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Als EMV-Berater ist die Beurteilung der EMV-Leistung großer Anlagen und Maschinen eine häufige Aufgabe. Im Laufe der Jahre bin ich auf eine breite Palette von Geräten gestoßen, darunter Hochleistungsantriebe mit variabler Drehzahl (VSDs) in Fabriken, auf Schiffen installierte Spezialgeräte, Lebensmittelverarbeitungsgeräte und viele andere. Mit dem technologischen Fortschritt gibt es jetzt noch mehr große Systeme, die eine EMV-Bewertung vor Ort erfordern, wie etwa Quantencomputer, additive Fertigungsmaschinen, Abfallrecyclinggeräte, Stromgeneratoren für erneuerbare Energien, Hochleistungsladegeräte für Elektrofahrzeuge und mehr.

Obwohl Testgeräte in einer akkreditierten EMV-Kammer ideal sind, ist dies für große Maschinen aus mehreren Gründen möglicherweise keine realistische Option. Erstens ist eine große Kammer erforderlich, um diese Maschinen unterzubringen. Zweitens kann es, während die Kammer für den Einsatz aufgeladen wird, Tage oder sogar Wochen dauern, die Maschine in einer Kammer zu installieren und sie nach Abschluss der Tests wieder zu demontieren. Schließlich können Logistik und Vorlaufzeit für die Nutzung der Kammer auch die Gesamtkosten und den Zeitaufwand für die EMV-Prüfung großer Maschinen erhöhen.

Glücklicherweise steht der Weg zur Einhaltung der EMV-Konformität mithilfe der Technical Construction File (TCF) allen zur Verfügung, mit Ausnahme derjenigen, die Produkte für die Funkübertragung herstellen. Im Vergleich zu Unternehmen, die elektronische Produkte in Massenproduktion herstellen, ist der TCF-Weg möglicherweise kostengünstiger als der Weg der Selbstzertifizierung nach Standards. Bei sehr großen Produkten oder solchen, die erst beim Kunden zusammengebaut werden, ist eine Prüfung nach harmonisierten Normen möglicherweise ohnehin nicht möglich. In solchen Fällen ist die TCF-Route möglicherweise die einzig mögliche Option für die EMV-Konformität. [1]

Unter den verschiedenen Vor-Ort-EMV-Tests, die Hersteller durchführen können, ist der Strahlungsemissionstest einer der wichtigsten, da er zeigt, dass das Gerät andere Geräte in der Nähe nicht durch elektromagnetische Strahlung stört. Allerdings kann es aufgrund zweier Hauptfaktoren schwierig sein, die Strahlungsemissionen einer großen Einheit vor Ort zu beurteilen.

Der erste Faktor ist Umgebungslärm, der aus in der Nähe befindlichen Radio- und Fernsehsendern, Handgeräten wie Walkie-Talkies, bei der Bewertung verwendeten Geräten und Maschinen sowie ESD-Ereignissen besteht.

Der zweite Faktor sind Reflexionen, die durch Metallstrukturen wie Gestelle, Schränke, Anschlusskästen, Leitungen und Rohre verursacht werden. Wenn In-situ-Tests nicht korrekt konzipiert und durchgeführt werden, kann es einen erheblichen Unterschied zwischen Kammertests und In-situ-Tests geben, manchmal bis zu 20 dB Unterschied. Daher ist es wichtig, diese Herausforderungen bei In-situ-Tests sorgfältig zu berücksichtigen und anzugehen, um eine genaue Bewertung der abgestrahlten Emissionen einer Einheit sicherzustellen.

In Referenz [2] stellte Wyatt einen praktischen dreistufigen Ansatz für die In-situ-Bewertung abgestrahlter Emissionen vor. Der Ansatz lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Dieser Ansatz ist theoretisch fundiert und kann mit relativ geringen Kosten durchgeführt werden. Abbildung 1 listet einige der Geräte auf, die häufig bei der Durchführung von Nah- und Fernfeldmessungen eingesetzt werden. Dieser Artikel enthält eine detaillierte Erläuterung jedes Schritts des Ansatzes, um ein umfassendes Verständnis und eine effektive Umsetzung der Methode zur In-situ-Bewertung abgestrahlter Emissionen zu ermöglichen.

