Versuch T

Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel
Fachbereich Elektrotechnik
Prof. Dr.-Ing. M. Hampe, Dipl.-Ing. T. Müller, Dipl.-Ing. G. Hiller
EMV-Praktikum
EMV-Untersuchungen mit der TEM-Zelle
Gruppe:_________
Versuchstag:__________
Teilnehmer:___________________________
___________________________
___________________________
Vortestat:____________________________
Testat:
____________________________
SS 2010
-2-
1 Einführung
Bei der Untersuchung der Störfestigkeit elektrischer Geräte geht es neben den Gesichtspunkten zu elektrostatischen Entladungen, zu transienten Störgrößen und zu
niederfrequenten Magnetfeldern auch um hochfrequente schmalbandige elektromagnetische Störfelder. Bei der Prüfung eines Messobjekts ist einerseits eine definierte
Feldstärke bei einer gegebenen Frequenz zu erzeugen, andererseits muss natürlich
der Schutz der Umgebung beachtet werden. Beide Aspekte werden durch eine TEMZelle erfüllt, bei der sich eine Streifenleiteranordnung in einem geschirmten Gehäuse
befindet. Die Kurzbezeichnung TEM-Welle bezeichnet eine transversal-elektromagnetische Welle, bei der es nur Feldstärkekomponenten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung x gibt (Hx=Ex=0, Hy, Hz, Ey, Ez≠0). In dem räumlichen Bereich, in dem
ein Prüfling eingebracht werden kann, lässt sich ein näherungsweise homogenes
elektrisches Feld erzeugen. Die geforderte hohe Feldstärke von z.B. E=50 V/m wird
durch einen Sinusgenerator mit nachgeschaltetem Leistungsverstärker erreicht. Die
Funktionsfähigkeit des zu untersuchenden Geräts ist bei der jeweiligen Messfrequenz zu überprüfen. Orientierende Messungen von Störemissionen eines Geräts
sind mit der TEM-Zelle ebenfalls möglich.
Bild 1 zeigt schematisch die prinzipielle Geometrie einer TEM-Zelle mit Außenleiter,
planparallelem Innenleiter (Septum), Isolierplatte für den Prüfling, Anschluss der
Speiseleitung und Abschlusswiderstand (50 Ω). Die Abmessungen, wie sie durch die
verwendete Zelle gegeben sind, sind ebenfalls aus Bild 1 ersichtlich. Besonders
wichtig für die HF-Eigenschaften sind die Breite w des Innenleiters und sein Abstand
h von der Bodenplatte, sie ergeben den nutzbaren Frequenzbereich und das maximal mögliche Prüfvolumen. Die Höhe des Prüflings sollte den Wert h/3 nicht überschreiten. Der Wellenwiderstand dieser „koaxialen Rechteckleitung“ mit flachem,
rechteckförmigem Innenleiter beträgt Zw=50 Ω, passend zu den Ein- und Ausgangswiderständen der Generatoren und Messkomponenten, so dass keine unerwünschten Reflexionen entstehen. Die eingestellte Leistung wird mit einem Richtkoppler,
über den die Durchgangsleistung ermittelt wird, und einem Leistungsmesser kontrolliert. Weiterhin kann mit einer Feldsonde, die im oberen Feldraum der Zelle platziert
ist, die vorhandene elektrische Feldstärke überprüft und angezeigt werden.
-3-
Bild 1: Schematische (nicht maßstäbliche) Darstellung und Abmessungen der
verwendeten TEM-Zelle;
Parameter v=96 cm, w=72 cm, h=30 cm, lS=60 cm, lT=50cm.
Die Maße des Prüflings, die hier ungefähr maximal zulässig sind, können mit einer
Länge von 30 cm, einer Breite von 30 cm und einer Höhe von 15 cm angegeben werden.
Die hier anzuwendenden EMV-Normen sind in Tab. 1 aufgeführt.
EN 50082-1:
1992
VDE 0839
Teil 82-1
EN 61000-4-3: VDE 0847
1997
Teil 4-3
Fachgrundnorm Störfestigkeit Teil 1:
Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche
Prüfung der Störfestigkeit gegen hochfrequente
elektromagnetische Felder
Tab. 1: Geltende EMV-Normen.
