Spezifikationen für abgestrahlte elektromagnetische Störgrößen

Die Messung abgestrahlter elektromagnetischer Störgrößen gestaltet sich nicht so unkompliziert wie die Prüfung auf leitungsgeführte Störgrößen, ist aber für Konformitätsprüfungen notwendig und kann sich leicht zu einem Engpass im Entwicklungszyklus eines Produkts entwickeln. Mehrere Regulierungsinstanzen bestimmen, welches Ausmaß an elektromagnetischen Störgrößen ein Endprodukt aussenden darf, um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nicht zu gefährden.

Abgestrahlte elektromagnetische Störgrößen (engl. electromagnetic interference, EMI) aus einem Schaltnetzteil sind ein dynamisches, situationsabhängiges Problem, das mit parasitären Effekten, dem Layout der Schaltung und der Platzierung der Bauelemente im Netzteil zusammenhängt, aber zusätzlich auch von dem Gesamtsystem beeinflusst wird, in dem es sich befindet. Folglich sind die abgestrahlten elektromagnetischen Störgrößen aus Sicht der Designingenieure ein recht anspruchsvolles Thema, dem man sich in einer möglichst frühen Phase des Designs widmen sollte. Entscheidende Bedeutung bekommt hier auch das Verstehen der EMI-Normen, die für die jeweilige Anwendung gelten.

Abgestrahlte Störgrößen beeinflussen die EMI-Signatur eines Leistungswandlers bei hohen Frequenzen. Die obere Prüffrequenz für Störstrahlungs-Prüfungen kann je nach Spezifikation bis zu 1 GHz und mehr betragen und liegt bei leitungsgeführten Störgrößen noch deutlich höher.

Normen für abgestrahlte EMI in Automotive-Systemen

Heutige Automobile weisen einen hohen Grad an Elektronik auf und enthalten beispielsweise zahlreiche Mikroprozessoren, verschiedene Funksender und -empfänger, elektromotorische Antriebe und entsprechende Powermanagement-Schaltungen. Die Verfolgung aller möglichen Wechselwirkungen, die zu einem Problem durch abgestrahlte EMI führen können, ist eine immense Aufgabe – insbesondere angesichts des relativ kleinen Raums in einem Fahrzeug mit seiner hohen Dichte an Stromversorgungs- und Signalleitungen im Kabelbaum. Ungeachtet dessen lassen sich Bauteile und Systeme prüfen, um die Anforderungen für die elektromagnetische Verträglichkeit zu erfüllen. Die Bewertung der EMI-Eigenschaften ist deshalb für Ingenieure, die mit dem Design und der Prüfung von Automotive-Systemen zu tun haben, ein Bereich von größter Bedeutung.

UNECE-Regelung 10

Unter dem Titel „Einheitliche Vorkehrungen bezüglich der Zulassung von Fahrzeugen bezüglich ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit“ verlangt Regelung 10, Revision 5 (R10.05) der United Nations Economic Commission for Europe (UNECE), dass Automobilhersteller eine Typzulassung für alle Fahrzeuge, elektronischen Unterbaugruppen (electronic subassemblies, ESAs), Bauteile und separaten technischen Einheiten einholen. Ein typgeprüftes, zertifiziertes System wird daraufhin mit einem einem großen „E” gekennzeichnet.

Aus regulatorischer Sicht enthält R10.05 zwei Gruppen von Tests für abgestrahlte EMI, und zwar Breitband-Emissionen (BB), die beispielsweise durch Zündsysteme, bürstenbehaftete Gleichstrommotoren und bordeigene Batterieladeeinheiten verursacht werden, und schmalbandige Emissionen (Narrowband, NB) aus geschalteten Stromversorgungen, Takt-Oberschwingungen und weiteren. Die Grenzwerte gelten für Tests des gesamten Fahrzeugs ebenso wie für Tests einzelner Unterbaugruppen und Bauteile und gehen von einer Messauflösungsbandbreite (Resolution Bandwidth, RBW) von 120 kHz aus.

Bild 1 enthält die Grenzwerte für abgestrahlte BB- und NB-Emissionen über den relevanten Frequenzbereich von 30 MHz bis 1 GHz bei der Messung mit Quasi-Peak- (QPK) beziehungsweise Mittelwert-Detektoren (Average, AVG) laut Definition von CISPR 16 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques). Der Korrelationsfaktor zwischen QPK- und AVG-Messungen beträgt 10 dB bei einer RBW von 120 kHz. Die Entfernung der Messantenne ist 10 m bei Fahrzeugen und 1 m bei ESAs. Zusätzliche 10 dB sind erlaubt, wenn die Antenne bei Fahrzeugmessungen in 3 m Entfernung platziert wird.

