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1 Vom Störfall zur EMV- Prüfung Ein historischer Rückblick Heinrich Ryser EMV Fachtagung Kloten 21.1.2015

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Page 1: Vom Störfall zur EMV- Prü · PDF fileCISPR 16-1 (Messausrüstung) ... Blechplatte (CISPR 22) Spezifikation durch NSA (CISPR 16-1-4) 2003 MDS Zange Konstruktionszeichnung (CISPR 14

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Vom Störfall zur EMV- Prüfung

Ein historischer Rückblick

Heinrich Ryser

EMV Fachtagung Kloten 21.1.2015

Page 2: Vom Störfall zur EMV- Prü · PDF fileCISPR 16-1 (Messausrüstung) ... Blechplatte (CISPR 22) Spezifikation durch NSA (CISPR 16-1-4) 2003 MDS Zange Konstruktionszeichnung (CISPR 14

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1. EMV, was ist das?

1.1. Definitionen

1.2. Seit wann spricht man von EMV ?

1.3. Störer und Gestörte (Wer stört was?)

2. Gründe für Veränderungen der EMV Normen

2.1. Neue Technologien (Neue Störopfer, neue Störquellen)

2.2. Unklarheiten und Zuständigkeitskonflikte

2.3. Neue Juristische Konzepte

3. Konkrete Beispiele

3.1. Bewertung von Funkstörungen

3.2. Elektrostatische Entladungen

Übersicht E

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1. EMV was ist das ?

...was auf dem Netz so alles ankommt

EM

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1.1. Definitionen

EMV ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, in ihrer elektromagnetischen

Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne diese Umgebung zu der auch

andere Einrichtungen gehören, unzulässig zu beeinflussen.

(EMV Richtlinie der EG 1989)

EMV befasst sich mit den ungewollten elektromagnetischen Interaktionen zwischen

zwei technischen Einrichtungen, die vom Konstrukteur der Einrichtungen nicht

beabsichtigt sind. (…………….aber trotzdem stattfinden !)

Also mit der Vermeidung von unbeabsichtigten Störfällen.

Meine Definition

Offizielle Definition

EM

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1.2. Seit wann spricht man von EMV

RFI

EMC / EMV

1954 Armour Conference on Radio Interference Reduction

1963 IRE und AIEE fusionieren zu IEEE

1959 IRE Transactions on Radio Frequency Interference

1957 Gründung der RFI Group in IRE

1972 Erstes EMC Symposium in Wroclaw

1964 IRE Transactions on RFI > IEEE Transactions on EMC 1964 IRE Professional Group on RFI > IEEE EMC Group (später EMC Society)

1975 Erstes EMC Zürich Symposium (in Montreux)

1964 Erste EMC Konferenz in Chicago

(Viele weitere EMC Konferenzen in Deutschland, Italien, Frankreich, Israel, Türkei)

1976 Buch: “Elektromagnetische Verträglichkeit“ von Dieter Stoll

1989 EMC Richtlinie der EWG 89/336/EWG

2007 Jubiläum 50 Jahre EMC Society in IEEE

1973 Gründung von TC77 „Electromagnetic Compatibility

1950

1955

1960

1965

1970

1975

1980

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1990

1995

2000

2005

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Die vier Elemente der Störsituation

Störopfer Störquelle

Störweg Störwirkung

Fragen:

•Was sind die Störquellen?

•Was sind die Störopfer?

•Wie ist die Störwirkung im Störopfer?

•Wie kann die Störung vermieden werden?

• Durch Reduktion der Emission aus der Störquelle?

• Durch Veränderungen auf dem Störweg?

• Durch Verbesserung der Immunität beim Störopfer?

