Was ist EMV? Störaussendung, Störfestigkeit und Kopplungspfade

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist die Fähigkeit eines Geräts, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne unzulässige elektromagnetische Störungen für irgendetwas in dieser Umgebung zu verursachen. Diese Definition aus dem Internationalen Elektrotechnischen Wörterbuch (IEV 161-01-07) hat zwei Hälften, und jede EMV-Anforderung in der Praxis gehört zu einer davon. Dieser Beitrag erklärt die beiden Hälften, das Quelle–Pfad–Senke-Modell zur Analyse jedes Störproblems und die Schritte, die ein Produkt durchläuft, bevor es in Märkten wie der EU, den USA, Korea und Japan verkauft werden darf.

Störaussendung und Störfestigkeit: die zwei Hälften der EMV

Anforderungen an die Störaussendung begrenzen, was ein Produkt abgibt: leitungsgeführte Störungen auf seinen Kabeln und Felder, die vom Gehäuse und von den Kabeln abgestrahlt werden. Anforderungen an die Störfestigkeit (in asiatischen Märkten oft EMS, für elektromagnetische Suszeptibilität) prüfen, ob das Produkt weiterarbeitet, wenn es Störungen ausgesetzt ist, mit denen vernünftigerweise zu rechnen ist: elektrostatische Entladung durch einen Benutzer, HF-Felder eines nahen Funkgeräts, schnelle Transienten durch geschaltete Lasten und Stoßspannungen durch Blitz auf dem Netz. Ein Produkt kann das eine bestehen und das andere nicht, deshalb werden beide getrennt ausgelegt und getrennt geprüft.

Ergebnisse der Störfestigkeitsprüfung sind keine Zahlen, sondern Bewertungen. Kriterium A bedeutet bestimmungsgemäßen Betrieb innerhalb der Spezifikation während und nach der Prüfung. Kriterium B lässt eine vorübergehende Beeinträchtigung während der Prüfung zu, sofern sich der EUT danach selbst erholt. Kriterium C lässt einen vorübergehenden Funktionsverlust zu, der einen Bedienereingriff oder Neustart erfordert, sofern die Funktion wiederhergestellt werden kann. Welches Kriterium für welche Prüfung gilt, legt die Produktnorm fest, aber was bestimmungsgemäßer Betrieb für das Produkt bedeutet, muss der Hersteller definieren, und diese Definition gehört vor Prüfbeginn in den Prüfplan.

Das Quelle–Pfad–Senke-Modell

Jedes Störproblem hat drei Elemente: eine Störquelle, die die Störung erzeugt, einen Kopplungspfad, der sie überträgt, und eine Störsenke, deren Funktion beeinträchtigt wird. Entfernt oder schwächt man eines davon, verschwindet das Problem. Das Modell gilt in beide Richtungen. Bei der Störaussendungsprüfung ist Ihr Produkt die Quelle, und die Empfangsantenne oder die LISN vertritt die Senke. Bei der Störfestigkeitsprüfung ist der Prüfgenerator die Quelle und Ihr Produkt die Senke.

Vier Kopplungspfade

Diese Effekte werden leicht unterschätzt. Eine Streukapazität von nur 1 pF neben einem Knoten, der mit 10 V/ns schaltet, speist während der Flanke 10 mA ein. Eine Gegeninduktivität von 5 nH mit einer Stromflanke von 0.1 A/ns induziert 0.5 V. Die Nahfeldgrenze λ/2π liegt bei 100 MHz bei etwa 0.48 m. In einem typischen Gehäuse ist die Kopplung daher meist Nahfeldkopplung, kapazitiv oder induktiv, während meist die Kabel, die das Gehäuse verlassen, zur Messantenne abstrahlen.

Wo man die Kette unterbricht

Maßnahmen an der Quelle sind pro Gerät meist am billigsten und am wirksamsten: langsamere Flanken, wo das Timing es erlaubt, Spread-Spectrum-Takt, kleinere Stromschleifen. Danach kommt der Pfad: Filter an der Grenze, an der Kabel austreten, Schirmung, räumliche Trennung im Layout. Die Senke mit Eingangsfiltern, Plausibilitätsprüfungen in der Software und Watchdogs zu härten ist für die Störfestigkeit unverzichtbar, hilft aber bei einer überschrittenen Störaussendung nicht. Ein Ferrit-Klappkern, der am Projektende auf ein Kabel gesetzt wird, behandelt den Pfad; er wirkt oft, verteuert aber jedes gebaute Gerät.

