Die Elektromagnetische Verträglichkeit ist · 2016. 5. 31. · 2 Die Elektromagnetische...
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Die Elektromagnetische Verträglichkeit ist:
Die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu arbeiten,
ohne elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere in dieser Umgebung vorhandene Betriebsmittel unannehmbar wären.
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EMV Einflüsse
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Hochfrequenzfelder (induziert)
Burst, Surge
ESD (Entladungen)
Spannungsschwankungen Einbrüche
Einstrahlung • Mobiles Netz (LTE…) • Stationäre Sender • Umgebung…
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EMV Störeinstrahlung
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• Auch wenn Sie zwei „CE“ Komponenten in Ihre Maschine einbauen haben Sie keinen EMV Schutz!
• Kabel wirken als Antennen
• Fehler
– Fehlende Filtermassnahmen
– Hin + Rückleiter getrennt verlegt
– Keine Schirmung – keine Funktionserdung
• Probleme
– Sporadisch auftretende Fehler
– Störungen in Peripherieeinrichtungen
– Störungen in der Kommunikation
– Ausfall oder Zerstörung von Geräten & Anlagenteilen
– Unstetige Regelung (z.B: Motor)
+ =
Auswertung gestört
Auswertung OK
Erde
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EMV Störaussendung
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• Ziel: Einhaltung der EMV Richtline
• Wichtiger: Erhöhung der Produkte Qualität (Stören sich selber auch….)
• Checkliste (Beispiel)
– Leitungen so kurz wie möglich
– Hin & Rückleitung zusammen verlegen
– Geschirmte Leitungen verwenden
– Schirm flächig geerdet?
– Filter eingebaut?
– Filter flächig geerdet?
• Fazit: Konstruktion & Entwicklungsprobleme werden vermieden mit entwicklungsbegleitender EMV
• Mit geeigneten Messmittel Fehler aufspüren
Empfang gestört
Erde
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Wenn «Funkwellen» zum Problem werden
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• Hohe Taktraten und kleine Strukturen führen zu mehr HF-Ärger
• Den Störquellen im Nachhinein auf die Schliche zu kommen bedeutet recht hohen Aufwand
• Es fehlen Mannstunden für Neuentwicklungen und somit Wettbewerbsfähigkeit
• Formfaktor: Entstör-Komponenten benötigen Platz • Preis: Zusätzliche Entstör-Komponenten kosten Geld • Time to Market: Nachträgliche Entstör-Massnahmen
verlängern den Entwicklungs-Zyklus • Image Verlust wenn das Produkt Funktions-Störungen hat • Unzureichende EMV Massnahmen vermindern Ihre
Wettbewerbsfähigkeit • Kennen Sie die Kosten & Image Verlust einer
Rückrufaktion?
Gründe für Redesigns
26% unzureichende Störfestigkeit 18% mangelnde Signalintegrität (unerklärliche Fehler)
Fast die Hälfte der Redesigns ist auf EMV Probleme zurückzuführen
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EMC Full Compliance Systems 10m anechoic chamber build by emitec 2013
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EMV verstehen heisst EMV-Gerecht entwickeln
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single box solution for RF Conducted Immunity Testing
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Real Time Ethernet
Unterschiede zu klassischen Feldbussen
• Neue Topologie Strukturen
• Höhere Datenraten
• Niedrigere Zykluszeiten
• Heterogene Services – welche Daten sind relevant z.B: Zustand des Telegramms (korrekt oder fehlerhaft)
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Quelle Bild: Internet
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EMV & Echtzeit Ethernet
«Echtzeit» Anlagen erfordern ein fächerübergreifendes Denken und Planen.
Je höher die Taktraten & Echtzeit-Anforderungen umso grösser werden die EMV Einflüsse – dabei sind zu beachten:
• Mögliche elektrische Einstrahlungen bzw. Abstrahlungen
• Das Erdungs- und Potentialausgleichssystem
• Blitzschutz
• Metallene Teile angeschlossen an den Potentialausgleich
• Die Stromversorgung / Art der Verbraucher
• IT / OT System (Cyber Security)
• Installation / Verkabelung….
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Bildquelle: Internet
Industrie 4.0 ist nicht einfach nur ein paar Drähte
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Ihre Umgebung: abschalten von induktiven Verbraucher
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230V Relays SF6 Schalter Freiluftschalter
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Burst - Ausgleichsvorgänge über den Schaltkontakten
Störquellen • Schalter / Hochspannungsanlagen
• Netzversorgung
• Steuerleitungen
Kenndaten • Impulsflanken im
Nanosekundenbereich
• Breitbandiges Störspektrum bis 400MHz
• Amplituden bis zu einigen kV
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Kopplung • Kapazitiv (du/dt) auf parallele
Leitungen
• Induktiv durch einen Magnetfeldanteil (di/dt) auf den Erdleitungen
• Abstrahlung im Schalternahfeld durch Funkenüberschläge
Ausbreitung • Leitungsgeführt im Kabelsystem
• Unsymmetrisch bzw. Leitungen gegen Erde
Störquelle
Störsenke
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EMV Störungsempfindlichkeit bzw. Übertragungssicherheit
• Bei Echtzeit Ethernet sind Summenrahmenprotokolle sind störungsempfindlicher als Einzelrahmenprotokolle.
