Prof. Dr.Ing. Adolph Laborpraktikum im Wintersemester 2016 ... · Electric Fast Transient - Surge 3...
Transcript of Prof. Dr.Ing. Adolph Laborpraktikum im Wintersemester 2016 ... · Electric Fast Transient - Surge 3...
KARL-HEINZ-STRAUSS-INSTITUT
für HOCHSPANNUNGSTECHNIK
und EMV/EMB
Prof. Dr.Ing. Adolph
Laborpraktikum im Wintersemester 2016/2017
Nummer und Bezeichnung des Versuches:
EMV V2
Name:
Matr.:Nr.: Gruppe:
Anwesend:
Mitarbeiter:
Abgabe:
Betreuender Laboringenieur: Dipl.-Ing. N.Bartscher
Anerkannt
Datum:
Bemerkungen: 2016/2017
Transiente Störvorgänge Burst und Surge
(EMV – Puls-Prüfung)
ElectricFastTransient - Surge
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Inhalt
1 Motivation ............................................................................................................................................. 3
2 Theoretische Grundlagen .......................................................................................................... 3
2.1 Allgemeine Begriffsdefinitionen ................................................................................... 4
2.2 EFT/Burst ....................................................................................................................................... 6
2.3 Stoßspannung/Surge ........................................................................................................... 7
2.4 Schärfegrade ............................................................................................................................ 8
2.5 Messverfahren und Darstellungsformen............................................................. 9
3. Versuchsvorbereitung ............................................................................................................... 11
4. Versuchsdurchführung .............................................................................................................. 14
4.1 Allgemeine Hinweise: ........................................................................................................... 14
4.2 Transiente Überspannungen ........................................................................................... 15
4.3 Entstörmaßnahmen für transiente Überspannungen ............................... 15
4.4 Burst-Prüfung ........................................................................................................................... 15
5. Auswertung ........................................................................................................................................ 16
6. Literatur ............................................................................................................................................... 18
ElectricFastTransient - Surge
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Bild 1 Mikroskopaufnahme eines zerstörten Microchips durch transiente Überspannung
1 Motivation Elektrische Betriebsmittel jeglicher Art müssen an ihrem Einsatzort funktionieren.
Elektrische Einflussgrößen dürfen an elektrischen Geräten zu keiner Störung oder Zerstörung führen.
Im Rahmen dieses Versuches sollen die transienten Störgrößen untersucht und anschließend mit industriellen Methoden simuliert werden, sodass an einzelnen Geräten der Nachweis der Störfestigkeit erbracht werden kann.
2 Theoretische Grundlagen Elektrische Betriebsmittel jeglicher Art müssen an ihrem Einsatzort funktionieren.
Atmosphärische Einflussgrößen wie Temperatur oder Luftfeuchte und elektrische Einflussgrößen wie elektromagnetische Felder oder Transiente- bzw. einmalige, schnelle Störgrößen dürfen an elektrischen Geräten zu keiner Störung oder Zerstörung führen. Rechtlich wird dies in EG-Richtlinien geregelt und durch die CE-Kennzeichnung auf den Geräten dokumentiert.
Jeder Hersteller (lt. Rechtsprechung Händler = Hersteller) hat den Nachweis der CE-Konformität seiner Produkte zu erbringen, will er nicht empfindliche Geldbußen oder die Absetzung seiner Produkte riskieren.
Tabelle 1: Übersicht über transiente Störgrössen (pulsed emi threats)
Elektrostatische
Entladungen (ESD)
Nadelimpulse – Burst
(EFT)
Stoßspannungen
(Surge)
Super fast < 1ns Fast 5ns Surge 1µs Geringe Energie Mittlere Energie Hohe Energie
Burst-Prüfung: Beim Schalten induktiver Kreise entstehen oft hochfrequente Impulspakete (Burst), die ihre Ursache im Vorzünden von Gasstrecken oder durch mehrfaches Rück- und Wiederzünden an Schaltkontakten haben.
Diese, durch Schaltphänomene entstandene, Breitbandstörungen pflanzen sich in den Versorgungsleitungen fort oder koppeln sich kapazitiv in Steuerleitungen ein. Angeschlossene elektronische Betriebsmittel können bei einem solchen elektrischen Stress Fehlfunktionen oder Ausfälle zeigen.