Vom Entwurf zum Markt: die EMV-Schritte

Ein typischer Ablauf für ein elektronisches Produkt sieht so aus:

• Märkte und Produktkategorie festlegen. Die Kategorie bestimmt die Normen: Multimedia- und IT-Geräte nutzen CISPR 32 für die Störaussendung und CISPR 35 für die Störfestigkeit, industrielle, wissenschaftliche und medizinische (ISM) Geräte CISPR 11, Haushaltsgeräte und Elektrowerkzeuge CISPR 14-1 und CISPR 14-2, Beleuchtung CISPR 15. In der EU erscheinen sie als EN-Fassungen, etwa EN 55032 und EN 55035.
• EMV ab dem ersten Schaltplan einplanen: Masseflächen und Lagenaufbau, Filter-Footprints an jedem Steckverbinder, Gehäusefugen und Kabeleinführung. Änderungen nach Werkzeugbau oder Zertifizierung kosten weit mehr.
• Pre-Compliance-Prüfungen durchführen: ein Spektrumanalysator mit Nahfeldsonden und eine Stromzange an den Kabeln, eine LISN für leitungsgeführte Störaussendung und, falls vorhanden, ein ESD-Generator. Die Ergebnisse sind relativ, nicht absolut, also Reserve einplanen; viele Teams zielen auf 3 bis 6 dB unter dem Grenzwert.
• Einen Prüfplan schreiben: Betriebsarten, die die störstärksten und empfindlichsten Funktionen aktivieren, Kabellängen und Anordnung, Hilfsgeräte und die Bestanden/Nicht-bestanden-Definition für jede Störfestigkeitsprüfung.
• In einem akkreditierten Labor (ISO/IEC 17025) prüfen und den Bericht zusammen mit den genauen geprüften Hardware- und Firmwareständen aufbewahren.
• Das Konformitätsverfahren jedes Marktes abschließen und bei Designänderungen gültig halten.

Grenzwerte für die gestrahlte Störaussendung gelten für einen bestimmten Messabstand, meist 3 m oder 10 m. Pre-Compliance-Aufbauten messen oft näher, und die Umrechnung mit der 20·log(d)-Regel ist nur eine Näherung; unser Beitrag zur Umrechnung von 3 m auf 10 m erklärt, wann sie versagt. Der Rechner Grenzwertabstand & Messunsicherheit hilft zu entscheiden, ob eine kleine Reserve wirklich bestanden bedeutet.

Häufige Irrtümer

• „Störaussendung bestanden heißt EMV-konform.“ Störfestigkeit ist eine eigene Prüfreihe, und ESD sowie schnelle Transienten decken oft Firmware-Hänger auf, die eine Störaussendungsprüfung nie zeigt.
• „EMV prüft man am Ende.“ Dann sind Leiterplatte und Gehäuse eingefroren, und die Abhilfen werden Ferrite, Dichtungen und Schirmbleche, die jedes Gerät verteuern.
• „Masse ist Masse.“ Bei hohen Frequenzen ist ein Masseleiter eine Induktivität. Mit der üblichen Faustregel von etwa 1 nH pro mm hat ein 10 cm langer Draht rund 100 nH, das sind bei 100 MHz etwa 63 Ω.
• „Ein Metallgehäuse löst alles.“ Ein ungefiltertes Kabel durch die Wand trägt die Störungen direkt nach außen, und eine lange Fuge oder ein Schlitz kann so viel durchlassen wie ein offenes Loch.
• „Der Pre-Scan hat mit 1 dB bestanden, also passt es.“ Ergebnisse der gestrahlten Störaussendung unterscheiden sich zwischen Aufbauten und Laboren typischerweise um mehrere dB, und Seriengeräte streuen. Eine kleine Reserve ist ein Risiko, kein Bestehen.
• „Ein gutes Muster beweist die Konformität.“ Konformität gilt für jedes in Verkehr gebrachte Gerät, deshalb brauchen Bauteilwechsel, Leiterplattenrevisionen und sogar Firmwareänderungen, die Takt- oder Schaltverhalten verändern, eine Bewertung.