1.3. Störer und Gestörte (Wer stört was?) E

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(Blitz)

Telefon

(Umschaltung in Starkstromleitung)

(ESD)

(Haushaltgerät mit Elektromotor)

Haushaltgerät mit Elektronik

(Mikrowellenofen)

(Mechanischer Schalter / Schütze)

(Verbrennungsmotoren)

Computer

Industriesteuerung

(Radio-Sender / TV-Sender)

Radio Empfänger

TV Empfänger

(Bahnstromleitung)

Röhrenbildschirme

Flachbildschirme

Mobilfunkgeräte (Empfang)

Beeinflussung der Störquelle nicht, oder nur schwer möglich

> Festlegung der Immunität beim Störopfer > Immunitätsspezifikation

Beeinflussung des Störopfers nicht, oder nur schwer möglich (Funkstörungen)

> Festlegung der Emission bei der Störquelle > Emissionsspezifikation

Störopfer Blitz

Telefon

Umschaltung in Starkstromleitung

ESD

Haushaltgerät mit Elektromotor

Haushaltgerät mit Elektronik

Mikrowellenofen

Mechanischer Schalter / Schütze

Verbrennungsmotoren

Computer

Industriesteuerung

Radio-Sender / TV-Sender

Radio Empfänger

TV Empfänger

Bahnstromleitung

Röhrenbildschirme

Flachbildschirme

Mobilfunkgeräte

Störquelle

1.3. Störer und Gestörte (Wer stört was?) E

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Blitz

Telefon

Umschaltung in Starkstromleitung

ESD

Haushaltgerät mit Elektromotor

Haushaltgerät mit Elektronik

Mikrowellenofen

Mechanischer Schalter / Schütze

Verbrennungsmotoren

Computer

Industriesteuerung

Radio-Sender / TV-Sender

Radio Empfänger

TV Empfänger

Bahnstromleitung

Röhrenbildschirme

Flachbildschirme

Mobilfunkgeräte

(Blitz)

Telefon

(Umschaltung in Starkstromleitung)

(ESD)

(Haushaltgerät mit Elektromotor)

Haushaltgerät mit Elektronik

(Mikrowellenofen)

(Mechanischer Schalter / Schütze)

(Verbrennungsmotoren)

Computer

Industriesteuerung

(Radio-Sender / TV-Sender)

Radio Empfänger

TV Empfänger

(Bahnstromleitung)

Röhrenbildschirme

Flachbildschirme

Mobilfunkgeräte (Empfang)

Störquelle Störopfer

Prüfling

Störopfer

Störweg

Störwirkung Ankopplung Störgenerator

Immunitätsmessung nach Norm

Bewertung

Schutz

durc

h F

estlegung d

er

Imm

unität

1.3 Störschutz durch Festlegung der Immunität E

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Blitz

Telefon

Umschaltung in Starkstromleitung

ESD

Haushaltgerät mit Elektromotor

Haushaltgerät mit Elektronik

Mikrowellenofen

Mechanischer Schalter / Schütze

Verbrennungsmotoren

Computer

Industriesteuerung

Radio-Sender / TV-Sender

Radio Empfänger

TV Empfänger

Bahnstromleitung

Röhrenbildschirme

Flachbildschirme

Mobilfunkgeräte

(Blitz)

Telefon

(Umschaltung in Starkstromleitung)

(ESD)

(Haushaltgerät mit Elektromotor)

Haushaltgerät mit Elektronik

(Mikrowellenofen)

(Mechanischer Schalter / Schütze)

(Verbrennungsmotoren)

Computer

Industriesteuerung

(Radio-Sender / TV-Sender)

Radio Empfänger

TV Empfänger

(Bahnstromleitung)

Röhrenbildschirme

Flachbildschirme

Mobilfunkgeräte (Empfang)

Störquelle Störopfer

Schutz

durc

h B

egre

nzung d

er

Em

issio

n

Ankopplung

Störweg

Messgerät

Emissionsmessung nach Norm Bewertung

Störquelle Störwirkung

Prüfling

1.3. Störschutz durch Begrenzung der Emission E

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1. EMV, was ist das?

2. Gründe für Veränderungen der EMV Normen

2.1. Neue Technologien (Neue Störopfer, neue Störquellen)

2.2. Unklarheiten und Zuständigkeitskonflikte

2.3. Neue Juristische Konzepte

2.3.1. Anforderungen für Immunität

2.3.2. Änderungen der Normenstruktur

2.3.3. Berücksichtigung der Messunsicherheit

2.3.4. Ersatz der Konstruktionsbeschreibung durch

Spezifikation

3. Konkrete Beispiele

3.1. Bewertung von Funkstörungen

3.2. Elektrostatische Entladungen

2. Gründe für Veränderungen in den Normen E

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2. Gründe für Veränderungen der EMV Normen

1882

Gesetz über das Telegraphenwesen unterschrieben von Kaiser Wilhelm II

Elektrische Anlagen sind, wenn eine Störung des Betriebs der einen

Leitung durch die andere Leitung eingetreten oder zu befürchten ist,

auf Kosten desjenigen Theiles, welcher durch eine spätere Anlage

oder durch eine später eintretende Änderung seiner bestehenden

Anlage diese Störung oder die Gefahr derselben veranlaßt, nach

Möglichkeit so auszuführen, daß sie sich nicht störend beeinflussen.