Surge-Prüfung: Durch Schalthandlungen im Netz oder durch direkte und indirekte Blitzeinschläge können energiereiche Überspannungsimpulse an den Stromversorgungs- und Verbindungsleitungen von Geräten anliegen. Zweck dieser Prüfung ist die Festlegung von allgemeinen Bewertungskriterien für die Beurteilung des Betriebsverhaltens von Betriebsmitteln, wenn solche energiereichen Störgrößen den Stromversorgungsleitungen oder Verbindungsleitungen ausgesetzt sind.
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2.1 Allgemeine Begriffsdefinitionen
• Elektromagnetische Verträglichkeit -EMV- (engl. EMC - electromagnetic compatibility) ist die
Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung (EUT ... Equipment under Test) in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren und dabei diese Umgebung, zu der auch andere Einrichtungen gehören, nicht unzulässig zu beeinflussen.
• Elektromagnetische Beeinflussung -EMB- (engl. EMI - electromagnetic interference) ist die Einwirkung elektromagnetischer Grössen auf Stromkreise, Geräte, Systeme oder Lebewesen.
• Störgrösse ist eine elektromagnetische Grösse, die in einer elektrischen Einrichtung eine unerwünschte Beeinflussung hervorrufen kann.
• Störquelle ist der Ursprung von Störgrössen. • Störsenke ist die elektrische Einrichtung, deren Funktion durch eine Störgrösse beeinträchtigt wird. • Symmetrische Störgrössen (differential mode; Gegentaktstörungen) sind Ströme oder Spannungen, die
zwischen den Adern einer elektrischen Einrichtung auftreten. Symmetrische Störgrössen haben auf den Adern einer Doppelleitung eine entgegengesetzte (differential mode) Ausbreitungsrichtung.
• Unsymmetrische Störgrössen (Gleichtaktstörungen) sind Ströme und Spannungen, die zwischen den Adern einer elektrischen Einrichtung und Erde auftreten.
• Unsymmetrische Störgrössen haben auf den Adern einer Doppelleitung die gleiche Ausbreitungsrichtung.
• Asymmetrische Störgrössen (common mode) sind die vektoriellen Summen von symmetrischen und unsymmetrischen Störgrössen.
• Störfestigkeit ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, Störgrössen bestimmter Höhe ohne Fehlfunktion zu ertragen.
• Störschwelle ist der kleinste Wert einer Störgrösse, der in einer Störsenke eine Fehlfunktion bewirkt.
I10, I20, unsymmetrischer Störstrom
I12 symmetrischer Störstrom
Bild 3: Störgrößen auf einer Doppelleitung
Bild 2 Beeinflussungsmodell
1
2I12
I20
I10 EUT
Blitzentladung
Elektro-Magnetischer-Puls
Kosmische Strahlung
Wetter
Fehlbedienung
Elektrostatische -
Entladung (ESD)
Koronaentladungen
Temperatur
Ableitströme (kapazitiv)
Magnetfeldbeeinflussungen
galvanische Kopplung
induktive Kopplung
kapazitive Kopplung
H/E-Feld
UMWELT MENSCH
ENERGIE ELEKTRONIK
EUT
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• Qualitätsverlust ist die unerwünschte Änderung des Betriebsverhaltens einer elektrischen Einrichtung aufgrund einer elektrischen Beeinflussung. Dies bedeutet nicht unbedingt Fehlfunktion oder Ausfall.
• Empfindlichkeit ist das Merkmal eines elektronischen Betriebsmittels, unerwünschte Reaktionen zu zeigen, wenn es elektromagnetischer Energie ausgesetzt ist.
• Transiente Störvorgänge („Einmal-Impulse“; Spikes) sind kurzzeitige, z.T. einmalige Übergangsvorgänge (Leistungsänderungen) an elektronischen Geräten, die zu unerwünschten Beeinflussungen führen können.
• Schärfegrade werden für die ESD- EFT- und Surge-Prüfungen empfohlen.
Bild 4: atmosphärische Überspannungen
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Bild 5: Prüfaufbau zur Burstsimulation
Bezugsmasse
> 100 cm
80 cm
DUT
Burst - P
rüfplatz
Burst-generator
Burstgenerator
2.2 EFT/Burst
(eng. EFT electric fast transient) Eine Folge schneller transienter elektrischer Störgrössen/Burst.
• Koppelnetzwerk - Elektrische Schaltung mit dem Zweck der Energieübertragung von einem Kreis in
einen anderen. • Entkoppelnetzwerk - Elektrische Schaltung, die verhindert, dass EFT-Spannungen, mit denen der
Prüfling beaufschlagt wird, andere Einrichtungen, Geräte und Systeme, die nicht geprüft werden, beeinflussen.