Abbildung 1: Nah- und Fernfeld-Messwerkzeuge

In einer großen Einheit kann es viele Subsysteme/Module mit jeweils eigenen EMV-Eigenschaften geben. Einige der Komponenten werden selbst entwickelt. Daher kennen Ingenieure/Systemintegratoren die elektrische und elektronische Architektur (EEA) des Subsystems. Aus EMV-Sicht müssen wir Folgendes wissen:

In einer großen Einheit ist es wahrscheinlich, dass viele der Module handelsübliche Teile (COTS) sind, was bedeutet, dass die Systemintegratoren möglicherweise nicht über die erforderlichen Kenntnisse des internen Designs dieser Geräte verfügen. COTS-Teile verfügen möglicherweise über eine entsprechende behördliche Zertifizierung (z. B. CE, FCC usw.) und es kommt selten vor, dass ihnen EMV-Testergebnisse beiliegen.

Es ist wichtig anzumerken, dass die Idee „CE+CE=CE“ ein Missverständnis ist [3]. Bei der Integration von Subsystemen in ein einziges System ist die EMV-Verhaltensweise unbekannt und es kann nicht davon ausgegangen werden, dass das Endprodukt automatisch die erforderlichen EMV-Anforderungen erfüllt.

Daher ist eine Nahfeldmessung der Subsysteme unerlässlich, um sicherzustellen, dass alle Taktfrequenzen und deren Harmonische erfasst werden, da diese Spektren bei der Fernfeldmessung auftreten können. In Fällen, in denen das Subsystem/Modul in eine TEM-Zelle passt, ziehe ich es vor, das Modul mithilfe der TEM-Zelle schnell zu testen und aufzuzeichnen. Meistens passen die Module einer großen Einheit nicht in eine TEM-Zelle; Daher verwenden wir Nahfeldsonden (sowohl magnetische als auch elektrische Feldschleifen), um das Subsystem zu „schnüffeln“ und Störpegel aufzuzeichnen, die möglicherweise im Fernfeld abstrahlen könnten.

Es ist zu beachten, dass der Zweck dieser Messungen nicht darin besteht, die Ergebnisse im Fernfeld zu korrelieren. Stattdessen werden die aus den Nahfeldmessungen gewonnenen Informationen verwendet, um die Häufigkeiten kritischer Störemissionen in den Fernfeldergebnissen zu bestimmen.

Bei der Dokumentation von Taktfrequenzen ist es wichtig, deren Harmonische (bis zur 9. Harmonischen) zu berücksichtigen. Bestimmte Oberwellen können je nach physikalischer Struktur stärker abstrahlen als andere, daher ist es wichtig, dies bei EMV-Prüfungen zu berücksichtigen.

Eine Fallstudie beleuchtet dieses Problem. In diesem Beispiel wurde ein WLAN-Modul eines vertrauenswürdigen, etablierten Lieferanten in einer großen Einheit implementiert. Das WLAN-Modul hat alle EMV- und Funkleistungstests bestanden. Allerdings führte das gestapelte Platinendesign des Geräts (auf dem das WiFi-Modul montiert ist) zu einer strukturellen Resonanz zwischen 100 und 200 MHz. Die Kommunikation zwischen dem WiFi-Modul und der Signalverarbeitungsplatine erfolgte über das Motherboard, und die Taktfrequenz war zunächst auf 48 MHz eingestellt.

