Elektromagnetische Verträglichkeit in der Praxis: Design-Analyse - Interpretation der Normen - Bewertung der Prüfergebnisse

296 Pages·2019·10.739 MB·German

by  Dieter Stotz

Dieter Stotz
Elektromagnetische
Verträglichkeit
in der Praxis
Design-Analyse –
Interpretation der Normen –
Bewertung der Prüfergebnisse
2. Auflage
Elektromagnetische Verträglichkeit in der Praxis
Dieter Stotz
Elektromagnetische
Verträglichkeit in der Praxis
Design-Analyse – Interpretation der
Normen – Bewertung der Prüfergebnisse
2. Auflage
DieterStotz
Babenhausen,Deutschland
ISBN978-3-662-58874-1 ISBN978-3-662-58875-8(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-58875-8
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detaillier-
tebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
©Springer-VerlagGmbHDeutschland,einTeilvonSpringerNature2013,2019
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtausdrücklich
vomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgiltinsbesondere
fürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherungundVerar-
beitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabevonallgemeinbeschreibendenBezeichnungen,Marken,Unternehmensnamenetc.indiesem
Werkbedeutetnicht,dassdiesefreidurchjedermannbenutztwerdendürfen.DieBerechtigungzurBenutzung
unterliegt,auchohne gesondertenHinweishierzu,denRegelndesMarkenrechts.DieRechtedesjeweiligen
Zeicheninhaberssindzubeachten.
DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem
WerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnochdieAutorenoder
dieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehler
oderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografischeZuordnungenundGebietsbezeichnungenin
veröffentlichtenKartenundInstitutionsadressenneutral.
SpringerViewegisteinImprintdereingetragenenGesellschaftSpringer-VerlagGmbH,DEundisteinTeilvon
SpringerNature.
DieAnschriftderGesellschaftist:HeidelbergerPlatz3,14197Berlin,Germany
Meiner FrauKarinSmileygewidmet
————————————————–
ZumGedenken an meinen Vater
Vorwort zur ersten Auflage
ElektromagnetischeVerträglichkeit (EMV)hatheutenichtmehrdenStatuseinesKunst-
wortes.Esistvielmehrallgegenwärtig–allerdingshäufigsehrzumLeidwesenderFirmen.
DenndieEinhaltungderRichtlinienundGesetzeistformalbetrachtetnichtgewinnbrin-
gend,sondernersteinmalmitenormenKostenverbunden.DiefataleKonsequenzdaraus
istoftmalsdieVernachlässigungderEMVbeiderEntwicklungvonProdukten.Spätestens
beim Einsatz im Feld respektive beim Kunden wirken sich derartige Mankos kostenin-
tensiv aus – manche dadurch notwendig gewordenen Rückholaktionen können gar die
ExistenzderHerstellerfirmagefährden.ZumindestgehteinenormerImage-Schadenmit
einemsolchenVorfalleinher,unddieserSchadenäußertsichfrüheroderspäterstetsne-
gativindenUmsatzzahlen.
Die Einhaltung der EMV-Richtlinie hat natürlich nicht nur eine rechtliche Motivation,
sondern auch eine technische. Letztlich soll ja eine Steigerung der Zuverlässigkeit er-
zielt werden – und dies im Zusammenspiel mit anderen, möglicherweise unbekannten
Komponenten.DertechnischeFortschrittbringtleiderseltenErleichterungbezüglichder
ForderungenanStörfestigkeitoderStöraussendungspotential.
Bereits Ende der 80er-Jahre wurde von der Europäischen Gemeinschaft eine offizielle
Richtlinie(dieEMV-Richtlinie)aufgestellt.DasZielwareineHarmonisierungzwischen
unterschiedlichenForderungeneinzelnerLänder.
DerLeser wirdintuitivmitdemThemavertrautgemacht.BereitswährendderEntwick-
lungsphasebietetdasBuchalsNachschlagewerkHilfefürFragenzumDesign.Dochauch
dann,wennbereitsProblemeaufgetauchtsind,wirdmanhiereinestrukturierteHilfefin-
den.SomitistauchnacheinemStörfallnochRettunginSicht.