CISPR 12 und CISPR 25

Regelung R10.05 nimmt in großem Umfang Bezug auf CISPR 12 und CISPR 25. Beides sind internationale Normen mit Grenzwerten und Verfahrensweisen für die Messung von Funkstörungen zum Schutz von außerhalb beziehungsweise an Bord befindlichen Empfängern. Die aktuellere Norm CISPR 25 ist generell eine technische Norm, die häufig als Grundlage für interne Produktspezifikationen von Automobilherstellern und ihren Zulieferern herangezogen wird, fungiert aber nicht als Quelle für Konformitätsbewertungen und Regelungskonformität. Diese Unterscheidung trifft seit dem Wegfall der EMV-Direktive der EU für Automobile mehr für CISPR 12 und speziell für R10.05 zu.

CISPR 12 schützt den Funkempfang außerhalb des Fahrzeugs und bezieht sich nicht allein auf Unterbaugruppen, sondern ist ein Test des Fahrzeugs insgesamt. CISPR 25 dagegen schützt den Funkempfang innerhalb des Fahrzeugs und enthält deshalb Grenzwertklassen in Bändern für verschiedene Funkdienste. CISPR 25 umfasst Messungen für Bauteil- und Modul-Emissionen sowie Tests der Emissionen eines ganzen Fahrzeugs mit der zum Fahrzeug gehörenden Antenne.

Bild 2 gibt die Grenzwerte gemäß Klasse 5 für abgestrahlte Störgrößen von Bauteilen beziehungsweise Modulen wieder. Messungen werden für die im Fahrzeug betriebenen Empfänger im Rundfunk- und Mobilfunkdienst vorgenommen. Die niedrigste Messfrequenz zielt auf den europäischen Langwellenbereich von 150 bis 300 kHz, während die höchste Frequenz die Übertragungen von Bluetooth und Wi-Fi berücksichtigt. Da die in einem Automobil verwendeten Bauteile üblicherweise BB- und NB-Emissionen erzeugen, beziehen sich die Grenzwerte in CISPR 12/25 nicht mehr auf Broadband und Narrowband, sondern in beiden Fällen auf den Detektortyp.

Antennensysteme für CISPR 25

Die Messungen erfolgen mit einer linear polarisierten Antenne mit einer Nenn-Ausgangsimpedanz von 50 Ohm. Tabelle 1 und Bild 3 zeigen die von CISPR 25 empfohlenen Antennen zur Verbesserung der Übereinstimmung zwischen den von verschiedenen Laboratorien erzielten Ergebnissen.

Für die niederfrequenten Messungen kommt eine vertikal montierte Monopol-Stabantenne mit Gegengewicht zum Einsatz. Doppelkonus- beziehungsweise LPDA-Antennen (logarithmisch-periodisches Antennenfeld) decken die Frequenzbereiche von 30 bis 200 MHz beziehungsweise von 200 MHz bis 1 GHz ab. Für den Bereich von 1,5 bis 2,5 GHz wird üblicherweise eine Dual-Ridge-Hornantenne (DRHA) verwendet. Die Breitband-Antenne (eine Mischform aus Doppelkonus- und logarithmischer Bauart) hat größere Ausmaße als eine Doppelkonus- oder logarithmische Antenne und wird gelegentlich verwendet, um einen größeren Frequenzbereich von 30 MHz bis 1 GHz abzudecken.

Thema der nächsten Seite: Messung abgestrahlter EMI mit der ALSE-Methode

In den Bildern 4, 5 und 6 sind die ALSE-Prüfanordnungen (Absorber Lined Shielded Enclosure ) gemäß CISPR 25 für die Messung der abgestrahlten Störgrößen von Bauteilen und Modulen für die in Tabelle 1 angegebenen Frequenzbereiche dargestellt.

Der Prüfling und der Kabelbaum werden auf einer Fläche aus nichtleitendem Material mit einer geringen Dielektrizitätskonstante (ε_r ≤ 1,4) 50 mm oberhalb der Massefläche abgelegt. Die Länge der Zuleitung parallel zur Vorderseite der Groundplane beträgt 1,5 m, wobei die Gesamtlänge der Prüfzuleitung zwischen Prüfling und Lastsimulator nicht größer als 2 m sein darf. Der lange Teil der Zuleitung verläuft parallel zum Rand der zur Antenne zeigenden Groundplane in rund 100 mm Entfernung zum Rand. Die Groundplane muss eine Mindestbreite und -länge von 1 beziehungsweise 2 m aufweisen oder unterhalb der gesamten Anordnung verlaufen – zuzüglich 200 mm (das größere Maß gilt).