Während der Fernfeldmessung wurde ein 144-MHz-Rauschen (die 3. Harmonische) festgestellt, das den Grenzwert überschreitet. Es wurde beobachtet, dass aufgrund des Tastverhältnisses des Taktsignals von 50 % ungerade Harmonische der Taktfrequenz abgestrahlt wurden. Allerdings wies die Datenleitung ein breitbandiges Rauschprofil auf. Als die Taktfrequenz auf 24 MHz reduziert wurde, wurden die 5. (120 MHz) und 7. (168 MHz) Harmonische hoch, was auf eine strukturelle Resonanz im Design hinweist.

Diese Fallstudie verdeutlicht, wie wichtig es ist, bei EMV-Tests die Harmonischen jeder Taktfrequenz zu berücksichtigen. Eine Lärmquelle benötigt eine antennenartige Struktur, um im Fernfeld effizient abzustrahlen. Daher ist es entscheidend, nicht nur auf die Grundfrequenz, sondern auch auf ihre Harmonischen zu achten, um potenzielle Quellen elektromagnetischer Störungen zu identifizieren und geeignete Strategien zur Schadensminderung zu entwickeln.

Es wird nicht empfohlen, die Ergebnisse von Nahfeldmessungen zur direkten Vorhersage von Fernfeldemissionen zu verwenden. Dies liegt daran, dass Nahfeldmesswerte stark von der Geometrie der Quelle und ihren Eigenschaften abhängen, was es schwierig macht, Korrelationen zwischen im Nahfeld durchgeführten Messungen und denen im Fernfeld bereitzustellen. Zwar gilt im Allgemeinen, dass das Feld in der Nähe der Quelle umso stärker im Fernfeld registriert wird, diese Korrelation ist jedoch nicht präzise genug, um zuverlässige Vorhersagen zu ermöglichen [4].

IEC 61000-4-20 beschreibt mehrere Methoden zur Vorhersage abgestrahlter Emissionen mithilfe einer transversalen elektromagnetischen Zelle (TEM), die sich darin unterscheiden, wie viele Ausrichtungen des Prüflings (DUT) in der TEM-Zelle gemessen werden, um die Vektorsumme der Emissionen zu berechnen. Die wichtigste vereinfachende Annahme in diesem Algorithmus ist, dass die Strahlungsstrukturen des DUT keinen größeren Gewinn haben als ein Dipol und ein Dipol-Strahlungsmuster [5]. Die Ausgabe der Algorithmusmessungen wird dann in einen äquivalenten Fernfeldwert umgewandelt.

Die Wirksamkeit dieses Algorithmus ist jedoch begrenzt und eine einfache Korrelation zwischen Nahfeld- und Fernfeldmessungen ist auf der Grundlage der von uns vor Ort durchgeführten Tests nicht erreichbar. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Modul über Kabelverbindungen zu anderen Modulen im System verfügt. Abbildung 2 zeigt den Unterschied zwischen dem Ergebnis einer Fernfeldantennenmessung und dem von einer TEM-Zelle vorhergesagten Ergebnis.

Abbildung 2: Unterschied zwischen dem Ergebnis einer Fernfeldantennenmessung und dem von der TEM-Zelle vorhergesagten Ergebnis

Nach der Durchführung einer Nahfeldbewertung besteht der nächste Schritt darin, mit einer HF-Stromsonde eine Stichprobe von Kabeln zu messen [2]. Im Metallgehäuse (häufig handelt es sich um den Schrank, in dem sich das Gesamtsystem befindet) können sich Hunderte von Kabelverbindungen befinden. Die Überwachung jedes einzelnen Drahtes oder Kabelbündels innerhalb des Metallgehäuses ist möglicherweise nicht praktikabel. Daher sollte den Kabeln außerhalb des Metallgehäuses, wie z. B. Strom- und Signalleitungen, besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Ein Metallgehäuse dient oft als Faradayscher Käfig und dämpft das im Inneren des Gehäuses erzeugte Feld. Es lohnt sich auch, an der Naht oder Öffnung des Schranks zu „schnüffeln“, um zu prüfen, ob Leckfelder vorhanden sind, die möglicherweise abstrahlen könnten.