• Wir z.B. durch einen EMV (z.B: Burst) Puls ein Frame zerstört geht immer ein kompletter Zyklus verloren
• Leitungen, Anschlüsse etc sind daher (aufwendig) abzuschirmen
• Aber wird z.B: mit der Schirmung auch immer richtig umgegangen?
• Können z.B: Burst Pulse auch durch kleinste Schirmungslecks einkoppeln?
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Bildquelle: Internet
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Burst Störungen
• Burst Pulse gehören zu den Störungen, die in der Praxis am häufigsten auftreten
• Störeffekt ist meistens nicht destruktiv
• Störung wird „leitungsgebunden“ eingekoppelt. Hat aber auch einen relativ hohen Anteil an Abstrahlung. Darum wird oft in der Norm auch die Einkopplung via kapazitive «Koppelzange» beschrieben
• Burst-Tests helfen, dass alle Ein-und Ausgänge der Geräte bezüglich «HF» geschützt sind
• Falls die HF-Schirmung (z.B: Gehäuse) schlecht ist, merkt man dies generell während des EMV-Tests
• Burst Tests werden entwicklungsbegleitend und bei EMV Abnahmen durchgeführt
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Bildquelle: Internet
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Burst Einzelimpuls
Oben: Messung eines 230 V Netzrelais – der Ausgleichvorgang des Schaltkontaktes „generiert“ ein breitbandiges Störspektrum mit impulsflanken in Nanosekundenbereich und Amplituden bis zu einigen kV
Unten – Pulsform der EMV Burst Norm IEC/EN 61000-4-5
• Anstiegszeit tr = 5ns
• Impulsdauer td = 50ns
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5ns ± 1.5ns
50ns ± 15ns
0.9
0.1
0.5
Pulseform 5ns/50ns
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Messungen von Burstpulsen in der Realität
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Parameter Quecksilber
Relais Signal Relais
Steuerung (5 A)
Steuerung (10 A)
Spike Amplitude [kV] 1 - 5 0.5 - 3 0.5 - 1.8 0.25 - 2.5
Anstiegszeit [ns] < 3 < 3 < 3 < 3
Spikedauer [µs] 5 - 40 3.5 - 32 4 - 20 3.5 - 22
Spike Repetitionsrate [kHz] 10 - 100 15 - 143 25 - 125 22 - 143
Burstlänge [ms] 0.2 2.2 2 1.7
Anzahl Spikes/ Burst 8 270 165 130
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Burst Norm: Parameter der eigentlichen Störgrösse
Der Burstpuls wird mit einer Repetitionsfrequenz in Paketen auf den Prüfling EUT „beaufschlagt“
Traditionell:
• Repetitionszeit Tr = 300ms
• Dauer Burstparket Td = 15ms
• bei einer Spikefrequenz f=5kHz
Realere Repetitionsfrequenz:
• Repetitionszeit Tr = 300ms
• Dauer Burstparket Td = 0,75ms
• bei einer Spikefrequenz f=100kHz
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Burst Norm Test-Levels
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Open circuit output test voltage
Level On power ports On I/O ports
Voltage Repetition rate (2)
kV peak kHz
1 0.5 0.25 5 or 100
2 1 0.5 5 or 100
3 2 1 5 or 100
4 4 2 5 or 100
x (1) Special Special
NOTE 1 - "X" is an open level. The level has to be specified in the dedicated equipment specification.
NOTE 2-5kHz is the traditional frequency, however 100kHz is closer to reality. Product committees should determine which frequencies are relevant for specific products or product types.
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Burst – der Breitband Störer
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Frequenz in MHz
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• Einfach aufzubauender Test
• Normativ
• Grosse Aussagekraft
Anschaffung
• Test Generator 12k
• Kapazitive Koppelplatte 2k
• Tisch, Erdungsplatte
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Burst Tests bei Ihnen – wie wird’s gemacht
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eine grosse Antennen-Anlage….
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Bildquelle: Internet
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«Sporadische» EMV Probleme im Feld
• Ihr System fällt plötzlich aus – niemand weiss warum – die
Fehlersuche wird sehr aufwendig
• Kann man die Probleme mit einem Spektrum Analyzer messen?
– Zeit – wann tritt das Problem auf?
– Intensität – wie hoch ist der Störpegel?
– Ort – welche Orte sind störempfindlicher und welche nicht?
