Experteninterview zu EMV Elektromagnetische Verträglichkeit bereits in der Entwicklungsphase berücksichtigen

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Störungen in einer elektronischen Schaltung sind nicht nur ärgerlich, sie können auch gefährlich sein. Das Thema EMV sollte deshalb nicht als notwendiges Übel betrachtet werden. Warum sich Entwickler mit EMV vertraut machen sollten und warum ein Konzept notwendig ist, erklärt Boris Adlung von Rigol.

Elektronikentwickler sollten sich zumindest in groben Zügen mit dem Thema EMV vertraut machen und verstehen, was EMV ist und wie sie sich auswirkt. Mit diesem Rüstzeug ausgestattet, sollte man einen Blick auf die Störeinflüsse haben und sie eliminieren oder das Design vor unerwünschten Einflüssen schützen.

Grundlegend geht es bei der EMV darum, die Kopplung der Störer zu finden, um diese zu unterbrechen. Passende Messtechnik, wie sie in einem EMV-Labor eingesetzt wird, ist teuer und nicht immer sinnvoll, weil die Messtechnik nicht für andere Messaufgaben eingesetzt werden kann.

Oszilloskop und Spektrumanalysator

Während der Entwicklung empfiehlt es sich, einen Pre-Compliance-Ansatz bei der Auswahl der Messgeräte zu verfolgen. Gerade am Anfang einer Prototypenentwicklung ist es wünschenswert, nicht nur mit einem Messgerät zu messen. Entwickler müssen nicht nur feststellen, ob eine Störung vorliegt, die einen bestimmten Grenzwert nach Norm unterschreitet. Wichtig ist auch zu wissen, woher der Fehler kommt. Deshalb ist in dieser Phase ein Messsystem interessant, mit dem unter anderem frei und flexibel getestet werden kann.

Mit dem Oszilloskop kann über die analogen Eingangskanäle festgestellt werden, ob ein Signal sauber von A nach B übertragen wird oder Übersprechelemente enthält. Bei Prototypen, die verschiedene Funktionen beinhalten, kann es beim Umschalten von Funktionen zu kurzen, aber intensiven Unterbrechungen kommen. Wird ein Takt für einen Bus verwendet und dieser zittert zeitlich durch negative Beeinflussung eines anderen Datensignals, so kann die Ursache mit der Jitter-Analyse in Kombination mit der Histogramm- und Trenddarstellung gut eingegrenzt werden.

Frequenzen analysieren

Mit dem Oszilloskop können erste Frequenzanalysen vorgenommen werden, um mittels einer Nahfeldsonde (NFP-3-Set) Störspitzen zu lokalisieren. Der Nachteil ist neben den fehlenden und vorgeschriebenen Detektoren der eingeschränkte Dynamikbereich während der Prüfung.

Neben dem Oszilloskop ist der Spektrumanalysator eines der wichtigsten Messgeräte. Der Multifunktions-Spektrumanalysator RSA5065N von Rigol mit einer Bandbreite von 9 kHz bis 6,5 GHz enthält neben dem sweepbasierten Spektrumanalysator (GPSA-Modus) auch einen Echtzeit-Spektrumanalysator (RTSA-Modus) mit einer maximalen Echtzeitbandbreite von 40 MHz.

EMI-Modus für Pre-Compliance-Analyse

Zusätzlich bietet Rigol mit dem Gerät eine umfassende EMV-Messschnittstelle (EMI-Modus) für die Pre-Compliance-Analyse. Um zunächst bei der freien Analyse zu bleiben, empfiehlt es sich, unabhängig von den vorgeschriebenen Normen den Frequenzbereich und die Filter einzustellen und den traditionellen sweepbasierten Modus (GPSA) zu wählen.

Als Beispiel kann eine Frequenzanalyse von 150 kHz bis 500 MHz mit einer RBW (3 dB) von 100 kHz und einem Spitzenwertdetektor (Peak) eingestellt werden. Damit lassen sich zunächst die Frequenzkomponenten erfassen. In diesem Fall kann eine Peaktabelle erstellt werden, um einen Überblick über die Störer zu erhalten. Bei der Messung können verschiedene Messspuren gleichzeitig gemessen werden. Zum Beispiel eine Messspur, die sich bei jedem Sweep ändert, und eine Max-Hold-Messung, bei der die Maxima bei jedem Sweep auf der Anzeige verbleiben.

Ein wichtiges Werkzeug für den Test der verwendeten Normen ist der EMV-Modus. Dieser enthält bereits vordefinierte Frequenzbereiche und die richtigen 6-dB-Filter nach CISPR 16.1. Hier können sämtliche Parameter nach individuellen Bedürfnissen geändert werden. Zusätzlich sind die meisten gängigen Grenzwerte, zum Beispiel nach EN55015, bereits enthalten und können hinzugefügt werden. Nach dem Test kann mit dem Analyzer in diesem Modus ein Testbericht zu Dokumentationszwecken im PDF-Format erstellt werden, der alle Informationen enthält.

