vom störfall zur emv- prü · pdf filecispr 16-1 (messausrüstung) ......
TRANSCRIPT
1
Vom Störfall zur EMV- Prüfung
Ein historischer Rückblick
Heinrich Ryser
EMV Fachtagung Kloten 21.1.2015
2
1. EMV, was ist das?
1.1. Definitionen
1.2. Seit wann spricht man von EMV ?
1.3. Störer und Gestörte (Wer stört was?)
2. Gründe für Veränderungen der EMV Normen
2.1. Neue Technologien (Neue Störopfer, neue Störquellen)
2.2. Unklarheiten und Zuständigkeitskonflikte
2.3. Neue Juristische Konzepte
3. Konkrete Beispiele
3.1. Bewertung von Funkstörungen
3.2. Elektrostatische Entladungen
Übersicht E
MV
Fach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
3
1. EMV was ist das ?
...was auf dem Netz so alles ankommt
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
4
1.1. Definitionen
EMV ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, in ihrer elektromagnetischen
Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne diese Umgebung zu der auch
andere Einrichtungen gehören, unzulässig zu beeinflussen.
(EMV Richtlinie der EG 1989)
EMV befasst sich mit den ungewollten elektromagnetischen Interaktionen zwischen
zwei technischen Einrichtungen, die vom Konstrukteur der Einrichtungen nicht
beabsichtigt sind. (…………….aber trotzdem stattfinden !)
Also mit der Vermeidung von unbeabsichtigten Störfällen.
Meine Definition
Offizielle Definition
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
5
1.2. Seit wann spricht man von EMV
RFI
EMC / EMV
1954 Armour Conference on Radio Interference Reduction
1963 IRE und AIEE fusionieren zu IEEE
1959 IRE Transactions on Radio Frequency Interference
1957 Gründung der RFI Group in IRE
1972 Erstes EMC Symposium in Wroclaw
1964 IRE Transactions on RFI > IEEE Transactions on EMC 1964 IRE Professional Group on RFI > IEEE EMC Group (später EMC Society)
1975 Erstes EMC Zürich Symposium (in Montreux)
1964 Erste EMC Konferenz in Chicago
(Viele weitere EMC Konferenzen in Deutschland, Italien, Frankreich, Israel, Türkei)
1976 Buch: “Elektromagnetische Verträglichkeit“ von Dieter Stoll
1989 EMC Richtlinie der EWG 89/336/EWG
2007 Jubiläum 50 Jahre EMC Society in IEEE
1973 Gründung von TC77 „Electromagnetic Compatibility
1950
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
6
Die vier Elemente der Störsituation
Störopfer Störquelle
Störweg Störwirkung
Fragen:
•Was sind die Störquellen?
•Was sind die Störopfer?
•Wie ist die Störwirkung im Störopfer?
•Wie kann die Störung vermieden werden?
• Durch Reduktion der Emission aus der Störquelle?
• Durch Veränderungen auf dem Störweg?
• Durch Verbesserung der Immunität beim Störopfer?