– Störfrequenz – welche Frequenz(en) führen zum Problem
– Unterscheidung Nutz zu Störfrequenzen – kennen Sie alle Nutzfrequenzen (Handy, DAB, Tetrapol etc)
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Die Schwierigkeit sporadische Probleme zu finden
• Spektrum-Analyzer sweepen, d.h. messen sie an einer Frequenz sind die anderen Frequenzen «tot» = Frequenzen werden gerade nicht analysiert welche ev. Probleme (kurzzeitige Störer) beinhalten…
• Breitbandige Antennen sind riesengross und wenig empfindlich = Aufteilung in Frequenzbänder
• Identifikation der Störfrequenz (z.B: mittels Color-Spektrogramm)
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Machen Sie Ihr System störsicher
• «Impfen» Sie das Komplettsystem an verschiedenen (vermuteten) Schwachstellen
• Einkopplung von Burst Pulsen mit verschiedenen Frequenzen und Störpegeln (Spannung)
• Beobachtung des Systems (z.B: Display Probleme)
• Messung mit Ethernet Analyse System
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Magnetfeldquelle
Die Magnetfeldquelle wird von einem EFT/Burstgenerator gespiesen. Sie erzeugt ein B-Feld von ca. 5 cm Durchmesser. Sie eignet sich zur grossflächigen Beaufschlagung von Gehäuseoberflächen und Innenbereichen, Verbindungstechnik und Baugruppen mit Leiterzugstrukturen und ICs zur Erkennung von magnetisch sensiblen Schwachstellen
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Elektrische Feldquelle
Mit der E-Feldquelle sind grossflächige elektrische Einkopplungen möglich.
E-Feld sensible Schwachstellen wie LCD-Display, Bussysteme, Kabel werden damit aufgespürt
Set mit verschiedenen Sonden erhältlich
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EMV Probleme im Feld
• Mit dem Einkoppeln des Burst tritt der Fehler nun häufig oder repetierbar auf.
• Nun kann man die Ursachen mit Echtzeit Ethernet-Analysegerät finden (z.B. Hilscher Netanalyzer)
• Der Analyzer wird via TAP in die Kommunikation «eingeschlauft»
• Dabei wird die Kommunikation auf der vermuteten Strecke erfasst und ausgewertet
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Isolierte Betrachtung eines Elements (z.B: Sensors)
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Globale Betrachtung inkl. Signal Delay Messung
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Telegramm Analyse
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Auswertung der Telegrammstatistik zeigt, dass der Fehler durch physikalische Störungen hervorgerufen wird
Messung der Protokoll Fehler mit einem Hilscher Echtzeit Ethernet Netanalyzer
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Telegramm Analyse
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Lösung: Austausch des «schlechten» Ethernet Kabels
Messung der Protokoll Fehler mit einem Hilscher Echtzeit Ethernet Netanalyzer
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Investitionskosten
• Burst Generator
– Kombi (Burst, Surge, Powerfail) = 22k
oder
– Burstgenerator = 12k
• Capacitive Coupling Clamp = 1.7k
• Burst Sonden Set = 1.7k
• NetAnalyzer
Burst Test sind einfach durchzuführen gut zu Reproduzieren und ermöglichen eine hohe Aussagekraft über die Störfestigkeit einer Anlage
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EMV Regeln
• Masseschleifen sind zu vermeiden
• Masseleitungen und Versorgungsspannungen müssen sternförmig ausgeführt werden
• Bei flächiger Versorgungsauslegung GND und Vcc in möglichst geringem Abstand (< 120 µm) aufbauen.
• Jede Signallage sollte eine benachbarte Fläche für den Rückstrom haben
• Separierung von langsamen, analogen Schaltungen und schnellen, digitalen Logiken
• Abblock-Kondensatoren sollten an jedem Chip und über den kürzesten Weg angeschlossen werden.
• Keine Signalleitungen im Bereich des Quarz-Oszillators führen. Massefläche um und unter dem Quarz layouten.
• Nicht benutzte Anschlüsse von Chips sind niederohmig festzulegen.
• Resetanschlüsse und CE-Anschlüsse durch Pullup oder Pulldown Widerstand, sowie einen C entstören.
• Leitungen und Leiterbahnen, die schnelle Signale führen, sind kurz auszuführen.
• Impedanzsprünge in Verbindungsleitungen und häufige Durchkontaktierungen sind zu vermeiden.
• Signale und Takte niemals so schnell und steil wie möglich, sondern nur so schnell und steil wie nötig ausführen.
• Zustandsgesteuerte Logik ist störfester als flankengesteuerte Logik.
• GND und Schutzleiter sollen getrennt ausgeführt sein.
• Die Möglichkeit der kapazitiven Verkopplung von GND und PE bzw. Schirme ist vorzusehen.
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Mit Zuversicht dass Ihre Kommunikation störungsfrei Funktioniert - Besten Dank
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Quelle Bild: Internet
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