Abschließende Dokumentation

Für die Dokumentation und Vergleichbarkeit ist es interessant, die Traces über den Frequenzbereich aller benötigten Detektoren darzustellen. Das ist mit dem EMI-Modus möglich. Sobald jedoch ein bewerteter Detektor (QP) verwendet wird, kann die Messung sehr lange dauern.

Abhilfe bietet die Firma Tekbox. Der Echtzeitmodus der RSA-Serie von Rigol lässt sich mit der PC-Software EMCView nutzen. Die Software punktet bei der Geschwindigkeit, insbesondere bei der Messung mit den bewerteten Detektoren QP und C-AV. Da die RSA-Geräte von Rigol im RSA-Modus keine bewerteten Detektoren anbieten, werden diese mit der PC-Software berechnet, bevor sie in der Software korrekt als Grafik dargestellt werden. Die Software enthält neben verschiedenen Normen und Projekten nach den gängigen CISPR/EN-Normen die zugehörigen Grenzwerte. Mit den RSA-Geräten kann entweder die minimale Echtzeitbandbreite oder die volle Bandbreite von 40 MHz für die Prüfungen genutzt werden.

Experteninterview: Boris Adlung von Rigol

Herr Adlung, das Thema EMV treibt alle Elektronik-Entwickler um. Warum sollte man sich in der Entwicklung mit der EMV auseinandersetzen und was passiert, wenn man sie vernachlässigt?

Die betroffenen Produkte dürfen nur in Verkehr gebracht werden, wenn die entsprechenden Konformitätsprüfungen – auch bei der EMV – erfolgreich durchgeführt wurden. Wird die EMV bei der Entwicklung vernachlässigt, riskiert man nicht nur eine erhöhte Anfälligkeit im Betrieb, sondern auch das Nichtbestehen dieser Tests, was eine sehr teure und meist aufwändige Nachentwicklung sowie eine erneute Konformitätsprüfung zur Folge hat.

Wie kann Ihrer Meinung nach Messtechnik im Entwickleralltag helfen, EMV-konform zu Schaltungen zu entwickeln?

Spektrumanalysatoren und Oszilloskope sind vielseitige Messgeräte, mit denen von Anfang an sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich gemessen werden kann. Hier können Übersprecheffekte, Rauschverhalten, unerwünschter Jitter und vieles mehr frühzeitig erkannt und damit sichtbar gemacht werden. Gegenmaßnahmen sind von Anfang an wesentlich einfacher umzusetzen.

Kann ich bei der Messtechnik Kompromisse eingehen und trotzdem Normkonform untersuchen?

Die Messung mit einem Spektrumanalysator auf der Grundlage von CISPR16.1 ist eine Annäherung und sollte als solche betrachtet werden. Allerdings ist diese Annäherung besonders bei leitungsgebundenen Prüfungen bereits sehr genau. Bei Abstrahlungs- oder Einstrahlungstests ist die Umgebung ausschlaggebend, aber auch hier kann mit den richtigen Messungen eine sehr gute Annäherung erreicht werden.

Was kann ich als Entwickler nicht erwarten, wenn ich Standard-Messtechnik zur EMV-Messung einsetze?

Eine reproduzierbare Genauigkeit von einhundert Prozent kann nicht erwartet werden. Das ist nicht das Ziel einer Pre-Compliance-Analyse. Hier geht es darum, Störungen und Fehlverhalten frühzeitig zu erkennen und abzustellen. Bei der Messung nach Normen sollte ein gesunder Sicherheitsabstand eingeplant werden. Dann wird auch die EMV-Konformitätsprüfung erfolgreich verlaufen.

Welche weiteren Messgeräte außer Oszilloskop und Spektrumanalysator empfehlen Sie für eine EMV-Messung?

Es ist wichtig, das für die jeweilige Verbindung erforderliche Zubehör zur Verfügung zu haben. Als Beispiel sei hier die Netznachbildung für leitungsgebundene Prüfungen genannt. Weitere Messgeräte sind das Multimeter als Universalmessgerät zur exakten Bestimmung der korrekten Spannungswerte.

Haben Sie noch den einen oder anderen Tipp, auf was Entwickler unbedingt achten sollten, wenn sie sich mit EMV-Messung beschäftigen?

Ich kann jedem Entwickler nur dringend empfehlen, sich vor Beginn der Entwicklung mit der EMV auseinanderzusetzen und ein Konzept zu erstellen, das zum Beispiel ein geeignetes Massekonzept enthält.

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