BeiderVerfassungundAufbereitungkamesmirvorallemdaraufan,demLeserden
PraxisbezugdesStoffeszu vermitteln.SomitliegtderSchwerpunktnichtaufderdetail-
lierten mathematischen Beschreibung, sondern auf der Anschauung. Der Leser soll ein
Gespür für EMV und die einhergehenden Wellen- und Feldeffekte bekommen, sodass
das Einschätzen von Problemen und passender Lösungen möglich wird. Dieser Praxis-
bezug geht sogar so weit, dass der ambitionierte Leser durchaus eigene Hilfsmittel für
VII
VIII VorwortzurerstenAuflage
EMV-Messungen wird herstellen können. Die Begleitung in ein EMV-Testhaus erfolgt
nach der Lektüre mit einem gesteigerten Kritikbewusstsein, sodass das EMV-Personal
nicht nur einen Kunden vor sich sieht, sondern einen kompetenten Partner, der in der
EMV-Problematikmitredenkann.AufdieseWeiseistauchgewährleistet,dassTippszur
Verbesserungbesserverstandenundumgesetztwerdenkönnen.
Das Vakuum zwischen Firmenkundschaft und EMV-Firmen muss verschwinden und
mitEntwickler-Knowhowaufgefülltwerden,aufdieseWeisewirdsichdieEMV-Struktur
nochweiterverfeinernundanechtenundrealistischenBedürfnissenausrichten.
SchwerpunktediesesBuchessinddieAnalysevonEMV-ProblemenaufSimulations-
ebeneunddieDurchführungpraktischerMessungen–jedochnichtnurEMV-Messungen
nachNorm.
VieleEntwicklerempfindenhäufigdieAnwendungderkorrekten,relevantenNormen
alsUnsicherheitsfaktor.DierichtigeInterpretationderNormistdabeiebensowichtigwie
dieBewertungder Prüfergebnisse.Normen-Ausgabenändernsich zwar,jedochhatman
hieraucheinenWegaufgezeigt,wiemanandierichtigeNormkommt.
Wer eigenes Equipment anschaffen möchte, dem wird dieses Buch eine hilfreiche
Stütze sein fürden Einstieg, den adäquatenBetriebder Messgeräte sowieden korrekten
Messaufbau.DochauchfürLeserohneteurenMessgeräteparkgibtesindiesemBuchei-
nigeTipps,wiemiteinfachenMittelnreproduzierbareTrendmessungenanzustellensind.
BeiderDarlegungvonkomplexerundzumTeiletwastrockenerThemenfindetoftei-
ne Auflockerung durch Praxisbezüge statt, die in eingerückter Sonderschrifterscheinen.
ZumeinensolldamitdieThematiketwastransparenterwerden–außerdemsporntderbe-
absichtigteAha-EffektzumWeiterlesenan.DemLesermagvielleichtdieAufteilungder
Kapiteletwasungewöhnlicherscheinen–eswarjedochdurchausbeabsichtigt,nichtnur
anThemenorientiertzustrukturieren,sonderndaran,welcheVoraussetzungenbeimindi-
viduellenLeserbestehen(z.B.willernurGrundlagenzuEMV-Messungenerwerbenoder
möchteermitgeringstemAufwandEigenmessungendurchführen,hatergarspezifische
ProblememitseinemMikrocontroller-Konzept?).
Das Gesamtwerk ist unterteilt in zwei Teile: Grundlagen undFestlegungen einerseits
und praktische Tipps und Vorgehensweisen andererseits. Diese Separation scheint sinn-
voll, sokannsich derLeser orientierenanGegebenheiten,StandardsundRichtlinien,er
kannaberauchseinereigenenInspirationfolgenundAnregungenbefolgenoderintuitive
Grenzenüberschreiten.
DasLiteraturverzeichnisamEndedesBucheskorrespondiertmitStellenimText,die
am Ende von Absätzen durch [nn] bezeichnet sind. Dabei handelt es sich teils um Ba-
sisliteratur undteils um weiterführendeWerke(dajamancheDetails hier nurein wenig
tangiertwerden).
DasBuchentstandunterAufbringunggroßerSorgfalt.TrotzdemsindnatürlichFehler
oderUnklarheitennichtganzauszuschließen.FürdieAufdeckungvonSach-undRecht-
schreibfehlernbzw.fürdieDarlegungvonVerbesserungensindVerlagundAutordankbar.