Während die Hornantenne am Prüfling ausgerichtet ist, werden alle übrigen Antennen in der Mitte der Zuleitung platziert. Sämtliche Messungen erfolgen mit einer Antennenentfernung von 1 m. Messungen im Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz werden ausschließlich mit vertikaler Antennen-Polarisation vorgenommen, während Scans oberhalb von 30 MHz mit horizontaler und vertikaler Polarisation durchgeführt werden.

Normen für abgestrahlte Störgrößen von Multimedia-Equipment

Viele Jahre lang wurde für IT-Equipment mit Versorgungsspannungen bis 600 V die bekannte europäische Norm EN 55022 verwendet, die im Prinzip von der Norm CISPR 22 abgeleitet wurde. Die CE-Konformitätserklärung für externe Netzteile bezieht sich dabei auf die EN 55022, um die Einhaltung der wesentlichen Anforderungen der EMV-Direktive 2014/30/EU der EU nachzuweisen.

Allerdings wurde die Norm CISPR 22/EN 55022 unlängst in der Norm CISPR 32/EN 55032 zusammengefasst, einer neuen, produktfamilienbezogenen Norm für Multimedia-Equipment (MME), die als harmonisierte Norm in Übereinstimmung mit der EMV-Direktive wirksam ist. Equipment, das vorrangig für den Einsatz im privaten Bereich vorgesehen ist, muss die Grenzwerte von Klasse B einhalten, alles andere Equipment dagegen Klasse A. Zwischenzeitlich haben Produkte für den nordamerikanischen Markt die Grenzwerte von Section 15.109 der Federal Communications Commission (FCC) Part 15 Subpart B für unbeabsichtigte Strahler (unintentional radiators) erfüllt.

CISPR 22/32 und FCC Part 15

Tabelle 2 enthält die gemäß Klasse A und Klasse B spezifizierten Grenzwerte für abgestrahlte Störgrößen unbeabsichtigter Strahler. Absatz 15.109(g) der Spezifikation erlaubt ferner die Anwendung der Grenzwerte gemäß CISPR 22 für abgestrahlte Störgrößen (siehe Tabelle 3). Die Grenzwerte in beiden Tabellen legen eine QPK-Detektorfunktion und eine RBW von 120 kHz für Frequenzen unterhalb von 1 GHz zugrunde. Die Tabellen 4 und 5 enthalten Grenzwerte für Frequenzen über 1 GHz mit PK- und AVG-Detektoren sowie einer Empfänger-RBW von 1 MHz.

Bei gegebener Messentfernung sind die Grenzwerte der Klasse B für private Anwendungen in der Regel um 6 bis 10 dB restriktiver als die Grenzwerte der Klasse A für den kommerziellen Bereich. In Tabelle 2 und 3 kommt außerdem ein zur linearen Distanz inverser (1/d) Proportionalitätsfaktor von 20 dB/Dekade zur Anwendung (gemäß 15.31(f)(1)), um zur Feststellung der Konformität die Grenzwerte für Messantennen-Entfernungen von 3 und 10 m zu normalisieren. Wenn beispielsweise die Antenne aufgrund räumlicher Beschränkungen in 3 statt in 10 m Entfernung angeordnet wird, werden die Grenzamplituden um etwa 10,5 dB angepasst. In Bild 7 sind die relevanten Grenzwert-Kurven für Klasse A und B bei einer Antennendistanz von 3 m dargestellt.

Wie in Bild 8 gezeigt, wird bei einer Prüfung auf abgestrahlte elektromagnetische Störgrößen der Prüfling samt dem zugehörigen Equipment auf einem nicht leitenden, drehbaren Tisch etwa 0,8 m oberhalb einer Bezugs-Groundplane platziert. Dies geschieht gemäß CISPR 16-1 in einer Absorberhalle mit reflektierendem Boden oder auf einem Freifeldmessplatz. Der Prüfling wird in 3 m Entfernung zu der an einem Antennenträger montierten Antenne platziert.

Ein Vorab-Scan mit PK-Detektor und einer kalibrierten Bilog-Breitbandantenne erfasst Emissionen von 30 MHz bis 1 GHz mit horizontaler und vertikaler Antennenpolarisation. Ein solcher informatorischer Test bestimmt die Frequenzen aller signifikanten Emissionen. Anschließend folgt mit einem QPK-Detektor eine Überprüfung aller relevanten Problempunkte zur Aufzeichnung der finalen, formellen Konformitätsmessungen. Die RBW des EMI-Empfängers ist während dieses Tests auf 120 kHz eingestellt.