Bei der Verwendung einer HF-Stromsonde zur Messung von Kabeln wird empfohlen, mehrere Messungen entlang des Kabels durchzuführen, da stehende Wellen auf dem Kabel dazu führen können, dass die Messwerte an verschiedenen Stellen des Kabels unterschiedlich ausfallen. Harmonische zwischen 30 und 500 MHz sollten notiert werden.

Zwar gibt es Diskussionen über die Vorhersage von Fernfeldergebnissen mithilfe aktueller Sondenwerte, doch wird häufig festgestellt, dass die Methode zur Vorhersage der Kabelstrahlung bis zu einigen hundert MHz gut funktioniert. Oberhalb von 300 MHz beginnen Kabel, den HF-Strom zu dämpfen, was dazu führen kann, dass die Vorhersagemethode die Fernfeldergebnisse zu stark vorhersagt. Leser, die sich mit diesem Thema befassen möchten, finden möglicherweise die Referenzen [6] und [7] nützlich (in denen die detaillierte Berechnungsmethode vorgestellt wird), und es stehen Softwaretools zur Verfügung, die den gesamten Prozess automatisieren und die Ergebnisse präsentieren können, sobald die Messung durchgeführt wurde , wie in Referenz [8] gezeigt. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der HF-Stromvorhersagemethode im Vergleich zur Antennenmessung. Beachten Sie, dass die Antennenmessung zwangsläufig die Radiosendersignale erfasst (in diesem Fall sowohl UKW als auch DAB), während die Kabelvorhersagemethode diese Umgebungsspektren nicht anzeigt.

Abbildung 3: Die HF-Stromvorhersagemethode im Vergleich zu einer Antennenmessung

Im letzten Schritt der Strahlungsemissionsbewertung werden die Strahlungsemissionen des Prüflings mithilfe von Antennen gemessen. Zu diesem Zweck sind auf dem Markt sowohl Antennen in voller Größe als auch in reduzierter Größe erhältlich. Während Antennen mit reduzierter Größe für Fernfeldmessungen über 200 MHz von Vorteil sein können, da sie leicht bewegt und an Orten platziert werden können, an denen eine Antenne in voller Größe möglicherweise nicht passt, sind sie möglicherweise nicht für die Messung von Strahlungsfeldern zwischen 30 MHz geeignet und 200 MHz. Dies liegt daran, dass Antennen kleinerer Größe im Vergleich zu Antennen voller Größe häufig eine geringere Empfindlichkeit und einen höheren Antennenfaktor (AF) aufweisen, was zu einem höheren Systemrauschen führt, das die zum Vergleich verwendeten Testgrenzwerte überschreiten kann. Daher wird für die Messung abgestrahlter Emissionen zwischen 30 und 200 MHz immer empfohlen, eine Antenne in voller Größe zu verwenden.

Referenz [2] schlägt einen Kreis vor, der 3 m von den Flächen des zu testenden Systems entfernt ist und alle 30 Grad gemessen werden sollte. In einigen Fällen ist es aufgrund des begrenzten Platzes, in dem sich die große Einheit befindet, eine Option, die Antenne näher an den Prüfling heranzubringen. Eine Verringerung des Messabstands von 3 m auf 1 m bedeutet etwa 10 dB weniger Freiraumverlust oder eine Anhebung der Grenzwerte um 10 dB. Allerdings ist zu bedenken, dass die Antenne bei niedrigeren Frequenzen in den Nahfeldbereich wandern kann.

Ein Missverständnis besteht darin, dass die Verwendung einer aktiven Antenne mit reduzierter Größe oder der Anschluss eines rauscharmen Verstärkers an eine passive Antenne mit reduzierter Größe das Grundrauschen senkt und die Empfindlichkeit erhöht. Dies gilt jedoch nur in einer Kammerumgebung, in der das Grundrauschen im Allgemeinen niedrig ist. In einer Umgebung ohne Kammer verstärkt der rauscharme Verstärker sowohl Umgebungsgeräusche als auch das gemessene Signal. Infolgedessen piept der Spektrumanalysator aufgrund der Überlastung des HF-Eingangs ständig. Daher sind Antennen mit reduzierter Größe den Antennen voller Größe hinsichtlich der Leistung im unteren Frequenzbereich immer unterlegen.

