EMV-Prüfung

Anwendungsbereiche

EMV-Prüfungen folgen unterschiedlichen Anforderungen an elektrische oder elektronische Systeme. Einflussfaktoren sind die gewünschte Zuverlässigkeit für einen störungsfreien Betrieb, gesetzliche Vorschriften, die erwartete Störumgebung oder die erforderliche Betriebssicherheit einer Anlage. Zum Beispiel werden an Luftfahrtgeräte höhere Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt als an Unterhaltungselektronik. Je nach Anwendungsbereich existieren unterschiedliche Vorschriften:

• Industrieanlagen (Betriebsmittel, Maschinen)
• Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik (Wohnbereich)
• Kraftfahrzeuge und andere mobile Geräte
• Luft-/Raumfahrt und Militärtechnik
• Medizintechnik
• Informationstechnologie, insbesondere Funkverbindungen

Rechtliche Grundlagen

Rechtliche Grundlagen für Produktgruppen in der Europäischen Union:

• ECE-Regelungen Nr. 10 und Normen EN 55025, EN 55012 für Kfz-EMV
• Norm EN 15194 für E-Bike
• RED (Radio Equipment Directive) für Funkanlagen nach Richtlinie 2014/53/EU
• Medizinprodukte-Richtlinie 93/42/EWG
• EMV-Richtlinie 2014/30/EU für alle weiteren Produkte

Die EMV-Anforderungen der Anwendungsbereiche (Produktgruppen) unterscheiden spezielle Prüf- und Messmethoden, Grenzwerte, Frequenzbereiche und sonstigen Randbedingungen. Generell unterscheidet man Störfestigkeitsprüfungen (SF) und Störaussendungsmessungen (SA). Je nach Anwendungsbereich können die Produktnormen abweichende Grenzwerte vorgeben. Bei den in diesen Normen festgelegten Grenzwerten der elektrischen Feldstärke von durch die Luft empfangenen oder abgegebenen Störungen handelt es sich um den Effektivwert des elektrischen Felds.

Die technischen Details der Anforderungen werden in zahlreichen Fachgrundnormen (z. B. EN 50082-2 Teil 82-2 Störfestigkeit von Geräten im industriellen Bereich) sowie Produktnormen (z. B. EN 55011 Teil 11 Funk-Entstörung von industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM) Geräten) definiert. Beispielsweise muss im Industriebereich die Störfestigkeit der Geräte sehr hoch sein, während im Wohnbereich die Störaussendung streng reglementiert ist.

In Deutschland kann die Bundesnetzagentur in Verkehr zu bringende oder in Verkehr gebrachte Geräte auf Einhaltung der Anforderungen prüfen und bei Nichteinhaltung Maßnahmen veranlassen, um den Mangel zu beheben. Außerdem nimmt sie die Prüfung von Betriebsmitteln und ortsfesten Anlagen auf Übereinstimmung mit den jeweiligen Anforderungen wahr und klärt Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit einschließlich Funkstörungen auf.

Galvanisch gekoppelte Prüfungen

Die Prüfung der galvanisch gekoppelten Störungen stellt fest, wie immun Betriebsmittel oder Anlagen gegenüber Störungen auf ihren Anschlussleitungen (Stromversorgung, Signal-Ein- und Ausgänge) sind bzw. welche Störungen sie auf diesen Leitungen nach außen abgeben. Diese Messungen sind oft im Rahmen der CE-Kennzeichnung notwendig.

Störfestigkeit (SF): Die Prüfungen simulieren Netzspannungseinbrüche (englisch voltage dips), Einwirkungen von Schaltstörungen (englisch bursts), elektrostatischen Entladungen (ESD), Einkopplungen von Störungen von benachbarten Geräten und Blitzeinschlägen in der näheren Umgebung (englisch surges).

Störausstrahlung (SA): Bei den leitungsgebundenen Störaussendungsmessungen werden die Stromversorgungs- und Signalleitungen gemessen. Bei der Stromversorgungsleitung und einigen Signalleitungen wird dazu eine Netznachbildung benutzt – ein Gerät zur Netzspeisung mit einer definierten Quellimpedanz, die der typischen Impedanz des Stromnetzes oder Signalnetzes entspricht. Die Netznachbildung besitzt Messausgänge, an denen die Störsignale abgenommen und z. B. mit einem Spektrumanalysator untersucht werden können.

Kapazitiv gekoppelte Prüfungen

SF: Über eine definierte Koppelkapazität wird ein Störsignal injiziert. Hierzu wird oft ein leitender Kanal von 1 m Länge verwendet, in den isoliert eine Zuleitung des Prüflings gelegt wird. Diese Einrichtung heißt kapazitive Koppelstrecke oder kapazitive Koppelzange, obwohl ihr Aufbau nicht an eine Zange erinnert.

SA: Über eine definierte Koppelkapazität wird der ausgekoppelte Störpegel gemessen (z. B. auch in einer Netznachbildung enthalten).

Induktiv gekoppelte Prüfungen

Um den Kabelbaum oder einzelne Leitungen des Prüflings wird (mindestens) eine Stromkoppelzange gelegt. Die Stromkoppelzange wird meist im Frequenzbereich 1 MHz bis 400 MHz eingesetzt, manchmal auch unterhalb 1 MHz bis 2 GHz.

SF: Das Magnetfeld der Koppelzange prägt in den Kabelbaum einen hochfrequenten Strom ein. Meist wird mit Hilfe einer zweiten Koppelzange, als Strommesszange, überprüft, ob der eingeprägte hochfrequente Strom der ersten Koppelzange am Messort des Kabelbaums die gewünschte Größe erreicht hat (Sollwert/Istwert Vergleich). Die störungsfreie Funktion des Prüflings muss trotz hochfrequentem Strom gegeben sein. Der gängige Name dieser Messmethode lautet BCI, englisch Bulk Current Injection ‚Stromeinspeisung‘.

