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dataTec News

EMI frühzeitig erkennen

Will man nicht riskieren, dass finale EMI-Tests (Electromagnetic Interference) fehlschlagen, so könnte man, wenn die entsprechenden finanziellen Mittel verfügbar sind, natürlich ein komplettes EMI-Testsystem inklusive geschirmter Kammer beschaffen und damit während der Entwicklungsphase schon testen.

Doch es gibt auch eine kostengünstigere Lösung. Ein Messplatz, wie er hier beschrieben wird, hat neben geringeren Kosten zudem den Vorteil, dass man die damit realisierten Messungen während des Entwicklungsprozesses mehrfach wiederholen kann und sich so jedes einzelne Modul schnell und unkompliziert vermessen lässt. Auf diese Weise bekommt man eine „Sicherheit“, dass der finale EMI-Test auch bestanden wird und nicht im Nachhinein eine kostspielige Nachentwicklung des Gerätes erfolgen muss.

Basis des Pre-Compliance-Messplatzes: ein Spektrumanalysator

Um einer eventuell drohenden Endlosschleife „Finaler EMI-Test nicht bestanden, also Nachentwicklung“ zu entkommen, empfehlen sich EMI-Pre-Compliance- Tests mit einem Spektrumanalysator, z.B. aus der Serie CXA von Agilent (www.agilent.com), zusammen mit einer generellen Signal-Charakterisierung. Die Spektrumanalysatoren der genannten Serie werden auch in professionellen Prüflabors für EMI-Tests eingesetzt, so dass man sich sicher sein kann, diese Vortests auch mit der entsprechenden Mess-Sicherheit durchzuführen. Sicher, es fehlt z. B. die abgeschirmte Kabine, wie sie die Prüflabors haben – jedoch mit Vergleichsmessungen kommt man hier auch sehr weit und kann, wenn man entsprechende „Sicherheitsabstände“ zu den vorgeschriebenen Grenzwerten einhält, davon ausgehen, dass das entwickelte Produkt die Zertifizierung bekommt. Bei diesen Pre-Compliance-Tests ist darauf zu achten, dass man die beiden Arten von EMI-Störungen berücksichtigt – also die „eingestrahlte“ und die galvanisch „direkt eingeleitete“ Störung. So können alle störungsverursachenden HF-Emissionen oder Emissionsspitzen schnell, kostengünstig und noch früh im laufenden Entwicklungsprozess erkannt und abgestellt werden.

Bevor jedoch mit einer Messung begonnen wird, muss man die richtigen Normen bestimmen. Diese richten sich einerseits nach den Ländern, in die exportiert werden soll, und andererseits danach, in welchen spezifischen Anwendungsbereichen das Produkt eingesetzt wird. Ein Auszug der gebräuchlichsten Normen ist in der Tabelle gelistet.

Messungen geleiteter Emissionen

Eine Messung geleiteter Emissionen gibt Aufschluss, welche Störungen z.B. durch eine Stromversorgung ins Netz abgegeben werden und welche Auswirkungen Störungen und Spannungsspitzen der Netzversorgung auf das neu entwickelte Gerät haben. Diese Messung lässt sich sehr einfach auf dem Labortisch durchführen. Die nötigen Instrumente für einen kostengünstigen Messplatz sind in Bild 1 dargestellt. Der Spektrumanalysator N9000A CXA, auf dem die zusätzliche Applikationssoftware W6141A läuft, ein LISN (Line Impedance Stabilization Network, Net zimpedanzStabilisierungsnetzwerk) und ein Begrenzer sind in diesem Fall nötig. Das LISN entkoppelt die Störungen, die vom DUT (Device under Test, Prüfobjekt) ausgehen, von der Netzleitung und führt sie dem Spektrumanalysator zu. Bild 2 zeigt die Schaltung und das Impedanzverhalten über der Frequenz. Der in die Signalleitung eingefügte Begrenzer (Limiter) schützt den Spektrumanalysator-Eingang vor Beschädigung, wenn große Transienten-Amplituden auftreten. Der typische abzudeckende Frequenzbereich reicht von 9 kHz bis 30 MHz für kommerzielle Anwendungen.