Erstes Deutsches Gesetz zur EMV

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1934 Gründung von CISPR

2.1. Neue Technologien >> Neue Störfälle

Verbreitung des Rundfunks

Verbreitung des Fernsehens

Verbreitung des Mikroprozessors

1958 Erste integrierte Schaltung

1974 Intel 8080 Mikroprozessor

1978 Intel 8086 Mikroprozessor

1977 Apple2, Commodore PET 2001, Tandy TRS80

1981 IBM PC

1947 Erster Transistor

Verbreitung des Mobilfunks

1912 Erste Funkausstellung in Woolwich, England

Verbreitung von Radar und Funk im Militärbereich

Verbreitung der Digitaltechnik

Verbreitung des PC

Verbreitung Elektrischer Bahnen 1913 Übereinkommen der Bahnen zu 16 2/3 Hz

1953 Gründung von Schwarzbeck Messelektronik

1933 Gründung von Rohde + Schwarz

Verbreitung Schneller Logiktypen

1962 ECL Serie bei Motorola

1966 TTL Serie 74xx bei TI

1991 Erste GSM Mobilfunksysteme (Finland)

Verbreitung der Multimedia

Produkte und Wireless Systeme

1983 NATEL B

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2010

Störung des Radioempfangs durch Schalter und Motoren Verbreitung des Rundfunks

Verbreitung des Fernsehens

Verbreitung des Mikroprozessors

Störung des TV und Radioempfangs durch Digitalsysteme

Störung von Digitalsystemen durch ESD und Transienten

Störung der Funk- und Navigationssysteme durch Radar etc.

Verbreitung des Mobilfunks

Verbreitung der Multimedia

Produkte und Wireless Systeme

Verbreitung von Radar und Funk im Militärbereich

Verbreitung der Transistortechnik

Verbreitung des PC

Verbreitung Elektrischer Bahnen Störung des Telefonverkehrs durch Bahnströme

Störung des TV Empfangs

Zerstörung von Halbleitern durch ESD

Störung von Elektroniksystemen durch Mobilfunk

Störung von Digitalsystemen durch Felder (Rundfunk, Amateure)

Verbreitung Schneller Logiktypen

Störung von Multimediasystemen

2.1. Neue Technologien >> Neue Störfälle

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Das Grundgesetz der Normenentstehung

In den zuständigen Normengremien sind ganz gegensätzliche Interessen vertreten:

Eine Gruppe will möglichst Strenge Normen.

Eine zweite Gruppe will möglichst billige Produkte (d.h. möglichst lockere Normen).

Eine dritte Gruppe will möglichst einfache Messungen.

Eine vierte Gruppe will möglichst genaue Messungen.

Eine fünfte Gruppe will eine bestimmte Messmethode durchsetzen damit die dafür

gemachten Investitionen amortisiert werden können.

Eine sechste Gruppe will verhindern dass überhaupt Normen entstehen.

Daraus ergibt sich das „Grundgesetz der Normenentstehung“:

Ein Normentext wird erst dann von einer Mehrheit der Mitglieder akzeptiert,

wenn er genügend diffus und unklar geschrieben ist, so dass jeder glaubt,

seine Meinung sei darin enthalten, oder könne wenigstens später

hineininterpretiert werden.

2.2. Unklarheiten und Zuständigkeitskonflikte E

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TC77

IEC 61000 Serie

IEC 1000 Serie

TC65 WG4

IEC 801 Serie

2.2. Unklarheiten und Zuständigkeitskonflikte

CISPR 32 ITE/MM Emission

CISPR 36 ITE/MM Immunität

SC G

(ITE)

CISPR 22 ITE Emission

CISPR 24 ITE Immunität

CISPR

SC A (Messmethoden)

SC B (ISM)

SC C (Hoschspannungsleitungen

SC D (Verbrennungsmotoren)

SC E (Radio / TV Empfänger)

SG F (Haushaltgeräte)

SC H (Störstatistik, Grenzwerte)

Ab ca. 1980 gibt es

Zuständigkeitskonflikte:

Emission ? Immunität ?