• Koppelzange - Gerät mit festgelegten Maßen und Eigenschaften zur Übertragung der Störgrösse als asymmetrisches Signal auf die zu prüfende Schaltung, ohne dass eine galvanische Verbindung zu jener besteht.
• (Bezugs-)Masseplatte - Eine ebene leitfähige Oberfläche, deren Potenzial als gemeinsamer Bezugspunkt verwendet wird.
• typischer Verlauf eines Burst-Einzelimpulses -
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Bild 6: Prüfaufbau zur Surge - Simulation
2.3 Stoßspannung/Surge
Stoßspannung/Surge (eng. Surge) Ein energiereicher Puls verursacht durch Blitzentladungen oder Schalthandlungen in Energienetzen.
EUT (engl. DUT) Das zu prüfende Betriebsmittel
• typischer Verlauf einer Surge-Entladung -
Bezugsmasse
> 100 cm
80 cm
EUT
Surge -
Prüfplatz
Surge-generator
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2.4 Schärfegrade
In diesem Kapitel sind die Schärfegrade der ESD-, EFT- und Surge-Prüfungen aufgelistet. Diese unterteilen sich in Prüfungsarten sowie in Spannungsebenen.
Tabelle 2: Schärfegrade für Burst und Surge Prüfungen
Schärfegrade für die Burst-Prüfung (EN 61000-4-4; VDE 0847 T 4-4; IEC 61000-4-4)
Schärfegrad Prüfspannung ± 10% Prüfspannung ± 10% auf Stromversorgungsleitungen auf Signal-, Steuer- und Datenleitungen
1 0,5 kV 0,25 kV 2 1 kV 0,5 kV 3 2 kV 1 kV 4 4 kV 2 kV
Schärfegrade für die Surge-Prüfung (EN 61000-4-5, VDE 0847 T 4-2; IEC 61000-4-5)
Schärfegrad Leerlaufspannung ± 10% kV 1 0,5 2 1 3 2 4 4
Tabelle 3: Elektromagnetische Verträglichkeit einiger Halbleiterbauteile und Baugruppen
Kritische Energiebeträge von Bauelementen (burn out) CMOS 0.000001 Joule schnelle diskr.Halbleiter 0.00001 Joule Low-Power-Transistoren 0.0001 Joule Medium-Power-Tansistoren 0.1 Joule Relais 0.1 Joule High-Power-Transistoren 10.0 Joule
Empfindlichkeit elektronischer Halbleiterfamilien gegen elektrostatischen Entladungen
VMOS 30 - 1800 Volt Op-Amp 190 - 2500 Volt CMOS 250 - 3000 Volt ECL 500 - 1500 Volt Schottky TTL 1000 - 2500 Volt
Stoßdurchschlag- bzw. -Überschlagspannung von: Starkstromgeräten 5.0 - 8.0 kV IT-Geräten 1.0 - 3.0 kV Elektr. Schaltungen und Halbleiter zwischen den Klemmen 0.005 - 0.1 kV
Hinweis: Die Tabellen zeigen keine absoluten Grenzwerte sondern nur Größenordnungen!
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2.5 Messverfahren und Darstellungsformen
Leitungsgeführte transiente Störgrößen können im Zeitbereich mit Speicheroszilloskopen (DSO), Signalanaly-satoren (DSA) oder Speichervoltmetern gemessen werden. Die Darstellung der Störgröße erfolgt durch den
„wahren“ Zeitverlauf oder die maximalen Amplitude des Impulses bzw. des Impulspaketes.
Die Kennzeichnung solcher Störvorgänge kann nach folgenden Gesichtspunkten erfolgen:
• maximale Spannungsamplitude, • maximale Spannung (Spitze-Spitze), • Dauer der maximalen Anstiegsflanke, • Dauer der minimalen Anstiegsflanke, • maximale Spannungssteilheit, • Gesamtdauer eines „Burst“ (Impulspaket), • Dauer eines „Sub-Burst“, • Hochfrequenz, • Frequenz im mittleren Bereich, • Häufigkeit von Transienten mit einer Amplitude größer als 0,4 ⋅ Umax,
• Energieinhalt, - etc..
Eine weitere Möglichkeit der Beurteilung von Störgrößen ist die Korrelation dieser Parameter.
Die Messung von Störgrößen im Zeitbereich liefert ein anschauliches Abbild einer Störung und eignet sich besonders für Detail-Untersuchungen.