Messung gestrahlter Emissionen

Um Messungen gestrahlter Emissionen vornehmen zu können, benötigt man denselben Spektrumanalysator mit der notwendigen EMISoftware-Applikation und verbindet diesen mit einer bikonischen Antenne, die auf einem Dreibein montiert ist. Die Antenne muss einen Frequenzbereich von 30 MHz bis 1 GHz aufweisen; allerdings kann der Frequenzbereich bis 6 GHz reichen, je nach Norm, die zur Anwendung kommt. Den typischen Messaufbau zeigt Bild 3. Für höhere Frequenzbereiche kommen andere Antennen zur Anwendung.

Bei dieser Art Messung muss man darauf achten, dass andere Störer in der Umgebung beseitigt werden. Typischerweise macht man diese Messungen im Freifeld. Allerdings hat man auch hier Störeinflüsse, die es gilt, vor der Messung aufzunehmen und deren Frequenzlage und Feldstärke zu bestimmen. Hierbei bietet die EMISoftware W6141A einen erheblichen Vorteil: Durch einfaches Ein- und Ausschalten des Prüflings kann entweder das umgebungsbedingte Störspektrum oder das Gesamtspektrum aufgenommen werden; das „umgebungsbedingte“ Spektrum lässt sich dann vom Gesamtspektrum subtrahieren. Damit sind suspekte Signale herauszufiltern bzw. werden herausgerechnet, so dass nur noch die vom Prüfling abgestrahlten Signalanteile sichtbar werden. Bild 4 zeigt derartige fremde Störanteile. Die verwendeten Detektoren und die Auflösebandbreite der Applikationssoftware sind kompatibel zu den neuesten Vorschriften zum CISPR1611und MIL-Standard. Einzelne Spektralanteile, die die Grenzvorgabe der Normen verletzen, werden deutlich hervorgehoben und können in einem Balkendiagramm dargestellt werden. Mit dieser Darstellungsweise kann der Entwicklungsingenieur sehr schnell die Auswirkung erkennen, die eine mögliche Schaltungsänderung oder -schirmung ergibt.

EMI-Fehlersuche und Fehlerbeseitigung

Tritt der Fall auf, dass bei einer Baugruppe die Grenzwerte überschritten werden, so ist der Entwicklungsingenieur daran interessiert, von welchem Bauteil oder von welcher Unterbaugruppe die Störung ausgeht. Um dies herauszufinden, hat Agilent ein (im Laborjargon „Schnüffelprobes“ genanntes) Set entwickelt, das aus insgesamt vier Probes und zugehörigem Kabel besteht, die bis 3 bzw. 2 GHz einsetzbar sind. Streift man mit einer der Probes über die als Störer in Frage kommenden Bauelemente, so kann sehr leicht der „Übeltäter“ ermittelt werden. Durch entsprechende Abschirmung, Reduktion der Puls-Flanken-Steilheit oder eine Leitungsveränderung, meist eine Verkürzung der Signalleitungen, kann die Abstrahlung reduziert werden. Der Vorteil dieser Schnüffelprobes liegt nun darin, dass auch gleich eine Abschätzung des Gewinns an Signalabstand zu den Grenzlinien gemacht werden kann – eine Erleichterung im Optimierungsprozess.

Dieses Vorgehen ersetzt natürlich nicht die nach dem Optimierungsvorgang für die gesamte Schaltung oder das gesamte Gerät nochmals durchzuführende Freifeldmessung. Dieses Vorgehen gibt aber Aufschluss über die vom Gerät ausgehenden Störanteile. Auch „undichte“ Stellen an den Gehäusen, meist bei den Anzeigeelementen, aber auch an den Blechverbindungen zwischen Frontplatte und deren Seitenteilen, lassen sich mit einer derartigen Schnüffelprobe feststellen. Auch am Mechanik-Design oder bei den Spritzgussformen lassen sich so in einem frühen Stadium Fehlerquellen erkennen und ausmerzen. Bild 5 zeigt eine praktische Messung an einer Leiterplatte.

 

Über den Autor

Dipl.-Ing. Klaus Höing trat nach dem Studium der Elektrotechnik in Stuttgart 1980 bei Hewlett Packard (später Agilent), Böblingen, in den Entwicklungsbereich für Messtechnik ein. 1998 wechselte er in den Bereich Computertechnik bei Hewlett Packard als PR-Manager für die deutsche Niederlassung. Seit dem Frühjahr 2012 ist er bei der Firma dataTec in Reutlingen mit PR-Aufgaben betraut.

Der Artikel erschien in der Elektronik 15/2012.