. Septumhöhe, auch geometrisch größere Prüflinge aufnehmen. Die GTEM-Zelle kann prinzipiell teure SF- und SA-Messungen mit Antennen in einer Absorberhalle vollständig ersetzen. Allerdings sind Prüflinge mit Kabelbaum bei Verwendung kleiner (= günstiger) GTEM-Zellen problematisch.

SF und SA: siehe TEM-Zelle

Überwachung, Monitoring und Schutz

EMV-Messungen in Laborumgebung

EMV-Messungen geschehen nahezu immer in geschirmten und teilweise absorbierenden HF-Kammern um zu verhindern, dass

• bei SF-Prüfungen die in der HF-Kammer entstehenden hohen Feldstärken nach außen in die Umwelt gelangen
• bei SA-Prüfungen von außen die vorhandenden natürlichen Umweltbeeinflussungen nach innen eindringen und dort das Messergebnis verfälschen
• Menschen in der Nähe des Prüflings durch das HF-Feld gefährdet werden könnten (EMVU)
• Menschen in der Nähe des Prüflings das Messergebnis durch ihre Anwesenheit (Konsistens des menschlichen Körpers) verfälschen

Prinzipbedingt sind diese HF-Kammern durch ihre gute Schirmung von außen nicht einsehbar, so dass eine direkte optische und akustische Überwachung des Prüflings meist nicht möglich ist. Ebenso muss bei hochwertigen EMV-Messungen darauf verzichtet werden, Ein- und Ausgangssignale zwischen Innen- und Außenraum galvanisch, kapazitiv oder induktiv herzustellen, da ansonsten das Schirmungsmaß der HF-Kammer erheblich reduziert würde.

Aus diesem Grund werden i.d.R. sämtliche Versorgungsquellen und möglichst viele Ein- und Ausgangssignale innerhalb der HF-Kammer belassen. Lediglich die beim jeweiligen System wichtigsten Signale mit bevorzugt hohem Kommunikationsfaktor werden über eine Wandlung per Lichtwellenleiter nach außen geführt (Automotive-Branche z.B. CAN-Bus, LIN-Bus o.ä.). Außerhalb der HF-Kammer erfolgt dann wieder eine Rückwandlung in die ursprünglich physikalische Größe. Somit ist eine Kommunikation (Befehle senden, Rückmeldungen empfangen) zwischen dem Prüfling in der Kammer und dem Monitoring außerhalb der Kammer gewährleistet.

EMV-Messungen in Betriebsumgebung

Mit EMV-Messungen werden die elektromagnetischen Umgebungsbedingungen zum Zeitpunkt der Messung festgestellt. Dies kann aus unterschiedlichen Gründen notwendig sein, z.B.:

• Spannungsqualitätsanalyse
• Prüfung der Funkausleuchtung
• Einhaltung der 26.BImschV. (EMVU)

Für diese EMV-Messungen sind unterschiedliche Messausrüstungen entsprechend dem zu betrachtenden Frequenzbereich und der Störaussendung (z.B. leitungsgeführt, gestrahlt etc.) zu verwenden.

Siehe auch

• Elektromagnetische Verträglichkeit
• Störfestigkeit und Störaussendung
• Hochfrequenz und Hochfrequenztechnik
• Antennentechnik und Feldstärke
• Frequenzband
• EMVU

Literatur

• Georg Durcansky: EMV-gerechtes Gerätedesign. Franzis' Verlag GmbH, Poing 1995 ISBN 3-7723-5386-X
• Lamedschwandner, Preineder, Pühringer: "Die neue EMV-Fachgrundnormenserie EN 61000-6 Übergangsfrist ist am 1.7.2004 abgelaufen". In: Inhalte D&V Kompendium 2004, Publish-Industry Verlag; ISBN: 3-934698-22-0, S. 260 – 263, 09/2004

Weblinks

• Ford EMV-Test Komponenten Spezifikation Beispiel für EMV-Tests, Durchführung und Anforderungen in der Automobilindustrie (PDF-Datei, englisch)

• EMF-Monitoring / EMF-Datenbank Online-Recherche der Bundesnetzagentur von Messreihen und Ortsfesten Funkanlagen

• [1] Literaturliste, des EMV Prüfzentrums der Austrian Research Centers am Campus Seibersdorf

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