Außerdem gibt es die Variante, statt eines hochfrequenten 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.

Strahlungsgekoppelte Prüfungen

Diese Messungen erfolgen im Bereich des Fernfeldes, wo die physische Entfernung zwischen Prüfling und Messantenne den wirksamen Bereich der kapazitiven und induktiven Kopplung signifikant überschreitet, d. h. alle messbaren Effekte beruhen auf den Effekten von elektromagnetischen Feldern im Raum.

Strahlungsgekoppelte Prüfungen können in unterschiedlichen Mess- und Prüfumgebungen stattfinden. Zu den bekannten Umgebungen gehören zum Beispiel der Freifeldmessplatz, die Absorberkammer, die GTEM-Zelle, die TEM-Zelle und die Modenverwirbelungskammer.

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 für zivile Anwendungen in Europa von 30 Megahertz bis 1…18 Gigahertz. Die verwendeten Antennen sind je nach Frequenzbereich verschieden.

Für die Messung der Störfeldstärke sind unterschiedliche Messplätze geeignet. Historisch gesehen der älteste ist der Freifeldmessplatz (OATS von englisch open area test site). Es wird hier davon ausgegangen, dass die Fremdeinstrahlung klein genug ist, um die Messung nicht signifikant zu beeinflussen und dass keine ungewünschten Reflexionen der Störstrahlung des Prüflings entstehen, welche je nach Phasenlage die direkte Störstrahlung überlagert oder auslöscht. Der Boden zwischen Prüfling und Antenne ist mit einer vollreflektierenden Metallplatte ausgelegt und die Antenne ist höhenverstellbar.

Um von der Witterung und Fremdstörungen noch unabhängiger zu sein, werden heute in der Regel Absorberkammern (englisch anechoic chamber) verwendet.

Die Prüfungen sind oft sehr zeitaufwändig, da die durch die kurzen Frequenzschritte und die Haltezeit ohnehin schon langen Messungen zusätzlich oft mit verschiedenen Antennenpolarisationen, Antennenhöhen (Elevation) und verschiedenen Drehwinkeln des Prüfling (Azimut) vorzunehmen sind.

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

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

Streifenleitung

Die Streifenleitung, englisch stripline, 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 Streifenleitung wird bevorzugt im unteren Frequenzbereich bis zu einigen hundert Megahertz eingesetzt, Bauformen mit höheren Impedanzen (90 Ω, 120 Ω) auch bis zu 1 GHz und mehr.

SF: Es wird Hochfrequenz in den streifenförmigen Leiter (Septum) eingespeist. Dadurch bildet sich zwischen Streifenleiter und der darunter befindlichen Massefläche (englisch 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 störungsfrei 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.

GTEM-Zelle

Die Anwendungsgebiete der GTEM-Zelle (GTEM = Gigahertz Transversal Elektro Magnetische Welle) entsprechen überwiegend denen der TEM-Zelle. Die GTEM-Zelle ist eine Weiterentwicklung der TEM-Zelle. Sie hat einen erweiterten, nutzbaren Frequenzbereich bis über ein Gigahertz und kann, je nach Bauform und Septumshöhe, größere Prüflinge aufnehmen. Die GTEM-Zelle kann SF- und SA-Messungen mit Antennen in einer Absorberhalle vollständig ersetzen. Bei großen Prüflingen in großen GTEM-Zellen werden z. B. durch den Prüfling oder die Aufweitung der Zelle höhere Moden wie in einem Hohlleiter angeregt, die die Feldhomogenität und den nutzbaren oberen Frequenzbereich begrenzen. Dies ist gegenüber Antennen kein genereller Nachteil der GTEM-Zelle. Antennen erzeugen bei geringen Prüfabständen ebenfalls ein eingeschränkt homogenes Feld.

SF und SA: siehe Abschnitt Streifenleitung

EMV-Messungen in Laborumgebung

EMV-Messungen erfolgen 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 Felder der Umwelt (Rundfunksender, Funkstörungen) nach innen dringen 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 (Konsistenz 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. Ein- und Ausgangssignale zwischen Innen- und Außenraum sind sorgfältig gefiltert und geerdet, da ansonsten das Schirmungsmaß der HF-Kammer erheblich reduziert würde.

Oft werden auch möglichst viele Versorgungsquellen sowie Ein- und Ausgangssignale innerhalb der HF-Kammer untergebracht. Digitale Signale (CAN-Bus, LIN-Bus Ethernet o. ä.) zur Kommunikation werden teilweise per Lichtwellenleiter nach außen geführt, da eine Signalfilterung nicht möglich ist. Somit ist eine Kommunikation (Befehle senden, Rückmeldungen empfangen) zwischen dem Prüfling in der Kammer und dem Monitoring außerhalb der Kammer ohne Störungen gewährleistet.

EMV-Messungen in Betriebsumgebung

Mit EMV-Messungen vor Ort (Werkhalle, Heimbereich, Umgebung von Sendeanlagen) werden die realen elektromagnetischen Bedingungen festgestellt. Dies kann aus unterschiedlichen Gründen notwendig sein, z. B.:

• Größe des Prüflings (auch bei Endmontage vor Ort)
• Analyse der Qualität der Netzspannung
• Prüfung der Funkausleuchtung
• Analyse der Funkstörungen
• Nachweis der Einhaltung der Verordnung über elektromagnetische Felder (EMVU)

Für diese EMV-Messungen werden Messausrüstungen entsprechend dem zu untersuchenden Frequenzbereich und der Störaussendung (z. B. leitungsgeführt, gestrahlt etc.) verwendet, wie sie auch in EMV-Laboren eingesetzt werden.