1.3. Störer und Gestörte (Wer stört was?) E
MV
Fach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
7
(Blitz)
Telefon
(Umschaltung in Starkstromleitung)
(ESD)
(Haushaltgerät mit Elektromotor)
Haushaltgerät mit Elektronik
(Mikrowellenofen)
(Mechanischer Schalter / Schütze)
(Verbrennungsmotoren)
Computer
Industriesteuerung
(Radio-Sender / TV-Sender)
Radio Empfänger
TV Empfänger
(Bahnstromleitung)
Röhrenbildschirme
Flachbildschirme
Mobilfunkgeräte (Empfang)
Beeinflussung der Störquelle nicht, oder nur schwer möglich
> Festlegung der Immunität beim Störopfer > Immunitätsspezifikation
Beeinflussung des Störopfers nicht, oder nur schwer möglich (Funkstörungen)
> Festlegung der Emission bei der Störquelle > Emissionsspezifikation
Störopfer Blitz
Telefon
Umschaltung in Starkstromleitung
ESD
Haushaltgerät mit Elektromotor
Haushaltgerät mit Elektronik
Mikrowellenofen
Mechanischer Schalter / Schütze
Verbrennungsmotoren
Computer
Industriesteuerung
Radio-Sender / TV-Sender
Radio Empfänger
TV Empfänger
Bahnstromleitung
Röhrenbildschirme
Flachbildschirme
Mobilfunkgeräte
Störquelle
1.3. Störer und Gestörte (Wer stört was?) E
MV
Fach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
8
Blitz
Telefon
Umschaltung in Starkstromleitung
ESD
Haushaltgerät mit Elektromotor
Haushaltgerät mit Elektronik
Mikrowellenofen
Mechanischer Schalter / Schütze
Verbrennungsmotoren
Computer
Industriesteuerung
Radio-Sender / TV-Sender
Radio Empfänger
TV Empfänger
Bahnstromleitung
Röhrenbildschirme
Flachbildschirme
Mobilfunkgeräte
(Blitz)
Telefon
(Umschaltung in Starkstromleitung)
(ESD)
(Haushaltgerät mit Elektromotor)
Haushaltgerät mit Elektronik
(Mikrowellenofen)
(Mechanischer Schalter / Schütze)
(Verbrennungsmotoren)
Computer
Industriesteuerung
(Radio-Sender / TV-Sender)
Radio Empfänger
TV Empfänger
(Bahnstromleitung)
Röhrenbildschirme
Flachbildschirme
Mobilfunkgeräte (Empfang)
Störquelle Störopfer
Prüfling
Störopfer
Störweg
Störwirkung Ankopplung Störgenerator
Immunitätsmessung nach Norm
Bewertung
Schutz
durc
h F
estlegung d
er
Imm
unität
1.3 Störschutz durch Festlegung der Immunität E
MV
Fach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
9
Blitz
Telefon
Umschaltung in Starkstromleitung
ESD
Haushaltgerät mit Elektromotor
Haushaltgerät mit Elektronik
Mikrowellenofen
Mechanischer Schalter / Schütze
Verbrennungsmotoren
Computer
Industriesteuerung
Radio-Sender / TV-Sender
Radio Empfänger
TV Empfänger
Bahnstromleitung
Röhrenbildschirme
Flachbildschirme
Mobilfunkgeräte
(Blitz)
Telefon
(Umschaltung in Starkstromleitung)
(ESD)
(Haushaltgerät mit Elektromotor)
Haushaltgerät mit Elektronik
(Mikrowellenofen)
(Mechanischer Schalter / Schütze)
(Verbrennungsmotoren)
Computer
Industriesteuerung
(Radio-Sender / TV-Sender)
Radio Empfänger
TV Empfänger
(Bahnstromleitung)
Röhrenbildschirme
Flachbildschirme
Mobilfunkgeräte (Empfang)
Störquelle Störopfer
Schutz
durc
h B
egre
nzung d
er
Em
issio
n
Ankopplung
Störweg
Messgerät
Emissionsmessung nach Norm Bewertung
Störquelle Störwirkung
Prüfling
1.3. Störschutz durch Begrenzung der Emission E
MV
Fach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
10
1. EMV, was ist das?
2. Gründe für Veränderungen der EMV Normen
2.1. Neue Technologien (Neue Störopfer, neue Störquellen)
2.2. Unklarheiten und Zuständigkeitskonflikte
2.3. Neue Juristische Konzepte
2.3.1. Anforderungen für Immunität
2.3.2. Änderungen der Normenstruktur
2.3.3. Berücksichtigung der Messunsicherheit
2.3.4. Ersatz der Konstruktionsbeschreibung durch
Spezifikation
3. Konkrete Beispiele
3.1. Bewertung von Funkstörungen
3.2. Elektrostatische Entladungen
2. Gründe für Veränderungen in den Normen E
MV
Fach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
11
2. Gründe für Veränderungen der EMV Normen
1882
Gesetz über das Telegraphenwesen unterschrieben von Kaiser Wilhelm II
Elektrische Anlagen sind, wenn eine Störung des Betriebs der einen
Leitung durch die andere Leitung eingetreten oder zu befürchten ist,
auf Kosten desjenigen Theiles, welcher durch eine spätere Anlage
oder durch eine später eintretende Änderung seiner bestehenden
Anlage diese Störung oder die Gefahr derselben veranlaßt, nach
Möglichkeit so auszuführen, daß sie sich nicht störend beeinflussen.