Die Messung von Störgrößen im Frequenzbereich erfolgt bei transienten Vorgängen durch Aufzeichnung im Zeitbereich und anschließender Überführung in den Frequenzbereich (FFT-Rechnerprogramm). {FFT ... fast fourier transformation}
Die Störgröße (Strom oder Spannung) wird in ihre einzelnen Frequenzanteile zerlegt und in Form eines Amplitudendichtespektrums dargestellt.
Zur Simulation leitungsgebundener Störgrößen verwendet man Entladekreise mit Speicherkondensatoren.
Bild 7: Zeitverlauf einer realen Überspannung
300V/div
2 µs/div
Burst
AusschwingvorgangSub-Burst
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Bild 8: Burst – Simulation mit PSpice
Frequency
1.0MHz 3.0MHz 10MHz 30MHz 100MHz
20*log10(V(R1:1)/1)
0
1.0
2.0
SEL>>
Time
0s 40ns 80ns 120ns 160ns 200ns
V(R1:1)
0V
0.25KV
0.50KV
0.75KV
1.00KV
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Bild 9: Surge – Simulation mit PSpice - Darstellung des Prüfimpulses im Zeit und Frequenzbereich
Frequency
10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 82MHz
20*log10(V(R3:2)/1)
0
2.5
5.0
SEL>>
Time
0s 50us 100us 150us 200us
V(R3:2)
0V
0.5KV
1.0KV
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3. Versuchsvorbereitung
• Welches Ziel haben Störfestigkeitsprüfungen? • Welche normierten Prüfimpulse zur Störfestigkeitsprüfung sind üblich?
Machen Sie einen tabellarischen Vergleich der einzelnen Impulse und deren Kenngrößen. (Anstiegszeit, Dauer, Amplitude und Energiegehalt)
• Welche Abtastrate (sample/sec) muss ein digitales Speicheroszilloskop (DSO) haben, damit ein
Burst Impuls aufgezeichnet werden kann? (Begründung erforderlich)
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• Zeichnen Sie die Strom/Spannungskennlinie eines Varistors (spannungsabhängiger Widerstand) auf?
• Durch welche Maßnahmen können Überspannungen verhindert werden?
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4. Versuchsdurchführung
4.1 Allgemeine Hinweise:
• zu jedem Versuchsteil ist eine vollständige Gerätestückliste (Leistungsangaben der Geräte) anzufertigen. Zu den Leistungsangaben zählen insbesondere:
• die Art des Gerätes, • der Bereich der einzustellenden Prüfparameter, • die Messbereiche, die Bandbreite, • die Messgenauigkeit, • usw.
• die aufgenommenen Diagramme oder Messkurven sind sofort vollständig zu beschriften. Zu einer vollständigen Beschriftung gehören mindestens folgende Punkte: • Überschrift……. Sie beschreibt die Art der gemachten Messung. • Achsenbeschriftung……. Sie gibt die gemessenen physikalischen Größen an (nicht zu verwechseln mit
den Einstellgrössen der Messgeräte. • Parameterbeschriftung… Sie gibt bei mehreren Messkurven die Messparameter an. • Geräteeinstellwerte…... Die Messbereiche und Masstabsfaktoren der Messgeräte ermöglichen die
Beurteilung der Messunsicherheit.
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4.2 Transiente Überspannungen
Bei der in Bild 10 vorgegebenen selbstkontrollierende Sicherheitsschaltung (Anwendungsbeispiel: Notausschalter für Speicherprogrammierbare Steuerung) wird der Schalter S1 bzw. S2 ein- und ausgeschaltet. Die entstehende transiente Überspannung an der Induktivität bzw. Schütz K1 wird gemessen und aufgezeichnet.
230 V
50 Hz
S1 S2
24 V (DC)
K143
44
K371
72
K1A1
A2K2
A1
A2K3
A1
A2K4
A1
A2
K471
72
61
62
61
62
K243
44
71
72
81
82
81
82
L1
T1
13
14
L1
T1
13
14
DSO
Drucker
60 dB
Üss
Bild 10: Versuchsschaltung transiente Überspannung
4.3 Entstörmaßnahmen für transiente Überspannungen
Es soll versucht werden die Störquelle aus 4.2 mit einem Varistor zu bedämpfen. Bei der Dimensionierung der Störbedämpfungsschaltung muss die Funktionstüchtigkeit der „Nutzschaltung“ gewährleistet sein. (Kenndaten der Bauelemente beachten)
Die jeweilige Entstörmaßnahme ist in die Schaltung (Bild 10) einzutragen . Anschließend wird wie unter 4.2 die verbleibende Störspannung aufgezeichnet.