Die Antenne wird (durch Drehung um 90° relativ zur Groundplane) für horizontale und vertikale Polarisation konfiguriert und auf eine Höhe zwischen 1 und 4 m über der Massefläche eingerichtet, um in Anbetracht der Reflexionen an der Groundplane bei jeder Prüffrequenz eine maximale Feldstärke zu erzielen. Es ist notwendig, den Azimutwinkel zwischen Antenne und Prüfling während der Messungen zu verstellen, indem der Prüfling auf einem von 0 bis 360° drehbaren Drehtisch so positioniert wird, dass die maximale Feldstärke abgelesen werden kann.

Für Scans oberhalb von 1 GHz kann mit einem PK-Detektor und einer Hornantenne ein Vorab-Scan vorgenommen werden, woraufhin mit einem AVG-Detektor bei Frequenzen nahe dem Grenzwert gemessen wird. Die RBW des EMI-Empfängers wird auf 1 MHz eingestellt. Ein Höhen-Scan ist nicht erforderlich, da die Antenne eine größere Richtwirkung hat und Reflexionen von der Groundplane und den Wänden der Messkammer weniger problematisch sind. Allerdings sind auch die Emissionen des Prüflings bei diesen Frequenzen stärker gerichtet, und die Antennenpolarisation wird so gewählt, dass sich die höchsten Messwerte ergeben. Der höchste interessierende Frequenzbereich hängt gemäß Tabelle 6 davon ab, wie hoch die höchste interne Frequenz des Prüflings ist.

Thema der nächsten Seite: Normen für die abgestrahlten Störgrößen von ISM-Equipment

CISPR 11 ist die internationale Produktnorm für die elektromagnetischen Störemissionen von industriellem, wissenschaftlichem und medizinischem HF-Equipment (Industrial, Scientific and Medical, ISM). CISPR 11 gilt für eine enorme Vielzahl an Anwendungen, darunter Ausrüstungen für kabelloses Laden, Wi-Fi-Systeme, Mikrowellen-Herde und Lichtbogenschweißgeräte. In Gruppe 1 wird all jenes ISM-Equipment eingeordnet, in dem absichtlich erzeugte oder leitungsgebunden gekoppelte HF-Energie für die interne Funktion des Equipments selbst erforderlich ist. Gruppe 2 umfasst ISM-Equipment, in dem HF-Energie absichtlich erzeugt und/oder für Materialprüfungen, Analysen oder Therapien genutzt wird.

Jede Gruppe ist zusätzlich in zwei Klassen unterteilt. Equipment der Klasse A ist für den Einsatz in allen Einrichtungen mit Ausnahme des privaten Bereichs vorgesehen und kann an einem Messplatz oder vor Ort gemessen werden. Klasse B umfasst den privaten Bereich und kann nur an einem Messplatz gemessen werden. In Bild 9 sind die Grenzwerte für abgestrahlte Störgrößen gemäß CISPR 11 für Equipment der Gruppe 1 dargestellt. Eine genauere Beschreibung der verschiedenen Prüfanordnungen enthält das Spezifikationsdokument CISPR 11.

Für bestimmtes industrielles Equipment können bestimmte System-Normen gelten, die die EMV-Prüfungen mit Bezugnahme auf CISPR 11 vorgeben. Zum Beispiel enthält die Norm IEC 62040-2 die EMV-Anforderungen für unterbrechungsfreie Stromversorgungen mit Ausgangsspannungen von höchstens 1500 V_DC beziehungsweise 1000 V_AC. Als weitere System-Norm gibt es die IEC 61800-3, die die Emissionsanforderungen und besondere Prüfmethoden für drehzahlvariable Antriebe definiert.

Eine „generische“ Emissionsnorm kommt immer dann zum Tragen, wenn keine Norm für das jeweilige Produkt oder die Produktfamilie existiert. Zum Beispiel gilt die Norm IEC 61000-6-3 für Produkte, die für private, kommerzielle und leichte industrielle Anwendungen gedacht sind, während sich die Norm IEC 61000-6-4 an Schwerindustrie-Anwendungen wendet.

Zahlreiche Regulierungsinstanzen legen fest, welches Maß an abgestrahlten Störgrößen für ein bestimmtes Endprodukt zulässig ist. Tabelle 7 gibt einen groben Überblick über verschiedene Normen, die für die jeweiligen Produktsparten gelten.

Angesichts des Zwangs zur Einhaltung der Spezifikationen muss beim Design kommerzieller Produkte sorgfältig darauf geachtet werden, dass sich die im normalen Betrieb erzeugten Emissionen auf ein Minimum beschränken. Designingenieure sollten zudem die einschlägigen Normen genau kennen, um vorab entsprechende Prüfungen anzustellen, und über die kompletten Konformitätsmessungen Bescheid wissen, die eine zertifizierte Prüfstelle durchführt.

(ah)