Erstes Deutsches Gesetz zur EMV
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
12
1934 Gründung von CISPR
2.1. Neue Technologien >> Neue Störfälle
Verbreitung des Rundfunks
Verbreitung des Fernsehens
Verbreitung des Mikroprozessors
1958 Erste integrierte Schaltung
1974 Intel 8080 Mikroprozessor
1978 Intel 8086 Mikroprozessor
1977 Apple2, Commodore PET 2001, Tandy TRS80
1981 IBM PC
1947 Erster Transistor
Verbreitung des Mobilfunks
1912 Erste Funkausstellung in Woolwich, England
Verbreitung von Radar und Funk im Militärbereich
Verbreitung der Digitaltechnik
Verbreitung des PC
Verbreitung Elektrischer Bahnen 1913 Übereinkommen der Bahnen zu 16 2/3 Hz
1953 Gründung von Schwarzbeck Messelektronik
1933 Gründung von Rohde + Schwarz
Verbreitung Schneller Logiktypen
1962 ECL Serie bei Motorola
1966 TTL Serie 74xx bei TI
1991 Erste GSM Mobilfunksysteme (Finland)
Verbreitung der Multimedia
Produkte und Wireless Systeme
1983 NATEL B
01
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
13
01
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Störung des Radioempfangs durch Schalter und Motoren Verbreitung des Rundfunks
Verbreitung des Fernsehens
Verbreitung des Mikroprozessors
Störung des TV und Radioempfangs durch Digitalsysteme
Störung von Digitalsystemen durch ESD und Transienten
Störung der Funk- und Navigationssysteme durch Radar etc.
Verbreitung des Mobilfunks
Verbreitung der Multimedia
Produkte und Wireless Systeme
Verbreitung von Radar und Funk im Militärbereich
Verbreitung der Transistortechnik
Verbreitung des PC
Verbreitung Elektrischer Bahnen Störung des Telefonverkehrs durch Bahnströme
Störung des TV Empfangs
Zerstörung von Halbleitern durch ESD
Störung von Elektroniksystemen durch Mobilfunk
Störung von Digitalsystemen durch Felder (Rundfunk, Amateure)
Verbreitung Schneller Logiktypen
Störung von Multimediasystemen
2.1. Neue Technologien >> Neue Störfälle
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
14
Das Grundgesetz der Normenentstehung
In den zuständigen Normengremien sind ganz gegensätzliche Interessen vertreten:
Eine Gruppe will möglichst Strenge Normen.
Eine zweite Gruppe will möglichst billige Produkte (d.h. möglichst lockere Normen).
Eine dritte Gruppe will möglichst einfache Messungen.
Eine vierte Gruppe will möglichst genaue Messungen.
Eine fünfte Gruppe will eine bestimmte Messmethode durchsetzen damit die dafür
gemachten Investitionen amortisiert werden können.
Eine sechste Gruppe will verhindern dass überhaupt Normen entstehen.
Daraus ergibt sich das „Grundgesetz der Normenentstehung“:
Ein Normentext wird erst dann von einer Mehrheit der Mitglieder akzeptiert,
wenn er genügend diffus und unklar geschrieben ist, so dass jeder glaubt,
seine Meinung sei darin enthalten, oder könne wenigstens später
hineininterpretiert werden.
2.2. Unklarheiten und Zuständigkeitskonflikte E
MV
Fach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
15
TC77
IEC 61000 Serie
IEC 1000 Serie
TC65 WG4
IEC 801 Serie
2.2. Unklarheiten und Zuständigkeitskonflikte
CISPR 32 ITE/MM Emission
CISPR 36 ITE/MM Immunität
SC G
(ITE)
CISPR 22 ITE Emission
CISPR 24 ITE Immunität
CISPR
SC A (Messmethoden)
SC B (ISM)
SC C (Hoschspannungsleitungen
SC D (Verbrennungsmotoren)
SC E (Radio / TV Empfänger)
SG F (Haushaltgeräte)
SC H (Störstatistik, Grenzwerte)
Ab ca. 1980 gibt es
Zuständigkeitskonflikte:
Emission ? Immunität ?
Frequenzbereich ? Produkte ?
CISPR: Comité international spécial
des perturbations radioélectriques
TC65: Industrial-process
measurement, control
and automation
TC77: Electromagnetic
compatibility
1995
1978
1934
1973
1985
SC I
(Multimedia)
(ab 2000)
01
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
16
2.3. Neue juristische Konzepte
1968 Mil Std 461/462
1973 VG 95371 / 72 / 73
1984 Immunitätsnormen IEC 801 -1 bis 801-5 für Industrielle Prozesssteuerungen (IEC TC65 WG4)
1997 CISPR 24 ITE Immunität (CISPR SC G)
???? CISPR 35 Multimedia Immunität
2001 CISPR 14-2 Haushaltgeräte Immunität (CISPR SC F)
2001 Reorganisation der Immunitätsnormen als IEC 61000 Serie
1989 EMC Richtlinie der EWG 89/336/EWG >> Immunitätsanforderungen (CENELEC / IEC)
1985 CISPR 20 Radio / TV Empfänger, Immunität (CISPR SC E)
01
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
1995 Reorganisation der Immunitätsnormen als IEC 1000 Serie (IEC TC 77)
2.3.1. Anforderungen für Immunität
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
17
01
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
1934 Gründung von CISPR
1985 CISPR 22 ITE Produktenorm Emission (Inklusive Messmethode)
2012 CISPR 32 Multimedia Emission
1997 CISPR 24 ITE Produktenorm Immunität mit Bezug auf Basisnormen
???? CISPR 35 Multimedia Immunität
1940 VDE 875 (Haushaltgeräte)
1952 VDE871 (ISM)
Separate Normen (Inklusive Messmethode) für Produktekategorien
CISPR 11 ISM
CISPR 14 Haushaltgeräte
CISPR 13 Radio / TV Empfänger , Emission
1973 Messgeräte und Messmethoden in CISPR 16 zusammengefasst
1989 IEC Guide 107 Edition 1 >> Neuorganisation der EMV Normenstruktur
2001 CISPR 14-2 Haushaltgeräte Produktenorm Immunität
2002 CISPR 14-1 Haushaltgeräte Produktenorm Emission
2001 Reorganisation der Immunitätsnormen als IEC 61000 Serie
2.3.2. Neuorganisation der Normenstruktur
1995 Reorganisation der Immunitätsnormen als IEC 1000 Serie
1984 Immunitätsnormen IEC 801 -1 bis 801-5 für Industrielle Prozesssteuerungen (IEC TC65 WG4)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
18
•Basisnormen (Basic standards) Die Basisnormen sollen die Messgeräte und Messmethoden für ein bestimmtes EMV Phänomen beschreiben. CISPR 16-1 (Messausrüstung) / CISPR 16-2 (Messmethoden) IEC 61000-4 (Messmethoden)
•Fachgrundnormen (Generic standards) Die Generic standards sollen die Grenzwerte für eine bestimmte Umgebung angeben. EN50081-1 (Emission Wohnbereich) / EN50082-1 (Immunität Wohnbereich) EN50081-2 (Emission Industriebereich) / EN50082-2 (Immunität Industriebereich) IEC 61000-6 (Immunität / Emission für Wohnbereich / Industriebereich) Wohnbereich: Residential, commercial and light industry environments Industriebereich: Industrial environments
•Produktenormen (Product standards) Produktenormen sollen Grenzwerte und Ausfallkriterien für ein bestimmtes Produkt angeben.
2.3.2. Neuorganisation der Normenstruktur
IEC Guide 107 (1989)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
19
2.3.3. Berücksichtigung der Messunsicherheit
Einfluss der Messeinrichtung
• Kalibration der Messeinrichtung
• Stabilität der Messeinrichtung
• Weitere Einflüsse (Reflexionen, Kablverluste)
„Mesurement instrumentation
uncertainty“ CISPR 16-4-2 (2003)
Typische Werte: +/- 4 – 5 dB (UCISPR)
Einfluss der Messprozeduren
• Variation der Aufstellung
• Suchstrategie für Maximum
• Geprüfte Betriebszustände
Typische Werte: +/- 10 – 15 dB
Stabilität des Prüflings
• Abnützung von Störwirksamen Teilen
• Unkontrollierte Kontaktstellen
• Konstruktions Varianten
• Unbekannte Betriebszustände
Typische Werte: +/- 1 – 5 dB
∑
Der IEC/ISO Guide 17025 Verpflichtet die Prüflaboratorien zur Angabe der Messunsicherheit
Gesamte Unsicherheit
der EMV Messung
„Standards compliance
uncertainty“ CISPR 16-4-1 (2003)
Typische Werte +/- 10 - 20 dB
Streubereich der Resultate
von Ringversuchen
mit stabilen Prüflingen.
Entspricht ungefähr der
Erweiterten Unsicherheit mit k=2
(dh: ca. 95 % der Resultate liegen
innerhalb dieser Grenzen, falls
die Statistischen Schwankungen
Gaussverteilt sind)
IEC/ISO Guide 17025 (1998)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
20
2.3.4. Ersatz der Konstruktionsbeschreibung durch Spezifikation
Vorher:
Beschreibung der
Konstruktion
einer Messeinrichtung
Neu:
Spezifikation der
Eigenschaften
einer Messeinrichtung
Freifeldmessplatz Zeichnung der
Blechplatte (CISPR 22)
Spezifikation durch NSA
(CISPR 16-1-4) 2003
MDS Zange Konstruktionszeichnung
(CISPR 14 / CISPR 16) Spezifikation
(CISPR 16-1-3) 2004
Ferritzangen Keine Angaben Spezifikation
(CISPR 16-1-4) 2008
CMAD
(Common mode absorbing devices)
Beispiele:
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
21
1. EMV, was ist das?
2.Gründe für Veränderungen der EMV Normen
3. Konkrete Beispiele
3.1. Bewertung von Funkstörungen
3.1.1. Störquellen und Störsignaltypen
3.1.2. Historischer Überblick
3.1.3. Neues Konzept mit QP und AV Detektor seit 1985
3.2. Elektrostatische Entladungen
Übersicht E
MV
Fach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
22
3.1.1. Störquellen und Störsignaltypen
Radiostörung durch einen
Rasierapparat
Radiostörung durch Motor in
Bohrmaschine
„Breitbandstörung“
Radiostörung durch Motor in
einer Kaffeemaschine
Wirkung im Störopfer:
•AM Radio: Geräusch
•FM Radio: Nicht bemerkbar
•TV: Schnee
Störung des Polizeifunks
Durch PLC System
40 60 80 100
Frequenz [MHz]
15
20
25
30
35
40
45
50
Fel
dstär
ke
[dB
(µV
/m)]
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
23
Radiostörung durch Schaltuhr in
einer Wachmaschine
Radiostörung durch eine
Heizungssteuerung
„Knackstörung“
40 60 80 100
Frequenz [MHz]
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Fel
dstär
ke
[dB
(µV
/m)]
Wirkung im Störopfer:
• AM Radio: Knack
• FM Radio: Knack
• TV: Nicht bemerkbar
• PC: Funktionsstörung
3.1.1. Störquellen und Störsignaltypen
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
24
3.1.1. Störquellen und Störsignaltypen
Störung des Fernsehempfangs
durch einen PC
Störung des Bahnfunks durch
einen Billetautomaten
Störung des Flugfunks durch
elektronische Registrierkasse
„Schmalbandstörung“
40 60 80 100
Frequenz [MHz]
20
25
30
35
40
45
50
Fel
dstär
ke
[dB
(µV
/m)]
Wirkung im Störopfer:
• AM Radio: Ton
• TV: Mäander und Wellen
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
25
1931 In Deutschland gibt es 7‘200 Entstörtechniker (pro Jahr 270‘000 Störklagen)
1933 Gründung von „Pro Radio“ in der Schweiz
(Finanziert durch den Verkauf der „Kontrollmarken“ für Radioempfänger)
1936 Von „Pro Radio“ wurden im Jahr 1936 ca. 7000 Elektrogeräte untersucht
und davon 1783 Geräte entstört:
734 Staubsauger, 213 Haartrockner, 187 Bügeleisen, 117 Violettstrahler,
68 Handbohrmachinen, 56 Registrierkassen, 28 Ventilatoren, 28 Blocher,
24 Rechenmachinen, 22 Haarschneidemaschinen, 20 Heizkissen, etc.
Störquelle: Elektrische Haushaltgeräte
Störopfer: Radioempfänger (AM)
Funkstörungen in den 30er Jahren
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
3.1.2. Historischer Überblick
26
VDE 875 / CISPR 14 (1940)
VDE 871 / CISPR 11 (1952)
Neues Konzept auch in CISPR 14, CISPR 11, CISPR 13
QP Detektor (1939)
Neue Bewertungen in Diskussion:
RMS Detektor, APD (für Mikrowellenofen)
Radiostörungen durch Motoren >> Geräusch
Radiostörungen durch Schalter >> Knack
Neue Störquellen: ISM
Wirkung im Radio >> Pfeifen
Neue Störquellen: Computer
(Werden als ISM klassiert)
Neue Störopfer: TV Empfänger
Breitbandstörung >> Schnee
Schmalbandstörung >> Mäander
(Computer werden als ITE klassiert)
Neue Störquellen: Mikrowellenofen
Neue Störopfer:
DAB Empfänger / Mobilfunkempfänger
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
3.1.2. Historischer Überblick
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Bis 1985 Getrennte Normen und Grenzwerte für Breitband-
und Schmalbandstörungen mit QP Detektor.
Das Prüflabor muss wissen, ob das Produkt SB oder BB
Quellen oder beides enthält.
Nach 1985: Neues Konzept für Abgrenzung von BB und SB in
CISPR 22: 0.15 – 30 MHz Grenzwert QP / AV kombiniert
(30 – 1000 MHz Nur QP Grenzwert)
Breitbandstörungen
Schmalbandstörungen
CISPR 22 (1985)
27
Peak Detektor
•Schnell, kurze Messzeit
•Der angezeigte Wert ist entweder richtig
oder zu hoch, aber nie zu tief.
•Resultat nicht Normkonform
Quasi Peak Detektor
•Langsam, lange Messzeiten
•Resultat Normkonform (QP Grenzwert)
•Massgebend für Breitbandstörungen
Average Detektor
•Schnell, kurze Messzeit
•Resultat Normkonform (AV Grenzwert)
•Breitbandstörungen werden unterdrückt
•Massgebend für Schmalbandstörungen
•Grenzwert AV tiefer als Grenzwert QP
3.1.3. Neues Konzept mit QP und AV Detektor seit 1985
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Demoduliertes Signal am
Ausgang des Empfängers
Zur Anzeige
28
1 10
Frequenz (MHz)
40
50
60
70S
törs
pa
nn
ung
am
N
etz
an
sch
luss
(dB
(µV
))
QP Klasse B
AV Klasse B
Beispiel: Grenzwerte am Netzanschuss (V-Netznachbildung) für Klasse B
3.1.3. Neues Konzept mit QP und AV Detektor seit 1985
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
29
1
2
3
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Entscheidungsdiagramm
3.1.3. Neues Konzept mit QP und AV Detektor seit 1985
30
1. EMV, was ist das?
2. Gründe für Veränderungen der EMV Normen
3. Konkrete Beispiele
3.1. Bewertung von Funkstörungen
3.2. Elektrostatische Entladungen
3.2.1. Historischer Überblick
3.2.2. Erste ESD Prüfnorm 1984
3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm
3.2.4. Verbesserungsvorschläge (1984 – 1989)
3.2.5. Neue ESD Prüfnorm 1991
3.2.6. Vergleich mit realen Störsignalen
3.2.7. Weitere Verbesserungen 2001 und 2008
3.2.8. Offene Fragen
Übersicht E
MV
Fach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
31
IEC 801-2 (1984) Ausgabe 1
IEC 61000-4-2 (2000)
IEC 801-2 (1991) Ausgabe 2
IEC 1000-4-2 (1991)
IEC 61000-4-2 (2001)
Weitere Verbesserungen notwendig
Erfahrungen mit 801-2 Ausgabe 1
(Reproduzierbarkeit, Kalibration)
Neue schnelle Elektronikelemente
> Einfluss indirekter Entladung
Neuorganisation der Normen
Probleme mit SK II Geräten
1950
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
Störung von Digitalsystemen durch
Elektrostatische Entladungen (ESD)
Zerstörung von Halbleitern durch
Elektrostatische Entladungen (ESD)
3.2.1. Historischer Überblick
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
32
150 Ω / 150 pF
3.2.2. Erste ESD Prüfnorm IEC 801-2 (1984)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
33
Stromverlauf bei der
Verifikation mit
Masseanschluss
„as short as Possible“ nach Norm
Stromverlauf bei der
Anwendung mit 2m
Massekabel und
unterschiedlicher
Auslegung des
Massekabels
(Realistische Beispiele)
3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
34
Ohne Abschirmung
Mit Abschirmung
Voll geschirmter Speicher KO
mit 1 GHz Bandbreite
3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
35
Prüfspannung
Stromsteilheit des „Initial Spike“ Hauptentladung
Streuung des „Initial Spike“
„Initial Spike“
3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
36
Zusammenhang zwischen
Funkenlänge und
Stromanstieg für eine
Ladespannung von 6 kV
Vergleich zwischen
Theorie und Messung
Die Theoretische Kurve
Eq. 3.8 ist abgeleitet
aus dem Toepplerschem
Gesetz von 1927 !
3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
37
Vorschlag Kawamura (Sanki):
Zusatzkapazität und
einstellbare interne
Funkenstrecke.
Resultat: Reproduzierbar
langsame Anstiegssteilheit.
3.2.4. Verbesserungsvorschläge (1984 – 1989)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Vorschlag Richman (Keytek):
„Initial Spike Adapter“
Resultat: Grosser Initialspike,
aber schlechte Reproduzierbarkeit
der Anstiegssteilheit.
38
3.2.4. Verbesserungsvorschläge (1984 – 1989)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Vorschlag Landt (Siemens):
Vergrösserung des Initial Spike
mit „Handcapacity Simulator“.
Resultat: Grosser Initialspike, aber
schlechte Reproduzierbarkeit der
Anstiegssteilheit.
Vorschlag Ryser / Daout (Hasler AG):
Entladung mit Relais.
Resultat: Hohe Ansiegssteilheit ,
gute Reproduzierbarkeit,
Initial Spike je nach Konstruktion.
39
Vorschlag Calcavechio / Pratt (IBM, ursprünglich geheim, später Teil von ECMA TR/40 1987)
Personnel discharge: 1.8 kΩ
Furniture discharge: 15 Ω
Resultat: Hohe Anstiegssteilheit , gute Reproduzierbarkeit, unhandlich und voluminös.
3.2.4. Verbesserungsvorschläge (1984 – 1989)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
40
3.2.5. Neue ESD Prüfnorm 1991
Diskussion mit viel Papier, aber noch ohne Laptop!
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Resultat der Diskussion:
Kombination der
Vorschläge Landt / Ryser:
Definition des
Initial Spike und
Entladung mit Relais.
Simulation der Entladung
einer Person mit Metallstück
in der Hand
Resultat:
Definierter Initialspike,
gute Reproduzierbarkeit der
Anstiegssteilheit.
Ca. 6 verschiedene Prototypen
unterschiedlicher Hersteller wurden
bei Hasler ausgemessen.
Diskussion in der IEC TC65 WG4 in Tokyo (1989)
41
Der in IEC 801-2 Edition 1991 bzw IEC 61000-4-2 definierte Generator mit
330Ω / 150pF simuliert die Entladung mit einem Metallstück in der Hand
Ladespannung 4kV
Strommaximum 16A
Anstiegszeit ca. 1 nS
Anstiegssteilheit ca. 20 A/ns
(330 Ω / 150 pF)
Ladespannung 4kV
Strommaximum 20A
Anstiegszeit ca. 1 nS
Anstiegssteilheit ca. 25 A/ns
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
3.2.5. Neue ESD Prüfnorm 1991
42
3.2.5. Neue ESD Prüfnorm 1991:
330 Ω / 150 pF
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Neue Prüfgeräte mit Kontaktentladung und Luftentladung
43
3.2.6. Vergleich mit realen Störsituationen (Direktentladung)
Ladespannung 4kV
Strommaximum 1A
Anstiegszeit ca. 1 nS
Anstiegssteilheit ca. 1 A/ns
Ladespannung 4kV
Strommaximum 5A
Anstiegszeit ca. 1 nS
Anstiegssteilheit ca. 5 A/ns
Entladung mit Finger
Entladung mit Faust
Ladespannung 4kV
Strommaximum 20A
Anstiegszeit ca. 1 nS
Anstiegssteilheit ca. 25 A/ns
Entladung mit
Metallstück in der Hand
Ladespannung 4kV
Strommaximum 70A
Anstiegszeit ca 5 nS
Anstiegssteilheit ca 20 A/ns
Entladung mit
Wagen aus Metall
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
44
3.2.7. Weitere Verbesserungen 2001 und 2008
1984
1991 2008
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Thema
Kalibration
45
Thema: Indirekte
Entladungen
1991 2001
1984 (Keine Angaben)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