4.4 Burst-Prüfung
Die Funktionsfähigkeit eines elektronischen Gerätes bei Belastung mit hochfrequenten Nadelimpulsen (Burst) soll untersucht werden.
• Fertigen Sie eine Skizze des Versuchsaufbaues an! • Ermittlung der Störschwelle durch Variation der Ladespannung am Burst-Simulator. • Protokollieren Sie Art der Prüfungen, Art der Fehlfunktionen, Höhe der Störschwellen.
Verwenden Sie das beigefügte Protokollpapier (Einstelldaten der Messgeräte nicht vergessen).
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5. Auswertung
1) Ermitteln Sie aus den Aufzeichnung von 4.2:
• maximale Spannungsamplitude, • Dauer der maximalen Anstiegsflanke, • maximale Spannungssteilheit • maximale Spannung (Spitze-Spitze), • Dauer eines „Sub-Burst“ (Einzelimpuls), • Wiederholfrequenz der „Sub-Burst“ (Einzelimpulse) • Energieinhalt eines Sub-Bursts an einer 50 Ohm-Last,
Tragen Sie die ermittelten Kennwerte zusätzlich in die Messdiagramme aus 4.2 ein!
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2) Diskussion der Ergebnisse aus 4.2: • Wodurch entstehen die festgestellten Überspannungen?
• Erklären Sie die Funktionsweise gewählten Endstörmaßnahme
3) Nennen Sie weitere Abhilfemaßnahmen zur Vorbeugung und Beseitigung von Überspannungs-Proble-men!
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6. Literatur
U. Adolph Elektromagnetische Verträglichkeit Vorlesungen an der HS Düsseldorf J.Wilhelm Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Expert-Verlag D.Stoll Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC), Elitera-Verlag,
K.Fleck Elektromagnetische Verträglichkeit in der Praxis, VDE-Verlag, E.Habiger Handbuch Elektromagnetische Verträglichkeit, VDE-Verlag, E.Habiger Elektromagnetische Verträglichkeit, Hüthig-Verlag, 1 F.Hölzel EMV-Theoretische und praktische Hinweise für den Systementwurf, Hüthig-Verlag, T.N.Bhar, Electrostatic Discharge Control, Hayden, E.J.Mc Mahon P.Panzer Praxis des Überspannungs- und Störspannungs- schutzes, Vogel-Verlag, D.Peier Elektromagnetische Verträglichkeit Hüthig-Verlag, A.Schwab Elektromagnetische Verträglichkeit Springer-Verlag, Nachweis der Störfestigkeit gegen die Entladungen statischer Elektrizität
Prüfvorschrift: EN 61000-4-2, VDE 0847 T 4-2;
Nachweis der Störfestigkeit gegen schnelle transiente Störgrößen (Burst)
Prüfvorschrift: EN 61000-4-4; VDE 0847 T 4-4;
Nachweis der Störfestigkeit gegen Stoßspannungen Prüfvorschrift: EN 61000-4-5; VDE 0847 T 4-5; Fachgrundnorm – Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe
Prüfvorschrift: EN 61000-6-1; VDE 0839 T 6-1
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BURST
Allgemeine Angaben zum Prüfling
Prüfling: _______________________
Typ: _______________________
Serien-Nr.: _______________________
Hersteller: _______________________
Modifikation: _______________________
Repräsentative Betriebsbedingungen des Prüflings
Betriebsart: _____________________________
Versorgungsspannung: _____________________________
Hilfsspannung: ______________________________
Eingangsgrößen: ______________________________
Eingangsgrößen: ______________________________
Meß- / Prüfgeräte: Schlöder
Meßort: L1.20Meß- / Prüfgeräte:
Tischgerät: Standgerät: Oberfläche
isolierend: nichtisolierend:
Temperatur: __________
Druck: __________
rel. Luftfeuchte: __________
Prüf-punkt
Burst-frequenz
(kHz)
Burst- länge
(ms)
Prüf-spannung
(kV)
Prüf-dauer
(s)
Koppel- art
Meß- /Auslösewert vor / bei / nach
der Prüfung
Bewertung Schärfegrad
Bemerkungen: N....Koppelnetzwerk; K....Koppelzange Industriebereich: 2/1 kV Wohnbereich: 1/0,5 kV
Auftrags.-Nr: Seite: