EMV Vorabtests / EMC Pre-Compliance-Tests

Bevor ein elektronisches Gerät auf den Markt gebracht werden darf, muss der Hersteller dessen elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) prüfen lassen und die Einhaltung der entsprechenden Vorschriften sicherstellen.

Die aufwändigen EMV Konformitätstests müssen dabei von akkreditierten Laboren durchgeführt werden, die die entsprechende Messausrüstung sowie eine geschirmte HF-Absorberkammer vorweisen können. Ein Testdurchlauf eines Produktes kostet hier schnell vierstellige Beträge und mehr und ist je nach Auslastung des Labors mit vielen Wochen Wartezeit verbunden. Wenn ein Produkt dann durchfällt ist eine Nachbesserung bzw. eine Designänderung seitens der Herstellerfirma notwendig, die in einer so späten Entwicklungsphase oftmals aufwändig und teuer wird und die Markteinführung verschiebt.

Um diese Probleme zu vermeiden, bietet es sich an, eigene EMV Vorabtests durchzuführen, und sich abzeichnende Problemstellen gleich in einer frühen Entwicklungsphase anzugehen. Wenn das Gerät am Ende der Entwicklungsphase dann zum offiziellen Test in ein akkreditiertes Labor eingeschickt wird, besteht eine wesentlich höhere Wahrscheinlichkeit, diesen Test auf Anhieb und ohne teure Nachtests und Designänderungen zu bestehen.

Vorgaben und Normen

Es gibt eine Reihe von Normen, die die Vorgaben zu den jeweils notwendigen EMV-Tests und die Grenzwerte der Funkstörausstrahlung enthalten. Diese werden in den CISPR Veröffentlichungen beschrieben.

Die Abkürzung CISPR steht für das "Comité international spécial des perturbations radioélectriques" (Internationales Sonderkomitee für Funkstörungen). Die CISPR Normen sind zum großen Teil in die Europäischen EN Normen und in die FCC Normen der USA eingeflossen. Die Europäischen EN Normen stehen z.B. auch in deutscher Sprache zur Verfügung.

Die Normen sind leider nur kostenpflichtig erhältlich, für einen ersten Einblick in den Inhalt gibt es aber auch freie Quellen wie z.B. diese.

Messgeräte und Verfahrensvorgaben

Die Messtechnik und die Messverfahren für einen normgerechten EMV Test werden in der CISPR 16 geregelt.

Der erste Teil der CISPR 16 behandelt die Messgeräte und Einrichtungen zur Messung der hochfrequenten Störaussendung (Funkstörungen) und Störfestigkeit.

• CISPR 16-1-1: Messgeräte
• CISPR 16-1-2: Koppeleinrichtungen zur Messung der leitungsgeführten Störaussendung
• CISPR 16-1-3: Zusatz-/Hilfseinrichtungen - Störleistungsmessung
• CISPR 16-1-4: Antennen und Messplätze für Messungen der gestrahlten Störaussendung
• CISPR 16-1-5: Messplätze für die Antennenkalibrierung und Referenz-Messplätze für den Frequenzbereich von 5 MHz bis 18 GHz
• CISPR 16-1-6: Kalibrierung von Antennen für EMV-Messungen

Der zweite Teil der CISPR 16 behandelt die Verfahren zur Messung der hochfrequenten Störaussendung (Funkstörungen) und Störfestigkeit.

• CISPR 16-2-1: Messung der leitungsgeführten Störaussendung
• CISPR 16-2-2: Messung der Störleistung
• CISPR 16-2-3: Messung der gestrahlten Störaussendung
• CISPR 16-2-4: Messungen der Störfestigkeit

Produktkategorie-spezifische Grenzwerte und Regelungen

Die zulässigen Grenzwerte und Regelungen unterscheiden sich je nach Produktkategorie deutlich. Hier ist zunächst herauszufinden, welche CISPR Veröffentlichung für das zu testende Gerät passt.

Im CISPR Guide finden Sie eine vollständige Auflistung und weitere Informationen dazu.

Bei Verwendung einer EMV Test Software wie z.B. der Tekbox EMCview Software sind die Grenzwerte für viele der oben aufgelisteten Normen bereits in der Software hinterlegt und es muss nur noch die entsprechende Datei mit den Grenzwerten sowie passenden Einstellungen des Spektrum-Analysers eingeladen werden.

Reproduzierbarkeit

Pre-Compliance Messungen im eigenen Hause können in der Regel nicht mit dem in der Norm definierten Aufbau und den hohen Abständen wie z.B. 10m durchgeführt werden, da keine entsprechenden Räumlichkeiten zur Verfügung stehen. Es ist es aber besonders wichtig, den kompletten Aufbau und die Entfernungen genau zu dokumentieren. Nur so kann eine Messung möglichst reproduzierbar wiederholt werden und die Auswirkung einer Änderung z.B. in der Schaltung des Prüflings beurteilt werden.

Notieren Sie sich den genauen Aufbau und alle Positionen, Ausrichtungen und Einstellungen um das Ergebnis mit nachfolgenden Tests vergleichen zu können.

Abgestrahlte Störungen (Radiated EMI) und Funkstörfestigkeit

Bei den abgestrahlten Störungen sowie der Funkstörfestigkeit geht es um die über die Luft ausgebreiteten Störungen, die insbesondere in höheren Frequenzen (ab 30 MHz) relevant werden.

Die maximal zulässigen ausgestrahlten Feldstärken sind in den einzelnen Normen vorgegeben. Je nach Geräteart gibt es unterschiedliche Grenzwerte für bestimmte Frequenzbereiche.

Die Funkstörausstrahlung des Prüflings wird mit einer Antenne aufgenommen und mit einem Spektrum-Analysator gemessen.

Bei der Messung müssen am Spektrum Analysator passende Einstellungen vorgenommen werden (Quasi-Peak-Detektor und EMI Filter (200 Hz, 9 kHz, 120 kHz mit -6 dB). Dies erfordert den Erwerb der zum Spektrum-Analyser passenden EMI Option (beim Spektrum Analyser unter Zubehör zu finden).

Die Messung erfordert verschiedene Einstellungen in verschiedenen Frequenzbereichen und kann sich über mehrere Stunden hinziehen. Hier empfiehlt sich der Einsatz einer EMV-Software zur Ansteuerung des Spektrum-Analysators. Die Hersteller haben dazu eigene Software im Angebot (Rohde & Schwarz ELEKTRA, Rigol S1210, Siglent EasySpectrum) und es gibt auch herstellerübergreifende Software wie die EMCview Software von TekBox.

Absorberkammer

Für eine normgerechte Messung wird eine aufwändig geschirmte Absorberkammer benötigt. Diese Kammern bestehen außen aus metallischen und elektrisch gut leitenden Wänden, die die Außenwelt elektromagnetisch abschirmen. Je nach Aufbau können hier Schirmdämpfungen von 60 bis 90 dB erreicht werden.

Im Innenbereich sind die Kammern mit Absorbern ausgestattet, die die in der Kammer erzeugte Feldenergie vom Prüfling (und von den Antennen beim Immunitätstest) absorbieren, also in Wärme umwandeln. Durch die Absorbierung der Feldenergie wird ein möglichst reflexionsfreies Verhalten wie im Freifeld erreicht.

Die Antenne ist in einem definierten Abstand (3m oder 10m) vom Prüfling aufgestellt, was eine relativ große Absorberkammer notwendig macht.

Für den Bereich der Pre-Compliance Messung gibt es aber je nach Budget verschiedene Möglichkeiten auch ohne eine normgerechte Absorberkammer zielführende Messungen durchzuführen.

Die Auswirkung von Designänderungen lässt sich sofort überprüfen und es kann konkret in die „Richtige Richtung“ korrigiert werden.

Schirmzelt / Schirmkammer (ohne Absorber)

Die Abschirmung eines Testplatzes von externen Funksignalen (Radio, GSM, LTE, WLAN, …) kann relativ einfach über ein kostengünstiges EMV-Schirmzelt erfolgen. Die begehbaren und geräumigen Schirmzelte von Aaronia sorgen hier für eine sehr gute Abschirmung in der Größenordnung um 50 dB (99,999%) bis 1 GHz bzw. 43 dB (99,995%) bis zu 10 GHz.

In diesen Abschirmzelten kann der Prüfling (auf einem Holztisch) und die Antenne auf einem Stativ platziert werden. Je nach Größe des Abschirmzeltes ist eine Entfernung von 1 bis 2 Metern zwischen dem Prüfling und der Antenne möglich. Die hohe Abschirmungsdämpfung macht die Messergebnisse deutlich aussagekräftiger, wobei auch hier wie immer der Aufbau genau dokumentiert werden sollte um eine gute Reproduzierbarkeit zu erreichen.

Die kleinen Schirmzelte von Tekbox sind ideal für den Messaufbau mit einer TEM-Zelle und erreichen sogar eine Schirmung von 58 dB bis 1,5 GHz.

Da die Absorber einer normgerechten Absorberkammer bei diesem einfachen Aufbau fehlen, kommt es zu Reflexionen der vom Prüfling ausgestrahlten Signale. Diese Reflexionen führen zu einer Verstärkung oder Abschwächung von Frequenzbereichen der Messung, die abhängig vom Aufbau des Zeltes und der Antennenposition schwanken können.

Aufbau ohne Schirmung

Der einfachste Messaufbau besteht in dem kompletten Verzicht auf eine Schirmung. Hierbei ist natürlich mit Störungen in verschiedenen Funkfrequenzbereichen wie z.B. dem UKW Radio zu rechnen. Es gibt aber ein paar Möglichkeiten zu mindestens einige der Störeinstrahlungen zu reduzieren.

Der Messaufbau sollte möglichst in einem störarmen Bereich wie z.B. in einem Kellerraum erfolgen. Wenn möglich, sollte ein vorhandenes WLAN Netz für den Testzeitraum abgeschaltet werden.

Zwischen der Antenne und dem Prüfling sollte je nach vorhandenen Platzverhältnissen eine Entfernung wie z.B. ein oder drei Meter festgelegt werden.

Die Antenne sollte in einer Raumecke aufgestellt werden, der Prüfling hingegen eher im Raum und nicht in einer Ecke um Reflexionen zu reduzieren.

TEM-Zelle (Strip-Line)

Eine TEM-Zelle (Strip-Line) stellt für HF-Signale einen Leiter mit einem 50 Ohm Wellenwiderstand dar und kann so reflexionsfrei in einem Messaufbau eingesetzt werden.

Für Funkfelder stellt die TEM-Zelle einen Funkwellenwiderstand von 377 Ohm dar, das dem Feldwellenwiderstand des Vakuums entspricht. Damit bietet die TEM-Zelle eine definierte Umgebung, in der die Störausstrahlung eines Prüflings gemessen und auch dessen Störfestigkeit getestet werden kann.

Der Prüfling wird zum Test in der TEM-Zelle unter dem Septum (dem plattenförmige Innenleiter) platziert.

Um Störfelder von außen abzuschirmen bzw. die Ausstrahlung von Störfeldern beim Störfestigkeitstest abzuschirmen empfiehlt sich der Einsatz der TEM-Zelle in einem Abschirmzelt.

Test der Störfestigkeit:

Test der Störabstrahlung:

Nahfeldsonden zum Aufspüren der Störsignalquelle

Nachdem über die Antennenmessung oder die Messung per TEM-Zelle eine kritische Störausstrahlung in einem Frequenzbereich erkannt wurde, kann mit einer Nahfeldsonde die genaue Quelle am Gerät oder auf der Platine gesucht werden.

Die Nahfeldsonde wird dabei langsam über die Oberfläche des Gerätes oder der Platine geführt und dabei die Anzeige auf dem Spektrum Analyser beobachtet. Die Nahfeldsonde nimmt dabei die Störstrahlung wie eine Antenne auf. Die Ausrichtung der Nahfeldsonde sowie das Abfahren aller Bereiche ist hier entscheidend. Besonders die Bereiche um Gehäuseöffnungen, Kabel, Stecker, Buchsen, Taster und Schalter sollten genau überprüft werden.

E-Nahfeldsonden nehmen elektrische Felder auf, während H-Nahfeldsonden auf magnetische Felder reagieren.

Nahfeldsonden zum Test der Störfestigkeit

Mit einer Nahfeldsonde kann auch eine störempfindliche Stelle lokalisiert werden. Dazu wird ein Signal an die Nahfeldsonde angelegt, dass dann von der Nahfeldsonde ausgestrahlt wird. Die Nahfeldsonde wird dabei langsam über die Oberfläche des Gerätes oder der Platine geführt und dabei das Verhalten des Prüflings überwacht.

Leitungsgebundene Störungen (Conducted EMI)

Im Gegensatz zu den durch die Luft ausgebreiteten Funkstörungen, werden die „Conducted EMI“ über das Netzkabel ausgebreitet. Um diese leitungsgebundene Störausstrahlung zu analysieren, muss die ins Kabel eingespeiste RF-Energie gemessen werden.

Zur Messung wird eine Netznachbildung (LISN = Linear Impedance Stabilization Network) und ein Spektrum-Analysator benötigt. Die Netznachildung koppelt die Störausstrahlung des zu testenden Gerätes aus der Netzversorgung aus und gibt diese zur Messung an einen Spektrum-Analysator.

Zum Schutz des Spektrum-Analyser Eingangs sollte ein „Transient Limiter“ zwischen der LISN und dem Spektrum-Analysator eingesetzt werden.

Leitungsgebundenen Störungen bei Gleichstromversorgung (DC)

Bei einer Gleichstromversorgung (DC) des Prüflings wird eine DC-LISN wie die Tekbox TBOH01 zur Auskopplung des HF-Störsignales benötigt. Ab einer Kabellänge von 20 cm werden zwei DC-LISN benötigt, um Störsignale aus der positive und aus der negativen (Masseleitung) getrennt auskoppeln zu können.

Kabelgebundene Störungen bei Wechselstromversorgung (AC)

Bei einer Wechselstromversorgung (AC) des Prüflings wird eine AC-LISN wie die Tekbox TBLC08 oder die Rohde & Schwarz HM6050-2D zur Auskopplung des HF-Störsignales benötigt.

Da in der AC Netznachbildung eine hohe kapazitive Last zwischen der Phase L, dem Neutralleiter N und der Erde PE verwendet wird und dieses den FI-Schalter auslösen würde, ist ein Trenntransformator erforderlich.

SICHERHEITSHINWEIS: Bevor der Trenntransformator ans Netz angeschlossen wird, müssen die sichere Erdung des Trenntransformators, des Spektrum-Analysators, der Netznachbildung und (falls zutreffend) des Prüflings sichergestellt werden. Bitte alle Sicherheitsvorschriften beachten!

Empfohlene Ausstattung für Ihren EMV Pre-Compliance Testplatz

Bei der Ausstattung können wir Ihnen passende Lösungen für nahezu jedes Budget anbieten. Es geht hier vom einfachen Einsteigeraufbau bis zum umfassenden EMV Pre-Compliance Testplatz.

Spektrum-Analysator

Der Spektrum Analysator ist das grundlegende Messgerät für die EMV Precompliance-Tests. Wir können bereits sehr gute Geräte wie den Rigol DSA815-TG oder den Siglent SSA3021X im Preisbereich um 1000 Euro anbieten. Die Bedienung dieser Geräte ist heute kein Hexenwerk mehr, die Einarbeitung sollte für einen Elektronik Entwickler in überschaubarer Zeit zu schaffen sein.

Netznachbildung (LISN) für leitungsgebundene Störungen

Zur Messung der leitungsgebundenen Störungen wird eine Netznachbildung (LISN) zur Auskopplung der Störungen benötigt. Wenn Ihr zu testendes Gerät mit einer 230V AC Versorgung läuft, können wir Ihnen die Tekbox TBLC08 oder die Rohde & Schwarz HM6050-2D empfehlen. Wird Ihr Gerät mit einer Gleichspannung versorgt, empfehlen wir gerne die Tekbox TBOH01.

TEM-Zelle oder Antenne

Zur Messung der abgestrahlten Störungen und der Funkstörfestigkeit wird entweder eine TEM-Zelle oder eine (bzw. mehrere) Antennen benötigt.

Sollte Ihr zu testendes Gerät in eine TEM-Zelle passen (z.B max. 300 x 300 x 100 mm bei der TBTC3) und der Frequenzbereich der TEM-Zelle genügen, dann ist damit ein kompakter und einfach funktionierender Aufbau eines Messplatzes möglich. Die TEM-Zelle sorgt für ein homogenes Feld und es können damit die abgestrahlten Störungen gemessen wie auch die Funkstörfestigkeit getestet werden.

Sollte Ihr zu testendes Gerät nicht in eine TEM-Zelle passen, oder der Frequenzbereich der TEM-Zellen nicht ausreichen, empfiehlt sich der Messaufbau mit einer oder mehreren Antennen. Hier können wir passende bikonisch aufgebaute Antennen für den Frequenzbereich von 20 MHz bis 1 GHz anbieten. Soll die Messung noch über 1 GHz hinaus erfolgen, kann zusätzlich eine logarithmisch-periodische Antenne bis zu 8 GHz und darüber hinaus eingesetzt werden. Alternativ können wir mit den Aaronia HyperLOG 20300 EMI und 20600 EMI Antennen auch eine Kombination anbieten, die den Bereich von 20 MHz bis 3/6 GHz in einer Antenne abdecken kann.

Nahfeldsonden

Hier empfehlen wir gern z.B. die Tekbox TBPS01 Sets inkl. Vorverstärker, die zu einem wirklich guten Preis ein sehr gutes Set bilden.

Schirmung

Je nachdem, ob Sie sich für den Aufbau mit einer Antenne- oder einer TEM-Zelle entschieden haben, können Sie noch eine passendes Schirmzelt dazu einsetzen. Je nach Variante liegen wir hier bei 1200 bis 2000 Euro.

HF-Leistungsverstärker für Störfestigkeitstests

Wenn Ihr Spektrum-Analysator einen Tracking Generator Ausgang besitzt, empfiehlt sich hier der Einsatz eines Leistungsverstärkers mit Modulationsfunktion. Die Tekbox TBMDA Leistungsverstärker können das Tracking-Generator Ausgangssignal in den bei EMV-Test geforderten Formen modulieren und damit eine TEM-Zelle, Antenne oder Nahfeldsonde als Störsender betreiben.

Zubehör

Denken Sie auch an die benötigten Kabel und ev. notwendige Adapter.

Hier wird in der Regel ein ausreichend langes SMA Kabel zur Verbindung der Antenne oder der TEM-Zelle mit dem Spektrum Analyser benötigt. Dazu ein "Adapter N-Stecker auf SMA Buchse" zum Anschluss des SMA Kabels an den Spektrum-Analysator sowie ein zweiter davon für den Anschluss an die TEM-Zelle. Bei Verwendung einer Aaronia Antenne sind diese je nach Modell bereits mit einem SMA Ausgang ausgestattet, so dass das SMA Kabel direkt angeschlossen werden kann.

EMV Testsoftware

Die EMCview Software bietet eine gute und praxisnahe Lösung zum günstigen Preis. Die Software kann verschiedene Spektrum-Analyser der Firmen Rohde & Schwarz, Rigol und Siglent fernsteuern und so die Messungen weitgehend automatisiert durchführen.

Es werden weit über 100 fertig angelegte Projektdateien für die einzelnen CISPR Veröffentlichungen mitgeliefert. Durch das Aussuchen und Einladen der passenden Datei werden die Grenzwerte für den Test und die passenden Einstellungen für den Spektrum Analysator geladen. Weiterhin liegen die Abgleichsdaten für die Tekbox Netznachbildungen und TEM-Zellen auch bereits vor und können in der Software einfach ausgewählt werden.