VorwortzurerstenAuflage IX
MeinDankgiltnachstehendenPersonenundFirmen(inalphabetischerReihenfolge),die
mir mit ihren Bereitstellungen große Dienste geleistet haben. Natürlich habe ich auch
nichtzuletztdemSpringer-Verlagzudanken,dennohneihnwäreeskaummöglich,solch
qualitativeWerkederWissenschaftundTechnikherzustellen.
(cid:2) EMSoftware&SystemsGmbH,HerrRenéFiedler–Simulations-ProgrammFEKO
(cid:2) EMTestGmbH
(cid:2) Ing.-BüroFRIEDRICH–Layout-ProgrammTARGET
(cid:2) Langer,EMV-TechnikGmbH
(cid:2) mikes-testingpartnersgmbh
(cid:2) SchwarzbeckMessElektronikOHG
(cid:2) TeraAnalysis–Simulations-ProgrammQuickfield
Babenhausen/Schwaben DieterStotz
August2012
Vorwort zur zweiten, verbesserten
und erweiterten Auflage
Mit wachsender Industrialisierung in puncto IoT (Internet of Things) und der damit zu-
sammenhängendenAutomatisierungundSensoriksinddieAnforderungenweiterhinge-
wachsen.DiesgiltsowohlinBezugaufStörfestigkeitalsauchaufStöraussendung.Senso-
renwerdenimmerempfindlicher,dieStörkulisseimmerhartnäckiger–dafälltesschwer,
für Geräte einen sicheren und störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Hersteller von
solchen Geräten müssen dies jedoch, und sie müssen dies sogar messtechnisch und do-
kumentarischbelegenkönnen.
DieaktuelleRichtlinie2014/30/EU(EMV-Richtlinie)hatsichineinemPunktgegen-
über der bisherigen Fassung 2004/108/EGmarkantgeändert: Es ist vom Hersteller eine
Risikoanalyseund-bewertungzuerstellen,dieeinerÜberprüfungsbehördeggf.vorzule-
gensind.Esgenügtdemnachnichtmehr,dieEMV-KonformitätanhandvonPrüfberichten
zubelegen,sondernessindweitreichendeMehrarbeitenanDokumentationzubewältigen.
WieeinesolcheAnalyseauszusehenhat,darüberistderzeitimInternetnochrelativwenig
zurecherchieren.EinGrund,dieszumThemaderNeuauflagediesesBucheszuerklären.
EinganzesUnterkapitelwurdehierzuverfasst.
Ergänzungen bezüglich entwicklungsbegleitender Tests, Koppelmechanismen und
Normenaktualisierungen sowie Diskussionen bei Nichterfüllung einer Prüfung erhielten
ebenfallsbesonderesAugenmerk.
MeinDankgiltTobiasKauerderFa.tobkaElectronics, dermirfreundlicherweiseeinen
DatenloggerzurVerfügungstellteundAnpassungenamProgrammdurchführte.
DemSpringer-Verlaghabeichzudanken,namentlichFrauBromby,fürdieLenkungdes
OrganisatorischenunddiehochqualitativeAufbereitungdesBuches.
Babenhausen/Schwaben DieterStotz
Januar2019
XI
Inhaltsverzeichnis
I GrundlagenundFestlegungen
1 GrundlagenzurMesstechnikundWellenausbreitung. . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 AbsolutpegelundBezugsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 RMS-Wert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Relativpegel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 SignalüberlagerungundEinzelpegel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Pegel-Rechenbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5.1 EingangsspannungfüreinenHF-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5.2 AusgangsleistungeinesHF-Verstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.3 PegelberechnungbeiSignalüberlagerung . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7.1 Amplituden-Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7.2 Frequenz-Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.8 Pegelbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8.1 Messempfänger–AufbauundWirkungsweise . . . . . . . . . . . . 13
1.8.2 Quasi-Spitzenwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.8.3 Mittelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.8.4 CISPR-Mittelwert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.8.5 Spitzenwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.8.6 GegenüberstellungderBewertungsfilter . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.8.7 DemodulationimMessempfänger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.9 Wellenfortpflanzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.9.1 Nahfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.9.2 Fernfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.9.3 Wellenüberlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.9.4 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.9.5 WellenausbreitungaufLeitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.9.6 Wellenreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.9.7 AngepassteLeitung–Wellenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . 29
XIII