Eckdaten

Der vorliegende Beitrag beschreibt Normen für abgestrahlte Störgrößen insbesondere mit Bezug auf Anwendungen in den Bereichen Automotive, Multimedia und Industrie.

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

Bildergalerie
Bild 1: Grenzwerte für abgestrahlte EMI laut UNECE-Regelung 10 für Fahrzeuge in 10 m Distanz (a) und für ESAs/Bauteile in 1 m Entfernung (b)
Bild 2: Grenzwerte für abgestrahlte Störgrößen gemäß CISPR 25 Klasse 5 bei Verwendung der Prüfmethode ALSE mit einer Antennen-Entfernung von 1 m
Bild 3: In der Spezifikation CISPR 25 erwähnte Messantennen
Bild 4: Messung der abgestrahlten Störgrößen gemäß CISPR 25 mit aktiver Stabantenne (150 kHz bis 30 MHz)
Bild 5: Messung der abgestrahlten Störgrößen gemäß CISPR 25 mit Doppelkonus-Antenne (30 bis 300 MHz) oder logarithmisch-periodischer Antenne (200 MHz bis 1 GHz)
Bild 6: Messung der abgestrahlten Störgrößen gemäß CISPR 25 mit Hornantenne (über 1 GHz)
Tabelle 7: Übersicht über die wichtigsten Produktnormen für abgestrahlte Störgrößen
Bild 8: Anordnung zur Messung abgestrahlter Störgrößen gemäß FCC Part 15 und CISPR 22/32
Bild 9: Grenzwerte für abgestrahlte Störgrößen gemäß CISPR 11/EN 55011, Gruppe 1 mit QPK-Detektor, gemessen an einem Messplatz mit einer Antennenentfernung von 10 m
Tabelle 1: Laut CISPR 25 empfohlene Antennen: die Frequenzbereiche der Doppelkonus-Antenne und der logarithmisch-periodischen Antenne überschneiden sich, während die Bilog-Antenne die Summe aus beiden Frequenzbereichen abdeckt.
Tabelle 2: QPK-Grenzwerte für die Feldstärke abgestrahlter Störgrößen gemäß 47 CFR 15.109 (a) und (b) von 30 MHz bis 960 kHz. 
Die Grenzwerte sind in CISPR 22 für 10 m angegeben und hier durch Addieren von 10,5 dB auf 3 m extrapoliert.  
Die Grenzwerte für Klasse B sind von der FCC für eine Distanz von 3 m festgelegt und hier durch Subtraktion von 10,5 dB auf 10 m extrapoliert. Die Grenzwerte für Klasse A sind von der FCC für eine Distanz von 10 m festgelegt und hier durch Addieren von 10,5 dB auf 3 m extrapoliert.
Tabelle 3: QPK-Grenzwerte für die Feldstärke abgestrahlter Störgrößen gemäß 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32 von 30 MHz bis 1 GHz. Die Grenzwerte sind gemäß CISPR 22 für 10 m spezifiziert und hier durch Addieren von 10,5 dB auf 3 m extrapoliert.
Tabelle 4: Grenzwerte für die Feldstärke abgestrahlter Störgrößen für 3 m gemäß 47 CFR 15.109(a) und (b) von 960 kHz bis 40 GHz. 
Die Grenzwerte sind gemäß CISPR 22 für 10 m spezifiziert und hier durch Addieren von 10,5 dB auf 3 m extrapoliert.
Tabelle 5: Grenzwerte für die Feldstärke abgestrahlter Störgrößen für 3 m gemäß 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32 von 1 bis 6 GHz
Tabelle 6: Maximale Frequenz der Messung abgestrahlter Störgrößen auf der Basis der höchsten Frequenz der internen Taktquelle(n) des Prüflings
Bild 7: Grenzwerte für abgestrahlte Störgrößen gemäß FCC Part 15 und CISPR 22/32 Klasse A und Klasse B unter Verwendung von QPK- und AVG-Detektoren unterhalb beziehungsweise oberhalb von 1 GHz

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.

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