3.2.7. Weitere Verbesserungen 2001 und 2008
46
Thema: Schutzklasse II
Geräte
1984 (Keine Angaben)
2001 2008
Problem: Ladungsakkumulation bis zum Durchbruch der SK II Isolation
1991 (Keine Angaben)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
3.2.7. Weitere Verbesserungen 2001 und 2008
47
3.2.8. Offene Fragen
1984 1991 / 2001
Reale Messung
(Extremes Beispiel)
Reflexion von der
Plattengrenze
0.3 m >> 2 ns Laufzeit
hin und zurück
Reflexion vom Ende
des Massekabels
2.5 m >> 15 ns Laufzeit
hin und zurück
„First peak“
Kalibration der Stromsonde
(Frequenzbereich bis 4 GHz)
2008
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Kalibration
48
„First peak“
Ohne Zusatzmassnahme Masseband in der Mitte
mit der Hand zurückgehalten
Ohne Zusatzmassnahme Ferritkern am
Ende des Massabandes
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
3.2.8. Offene Fragen
Kalibration (Dämpfung der Reflexionen)
49
3.2.8. Offene Fragen
2008
Offene Fragen:
- Unterschiedliche Positionen der VCP
(sufficient different Positions such that
the four surfaces of the EUT are
completely illuminated)
Entladung in der Mitte der HCP und der VCP
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Indirekten Entladung (ESD fields)
50
10 Seiten „Informative Annex“ mit Messungen und
numerischen Simulationen aber keine Angaben zu
möglichen Testmethoden
2008
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
3.2.8. Offene Fragen
Indirekten Entladung (ESD fields)
51
Probleme mit indirekter Entladung bei Grossrechnern (1984)
Indirekte Entladungen (zB Metallstühle) mit Aufladung von
weniger als 2 kV verursachen am meisten Störungen bei
schnellen Grossrechnern (ECL Technologie).
Entladungen mit kleinen Spannungen haben sehr kurze
Anstiegszeiten des Stromes. Oft handelt es sich um
Indirekte Entladungen in der Nähe des Störopfers.
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15
Masamitsu Honda (UNISYS Japan 1984)
3.2.8. Offene Fragen
Neues Problem
Publikation an EMC Europe 2010:
Entladung kurzer Funkenstrecken
im Störopfer durch Bewegung
aufgeladener Personen in der Nähe.
(Keine Berührung!)
52
Schlussbemerkung: Der mechanische Schalter als HF-Quelle
1970 Mechanischer Schalter als Störquelle für „Burst“-Störungen („Schnelle Transienten“)
1940 Mechanischer Schalter im CISPR Referenzgenerator (ns Impulse mit 100 Hz Repetitionsfrequenz)
Die Impulse mit Anstiegszeiten von weniger als 1 ns werden dadurch erzeugt, dass mit einem
Kontakt eine Koaxialleitung entladen wird. Für eine Impulsbreite von 1 ns braucht es ca. 20 cm
Kabel und eine gute Konstruktion im Schalterbereich. Solche Generatoren sind sehr stabil und
sind zum Teil noch heute im Einsatz.
1990 Mechanischer Schalter im ESD Generator
1940 Mechanischer Schalter als Störquelle für Radiostörungen (Knack)
1980 Funkenstrecke in den frühen Burst Generatoren
Zu beachten: Öffnender mechanischer Schalter >>> Anstiegszeit ca. 5 ns
Schliessender mechanischer Schalter >>> Anstiegszeit > 100 ps
1910 Funkenstrecke im Radiosender (davon kommt der Name „Funk“ und Rundfunk“)
EM
V F
ach
tag
ung
Klo
ten
21.1
.20
15