Bei der Durchführung der Fernfeldmessung wird immer empfohlen, zuerst das Umgebungsgeräusch zu messen (dh während sich der Prüfling im ausgeschalteten Zustand befindet). Bei Systemen, die nicht einfach heruntergefahren werden können, wie etwa Quantencomputer oder Anlagen zur additiven Fertigung, ist vor der Installation des Systems eine EM-Untersuchung erforderlich, was eine frühzeitige Planung erfordert. Abbildung 4 zeigt eine EM-Untersuchung, die vor der Installation des DUT in einem Rechenzentrum durchgeführt wurde. An der Wand erkennt man das Brandmeldegerät, das einige schmalbandige Spektren ausstrahlt. Diese Informationen sollten im Umgebungsscan aufgezeichnet werden.

Abbildung 4: Umgebungsmessung vor der Installation des Prüflings

Bei der Vorabmessung von Umgebungsgeräuschen ist zu beachten, dass möglicherweise nicht alle Geräuschquellen erfasst werden. Einige Quellen sind möglicherweise zeitweilig oder nur dann vorhanden, wenn andere Geräte in der Nähe eingeschaltet sind. Darüber hinaus können ESD-Ereignisse auch zur Fernfeldstrahlung beitragen und von der Messantenne erfasst werden. In diesen Fällen können zuvor aufgezeichnete Nahfeldmessergebnisse hilfreich sein, um festzustellen, ob die Fernfeldstrahlung vom Prüfling oder von Umgebungsgeräuschen stammt. Software, die mehrere Ergebnisse laden kann, kann beim Vergleich und der Analyse sowohl der Nah- als auch der Fernfeldmessungen hilfreich sein.

Ein Beispiel hierfür ist in Abbildung 5 dargestellt. In diesem Fall zeigt die rote Kurve die Ergebnisse der Nahfeldmessung, während die grüne Kurve die Ergebnisse der Fernfeldmessung zeigt. Wie man sieht, kann das Umgebungsgeräusch unterschieden werden, sodass wir uns auf das vom Prüfling erzeugte Rauschen konzentrieren können (die blauen Zeiger in Abbildung 5). An ausgewählten Punkten können dann Quasi-Peak-Scans durchgeführt werden, um festzustellen, ob das Rauschen die Grenzwertlinie überschreitet.

Abbildung 5: Verwendung von Nahfeldmessungen zur Bestimmung von Fernfeldemissionen

Dieser Artikel stellt einen schrittweisen Ansatz für In-situ-Tests abgestrahlter Emissionen vor. Eine kombinierte Nahfeld-, Stromsonden- und Fernfeldmessung ist unerlässlich, um die wahren Eigenschaften der EMV-Leistung einer großen Einheit zu ermitteln. Korrelationsmethoden zwischen Nah- und Fernfeld werden diskutiert und ihre Genauigkeit vorgestellt. Die Leser sollten nun eine gute Vorstellung davon haben, wie man Strahlungsemissionstests vor Ort durchführt.

Fernfeldin-situgroße SystemeMin ZhangNahfeld-Strahlungsemissionsprüfung

Dr. Min Zhang ist Gründer und leitender EMV-Berater von Mach One Design Ltd, einem in Großbritannien ansässigen Ingenieurbüro, das sich auf EMV-Beratung, Fehlerbehebung und Schulung spezialisiert hat. Sein fundiertes Wissen in den Bereichen Leistungselektronik, digitale Elektronik, elektrische Maschinen und Produktdesign kommt Unternehmen weltweit zugute.

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