Frequenzbereich ? Produkte ?

CISPR: Comité international spécial

des perturbations radioélectriques

TC65: Industrial-process

measurement, control

and automation

TC77: Electromagnetic

compatibility

1995

1978

1934

1973

1985

SC I

(Multimedia)

(ab 2000)

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2.3. Neue juristische Konzepte

1968 Mil Std 461/462

1973 VG 95371 / 72 / 73

1984 Immunitätsnormen IEC 801 -1 bis 801-5 für Industrielle Prozesssteuerungen (IEC TC65 WG4)

1997 CISPR 24 ITE Immunität (CISPR SC G)

???? CISPR 35 Multimedia Immunität

2001 CISPR 14-2 Haushaltgeräte Immunität (CISPR SC F)

2001 Reorganisation der Immunitätsnormen als IEC 61000 Serie

1989 EMC Richtlinie der EWG 89/336/EWG >> Immunitätsanforderungen (CENELEC / IEC)

1985 CISPR 20 Radio / TV Empfänger, Immunität (CISPR SC E)

01

1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1995 Reorganisation der Immunitätsnormen als IEC 1000 Serie (IEC TC 77)

2.3.1. Anforderungen für Immunität

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01

1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1934 Gründung von CISPR

1985 CISPR 22 ITE Produktenorm Emission (Inklusive Messmethode)

2012 CISPR 32 Multimedia Emission

1997 CISPR 24 ITE Produktenorm Immunität mit Bezug auf Basisnormen

???? CISPR 35 Multimedia Immunität

1940 VDE 875 (Haushaltgeräte)

1952 VDE871 (ISM)

Separate Normen (Inklusive Messmethode) für Produktekategorien

CISPR 11 ISM

CISPR 14 Haushaltgeräte

CISPR 13 Radio / TV Empfänger , Emission

1973 Messgeräte und Messmethoden in CISPR 16 zusammengefasst

1989 IEC Guide 107 Edition 1 >> Neuorganisation der EMV Normenstruktur

2001 CISPR 14-2 Haushaltgeräte Produktenorm Immunität

2002 CISPR 14-1 Haushaltgeräte Produktenorm Emission

2001 Reorganisation der Immunitätsnormen als IEC 61000 Serie

2.3.2. Neuorganisation der Normenstruktur

1995 Reorganisation der Immunitätsnormen als IEC 1000 Serie

1984 Immunitätsnormen IEC 801 -1 bis 801-5 für Industrielle Prozesssteuerungen (IEC TC65 WG4)

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•Basisnormen (Basic standards) Die Basisnormen sollen die Messgeräte und Messmethoden für ein bestimmtes EMV Phänomen beschreiben. CISPR 16-1 (Messausrüstung) / CISPR 16-2 (Messmethoden) IEC 61000-4 (Messmethoden)

•Fachgrundnormen (Generic standards) Die Generic standards sollen die Grenzwerte für eine bestimmte Umgebung angeben. EN50081-1 (Emission Wohnbereich) / EN50082-1 (Immunität Wohnbereich) EN50081-2 (Emission Industriebereich) / EN50082-2 (Immunität Industriebereich) IEC 61000-6 (Immunität / Emission für Wohnbereich / Industriebereich) Wohnbereich: Residential, commercial and light industry environments Industriebereich: Industrial environments

•Produktenormen (Product standards) Produktenormen sollen Grenzwerte und Ausfallkriterien für ein bestimmtes Produkt angeben.

2.3.2. Neuorganisation der Normenstruktur

IEC Guide 107 (1989)

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2.3.3. Berücksichtigung der Messunsicherheit

Einfluss der Messeinrichtung

• Kalibration der Messeinrichtung

• Stabilität der Messeinrichtung

• Weitere Einflüsse (Reflexionen, Kablverluste)

„Mesurement instrumentation

uncertainty“ CISPR 16-4-2 (2003)

Typische Werte: +/- 4 – 5 dB (UCISPR)

Einfluss der Messprozeduren

• Variation der Aufstellung

• Suchstrategie für Maximum

• Geprüfte Betriebszustände

Typische Werte: +/- 10 – 15 dB

Stabilität des Prüflings

• Abnützung von Störwirksamen Teilen

• Unkontrollierte Kontaktstellen

• Konstruktions Varianten

• Unbekannte Betriebszustände

Typische Werte: +/- 1 – 5 dB

Der IEC/ISO Guide 17025 Verpflichtet die Prüflaboratorien zur Angabe der Messunsicherheit

Gesamte Unsicherheit

der EMV Messung

„Standards compliance

uncertainty“ CISPR 16-4-1 (2003)

Typische Werte +/- 10 - 20 dB

Streubereich der Resultate

von Ringversuchen

mit stabilen Prüflingen.

Entspricht ungefähr der

Erweiterten Unsicherheit mit k=2

(dh: ca. 95 % der Resultate liegen

innerhalb dieser Grenzen, falls

die Statistischen Schwankungen

Gaussverteilt sind)

IEC/ISO Guide 17025 (1998)

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2.3.4. Ersatz der Konstruktionsbeschreibung durch Spezifikation

Vorher:

Beschreibung der

Konstruktion

einer Messeinrichtung

Neu:

Spezifikation der

Eigenschaften

einer Messeinrichtung

Freifeldmessplatz Zeichnung der

Blechplatte (CISPR 22)

Spezifikation durch NSA

(CISPR 16-1-4) 2003

MDS Zange Konstruktionszeichnung

(CISPR 14 / CISPR 16) Spezifikation

(CISPR 16-1-3) 2004

Ferritzangen Keine Angaben Spezifikation

(CISPR 16-1-4) 2008

CMAD

(Common mode absorbing devices)

Beispiele:

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21

1. EMV, was ist das?

2.Gründe für Veränderungen der EMV Normen

3. Konkrete Beispiele

3.1. Bewertung von Funkstörungen

3.1.1. Störquellen und Störsignaltypen

3.1.2. Historischer Überblick

3.1.3. Neues Konzept mit QP und AV Detektor seit 1985

3.2. Elektrostatische Entladungen

Übersicht E

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22

3.1.1. Störquellen und Störsignaltypen

Radiostörung durch einen

Rasierapparat

Radiostörung durch Motor in

Bohrmaschine

„Breitbandstörung“

Radiostörung durch Motor in

einer Kaffeemaschine

Wirkung im Störopfer:

•AM Radio: Geräusch

•FM Radio: Nicht bemerkbar

•TV: Schnee

Störung des Polizeifunks

Durch PLC System

40 60 80 100

Frequenz [MHz]

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40

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Radiostörung durch Schaltuhr in

einer Wachmaschine

Radiostörung durch eine

Heizungssteuerung

„Knackstörung“

40 60 80 100

Frequenz [MHz]

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Fel

dstär

ke

[dB

(µV

/m)]

Wirkung im Störopfer:

• AM Radio: Knack

• FM Radio: Knack

• TV: Nicht bemerkbar

• PC: Funktionsstörung

3.1.1. Störquellen und Störsignaltypen

EM

V F

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24

3.1.1. Störquellen und Störsignaltypen

Störung des Fernsehempfangs

durch einen PC

Störung des Bahnfunks durch

einen Billetautomaten

Störung des Flugfunks durch

elektronische Registrierkasse

„Schmalbandstörung“

40 60 80 100

Frequenz [MHz]

20

25

30

35

40

45

50

Fel

dstär

ke

[dB

(µV

/m)]

Wirkung im Störopfer:

• AM Radio: Ton

• TV: Mäander und Wellen

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25

1931 In Deutschland gibt es 7‘200 Entstörtechniker (pro Jahr 270‘000 Störklagen)

1933 Gründung von „Pro Radio“ in der Schweiz

(Finanziert durch den Verkauf der „Kontrollmarken“ für Radioempfänger)

1936 Von „Pro Radio“ wurden im Jahr 1936 ca. 7000 Elektrogeräte untersucht

und davon 1783 Geräte entstört:

734 Staubsauger, 213 Haartrockner, 187 Bügeleisen, 117 Violettstrahler,

68 Handbohrmachinen, 56 Registrierkassen, 28 Ventilatoren, 28 Blocher,

24 Rechenmachinen, 22 Haarschneidemaschinen, 20 Heizkissen, etc.

Störquelle: Elektrische Haushaltgeräte

Störopfer: Radioempfänger (AM)

Funkstörungen in den 30er Jahren

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3.1.2. Historischer Überblick

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26

VDE 875 / CISPR 14 (1940)

VDE 871 / CISPR 11 (1952)

Neues Konzept auch in CISPR 14, CISPR 11, CISPR 13

QP Detektor (1939)

Neue Bewertungen in Diskussion:

RMS Detektor, APD (für Mikrowellenofen)

Radiostörungen durch Motoren >> Geräusch

Radiostörungen durch Schalter >> Knack

Neue Störquellen: ISM

Wirkung im Radio >> Pfeifen

Neue Störquellen: Computer

(Werden als ISM klassiert)

Neue Störopfer: TV Empfänger

Breitbandstörung >> Schnee

Schmalbandstörung >> Mäander

(Computer werden als ITE klassiert)

Neue Störquellen: Mikrowellenofen

Neue Störopfer:

DAB Empfänger / Mobilfunkempfänger

1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

3.1.2. Historischer Überblick

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Bis 1985 Getrennte Normen und Grenzwerte für Breitband-

und Schmalbandstörungen mit QP Detektor.

Das Prüflabor muss wissen, ob das Produkt SB oder BB

Quellen oder beides enthält.

Nach 1985: Neues Konzept für Abgrenzung von BB und SB in

CISPR 22: 0.15 – 30 MHz Grenzwert QP / AV kombiniert

(30 – 1000 MHz Nur QP Grenzwert)

Breitbandstörungen

Schmalbandstörungen

CISPR 22 (1985)

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27

Peak Detektor

•Schnell, kurze Messzeit

•Der angezeigte Wert ist entweder richtig

oder zu hoch, aber nie zu tief.

•Resultat nicht Normkonform

Quasi Peak Detektor

•Langsam, lange Messzeiten

•Resultat Normkonform (QP Grenzwert)

•Massgebend für Breitbandstörungen

Average Detektor

•Schnell, kurze Messzeit

•Resultat Normkonform (AV Grenzwert)

•Breitbandstörungen werden unterdrückt

•Massgebend für Schmalbandstörungen

•Grenzwert AV tiefer als Grenzwert QP

3.1.3. Neues Konzept mit QP und AV Detektor seit 1985

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Demoduliertes Signal am

Ausgang des Empfängers

Zur Anzeige

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1 10

Frequenz (MHz)

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50

60

70S

törs

pa

nn

ung

am

N

etz

an

sch

luss

(dB

(µV

))

QP Klasse B

AV Klasse B

Beispiel: Grenzwerte am Netzanschuss (V-Netznachbildung) für Klasse B

3.1.3. Neues Konzept mit QP und AV Detektor seit 1985

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1

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Entscheidungsdiagramm

3.1.3. Neues Konzept mit QP und AV Detektor seit 1985

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30

1. EMV, was ist das?

2. Gründe für Veränderungen der EMV Normen

3. Konkrete Beispiele

3.1. Bewertung von Funkstörungen

3.2. Elektrostatische Entladungen

3.2.1. Historischer Überblick

3.2.2. Erste ESD Prüfnorm 1984

3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm

3.2.4. Verbesserungsvorschläge (1984 – 1989)

3.2.5. Neue ESD Prüfnorm 1991

3.2.6. Vergleich mit realen Störsignalen

3.2.7. Weitere Verbesserungen 2001 und 2008

3.2.8. Offene Fragen

Übersicht E

MV

Fach

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31

IEC 801-2 (1984) Ausgabe 1

IEC 61000-4-2 (2000)

IEC 801-2 (1991) Ausgabe 2

IEC 1000-4-2 (1991)

IEC 61000-4-2 (2001)

Weitere Verbesserungen notwendig

Erfahrungen mit 801-2 Ausgabe 1

(Reproduzierbarkeit, Kalibration)

Neue schnelle Elektronikelemente

> Einfluss indirekter Entladung

Neuorganisation der Normen

Probleme mit SK II Geräten

1950

1955

1960

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

Störung von Digitalsystemen durch

Elektrostatische Entladungen (ESD)

Zerstörung von Halbleitern durch

Elektrostatische Entladungen (ESD)

3.2.1. Historischer Überblick

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150 Ω / 150 pF

3.2.2. Erste ESD Prüfnorm IEC 801-2 (1984)

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33

Stromverlauf bei der

Verifikation mit

Masseanschluss

„as short as Possible“ nach Norm

Stromverlauf bei der

Anwendung mit 2m

Massekabel und

unterschiedlicher

Auslegung des

Massekabels

(Realistische Beispiele)

3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm

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34

Ohne Abschirmung

Mit Abschirmung

Voll geschirmter Speicher KO

mit 1 GHz Bandbreite

3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm

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35

Prüfspannung

Stromsteilheit des „Initial Spike“ Hauptentladung

Streuung des „Initial Spike“

„Initial Spike“

3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm

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36

Zusammenhang zwischen

Funkenlänge und

Stromanstieg für eine

Ladespannung von 6 kV

Vergleich zwischen

Theorie und Messung

Die Theoretische Kurve

Eq. 3.8 ist abgeleitet

aus dem Toepplerschem

Gesetz von 1927 !

3.2.3. Probleme mit der ersten ESD Prüfnorm

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37

Vorschlag Kawamura (Sanki):

Zusatzkapazität und

einstellbare interne

Funkenstrecke.

Resultat: Reproduzierbar

langsame Anstiegssteilheit.

3.2.4. Verbesserungsvorschläge (1984 – 1989)

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Vorschlag Richman (Keytek):

„Initial Spike Adapter“

Resultat: Grosser Initialspike,

aber schlechte Reproduzierbarkeit

der Anstiegssteilheit.

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3.2.4. Verbesserungsvorschläge (1984 – 1989)

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Vorschlag Landt (Siemens):

Vergrösserung des Initial Spike

mit „Handcapacity Simulator“.

Resultat: Grosser Initialspike, aber

schlechte Reproduzierbarkeit der

Anstiegssteilheit.

Vorschlag Ryser / Daout (Hasler AG):

Entladung mit Relais.

Resultat: Hohe Ansiegssteilheit ,

gute Reproduzierbarkeit,

Initial Spike je nach Konstruktion.

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39

Vorschlag Calcavechio / Pratt (IBM, ursprünglich geheim, später Teil von ECMA TR/40 1987)

Personnel discharge: 1.8 kΩ

Furniture discharge: 15 Ω

Resultat: Hohe Anstiegssteilheit , gute Reproduzierbarkeit, unhandlich und voluminös.

3.2.4. Verbesserungsvorschläge (1984 – 1989)

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3.2.5. Neue ESD Prüfnorm 1991

Diskussion mit viel Papier, aber noch ohne Laptop!

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Resultat der Diskussion:

Kombination der

Vorschläge Landt / Ryser:

Definition des

Initial Spike und

Entladung mit Relais.

Simulation der Entladung

einer Person mit Metallstück

in der Hand

Resultat:

Definierter Initialspike,

gute Reproduzierbarkeit der

Anstiegssteilheit.

Ca. 6 verschiedene Prototypen

unterschiedlicher Hersteller wurden

bei Hasler ausgemessen.

Diskussion in der IEC TC65 WG4 in Tokyo (1989)

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Der in IEC 801-2 Edition 1991 bzw IEC 61000-4-2 definierte Generator mit

330Ω / 150pF simuliert die Entladung mit einem Metallstück in der Hand

Ladespannung 4kV

Strommaximum 16A

Anstiegszeit ca. 1 nS

Anstiegssteilheit ca. 20 A/ns

(330 Ω / 150 pF)

Ladespannung 4kV

Strommaximum 20A

Anstiegszeit ca. 1 nS

Anstiegssteilheit ca. 25 A/ns

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3.2.5. Neue ESD Prüfnorm 1991

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3.2.5. Neue ESD Prüfnorm 1991:

330 Ω / 150 pF

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Neue Prüfgeräte mit Kontaktentladung und Luftentladung

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3.2.6. Vergleich mit realen Störsituationen (Direktentladung)

Ladespannung 4kV

Strommaximum 1A

Anstiegszeit ca. 1 nS

Anstiegssteilheit ca. 1 A/ns

Ladespannung 4kV

Strommaximum 5A

Anstiegszeit ca. 1 nS

Anstiegssteilheit ca. 5 A/ns

Entladung mit Finger

Entladung mit Faust

Ladespannung 4kV

Strommaximum 20A

Anstiegszeit ca. 1 nS

Anstiegssteilheit ca. 25 A/ns

Entladung mit

Metallstück in der Hand

Ladespannung 4kV

Strommaximum 70A

Anstiegszeit ca 5 nS

Anstiegssteilheit ca 20 A/ns

Entladung mit

Wagen aus Metall

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3.2.7. Weitere Verbesserungen 2001 und 2008

1984

1991 2008

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Thema

Kalibration

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Thema: Indirekte

Entladungen

1991 2001

1984 (Keine Angaben)

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3.2.7. Weitere Verbesserungen 2001 und 2008

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Thema: Schutzklasse II

Geräte

1984 (Keine Angaben)

2001 2008

Problem: Ladungsakkumulation bis zum Durchbruch der SK II Isolation

1991 (Keine Angaben)

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3.2.7. Weitere Verbesserungen 2001 und 2008

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47

3.2.8. Offene Fragen

1984 1991 / 2001

Reale Messung

(Extremes Beispiel)

Reflexion von der

Plattengrenze

0.3 m >> 2 ns Laufzeit

hin und zurück

Reflexion vom Ende

des Massekabels

2.5 m >> 15 ns Laufzeit

hin und zurück

„First peak“

Kalibration der Stromsonde

(Frequenzbereich bis 4 GHz)

2008

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Kalibration

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„First peak“

Ohne Zusatzmassnahme Masseband in der Mitte

mit der Hand zurückgehalten

Ohne Zusatzmassnahme Ferritkern am

Ende des Massabandes

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3.2.8. Offene Fragen

Kalibration (Dämpfung der Reflexionen)

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49

3.2.8. Offene Fragen

2008

Offene Fragen:

- Unterschiedliche Positionen der VCP

(sufficient different Positions such that

the four surfaces of the EUT are

completely illuminated)

Entladung in der Mitte der HCP und der VCP

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Indirekten Entladung (ESD fields)

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10 Seiten „Informative Annex“ mit Messungen und

numerischen Simulationen aber keine Angaben zu

möglichen Testmethoden

2008

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3.2.8. Offene Fragen

Indirekten Entladung (ESD fields)

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Probleme mit indirekter Entladung bei Grossrechnern (1984)

Indirekte Entladungen (zB Metallstühle) mit Aufladung von

weniger als 2 kV verursachen am meisten Störungen bei

schnellen Grossrechnern (ECL Technologie).

Entladungen mit kleinen Spannungen haben sehr kurze

Anstiegszeiten des Stromes. Oft handelt es sich um

Indirekte Entladungen in der Nähe des Störopfers.

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Masamitsu Honda (UNISYS Japan 1984)

3.2.8. Offene Fragen

Neues Problem

Publikation an EMC Europe 2010:

Entladung kurzer Funkenstrecken

im Störopfer durch Bewegung

aufgeladener Personen in der Nähe.

(Keine Berührung!)

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52

Schlussbemerkung: Der mechanische Schalter als HF-Quelle

1970 Mechanischer Schalter als Störquelle für „Burst“-Störungen („Schnelle Transienten“)

1940 Mechanischer Schalter im CISPR Referenzgenerator (ns Impulse mit 100 Hz Repetitionsfrequenz)

Die Impulse mit Anstiegszeiten von weniger als 1 ns werden dadurch erzeugt, dass mit einem

Kontakt eine Koaxialleitung entladen wird. Für eine Impulsbreite von 1 ns braucht es ca. 20 cm

Kabel und eine gute Konstruktion im Schalterbereich. Solche Generatoren sind sehr stabil und

sind zum Teil noch heute im Einsatz.

1990 Mechanischer Schalter im ESD Generator

1940 Mechanischer Schalter als Störquelle für Radiostörungen (Knack)

1980 Funkenstrecke in den frühen Burst Generatoren

Zu beachten: Öffnender mechanischer Schalter >>> Anstiegszeit ca. 5 ns

Schliessender mechanischer Schalter >>> Anstiegszeit > 100 ps

1910 Funkenstrecke im Radiosender (davon kommt der Name „Funk“ und Rundfunk“)

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