-4-
2 Eigenschaften der TEM-Zelle
Da das in der Zelle erzeugte Feld (vgl. Plattenkondensator) fast homogen ist, erhält
man die elektrische Feldstärke
E=
U2
h
(1)
mit der zwischen den Platten anliegenden Spannung U2, die sich bei einer Quelle mit
dem Innenwiderstand R1=50 Ω und der Leerlaufspannung U0 (Leistungsverstärker)
sowie einem Abschlusswiderstand von R2=50 Ω ergibt, dessen Wert dem Wellenwiderstand Zw der Streifenleitung entspricht. Mit der Leistung P2=U22/Zw lässt sich die
Feldstärke durch die übertragene Leistung ausdrücken:
E=
P2 Z w
.
h
(2)
Neben dem Wellenwiderstand von Zw=50 Ω der Streifenleiteranordnung ist als Kenngröße der TEM-Zelle der Betriebsfrequenzbereich zu nennen, der nach oben durch
unerwünschte Hohlleiterwellen mit ihren Resonanzfrequenzen begrenzt ist. Diese
Wellentypen können in Hohlräumen angeregt werden und werden entsprechend
ihren Feldverteilungen in H-Wellen (TE-Wellen) und E-Wellen (TM-Wellen ) eingeteilt, ihre unteren Grenzfrequenzen hängen von den Abmessungen des Hohlraums
ab (siehe z.B. /1/, /2/). In einem Rechteckhohlleiter mit der Breite a und der Höhe b
besitzt der Wellentyp H10 mit einem Extremum der elektrischen Feldstärke Ez und
keinem Extremum von Ey (vgl. Bild 2) die untere Grenzfrequenz
f g |H 10 =
c0
,
2a
(3)
für den Typ H01 gilt entsprechend
f g |H 01 =
c0
.
2b
(4)
Durch c0=3⋅1010 cm/s wird die Lichtgeschwindigkeit angegeben, die im luftgefüllten
Hohlleiter maßgeblich ist. Mit den in Bild 1 angegebenen Abmessungen der hier ein-
-5-
gesetzten TEM-Zelle (a≈v=96 cm und b≈2h=60 cm) erhält man die Grenzfrequenzen
fg|H10≈156 MHz, fg|H01≈250 MHz. Allgemein lässt sich für den Wellentyp Hnm die Befg|H10≈156 MHz, fg|H01≈250 MHz. Allgemein lässt sich für den Wellentyp Hnm die
Beziehung (5) angeben.
f g |H nm =
c0 n 2 m 2
( ) +( )
2 a
b
(5)
Bild 2: Wellentyp H10 und Feldstärke Ez(x) bei H102-Resonanz im Rechteckhohlleiter
sowie H101-Welle im quaderförmigen Hohlraumresonator.
-6Besonders störend können sich die Eigenresonanzen der Zelle bemerkbar machen,
sie erzeugen eine Welligkeit der Feldverteilung, die im vorliegenden Fall zu unzulässigen Werten oberhalb von etwa 400 MHz führt. Als Kenngröße der Zelle wird ein
Welligkeitsfaktor von s=Umax/Umin=1.2 bis zu der genannten Frequenz angegeben.
Zur Abschätzung der hier auftretenden Resonanzfrequenzen kann ein quaderförmiger Hohlraumresonator mit den Querschnittsabmessungen a und b und der Länge l
herangezogen werden. Er besitzt die Resonanzfrequenzen
f r |H nmk =
c0 n 2 m 2 k 2
( ) +( ) +( )
2 a
b
l
(6)
für den Wellentyp Hnmk, wobei der dritte Index k=1, 2, 3⋅⋅⋅ die Anzahl der Extrema in
x-Richtung angibt. Beispielsweise für die H101-Resonanz (vgl. Bild 2) ergibt sich mit
a≈v=96 cm, b≈2h=60 cm und l≈lS+2lT/2=110 cm der Wert fg|H101≈207 MHz.
3 Testschaltung mit TTL-Oszillator für Störemissionsmessungen
Um zu zeigen, dass mit der TEM-Zelle auch (unkalibrierte) Messungen von Störemissionen möglich sind, wird im Rahmen einer Testschaltung ein Oszillatorbaustein vom
Typ TD308A eingesetzt, der periodische Rechtecksignale mit einer Folgefrequenz
von 16 MHz erzeugt (Bild 3).
Bild 3: Testschaltung zur Impulserzeugung.
-7Das zugehörige abgestrahlte Störspektrum soll untersucht werden. Zusätzlich kann
das Amplitudenspektrum durch Impulsformung über ein CR-Glied verändert werden
(Hochpass zur Erzeugung von Nadelimpulsen). Weiterhin kann mit der angeschlossenen Ausgangsleitung experimentiert werden, sie wirkt ungewollt als
Sendedipol. Es gibt die folgenden drei Varianten: eine kurze und eine längere
parallele Zwei-Draht-Leitung sowie eine verdrillte Leitung (twisted pair). Der Eingangswiderstand des Empfängers durch Rm=50 Ω gegeben ist. Der Innenwiderstand
des Senders beträgt ungefähr R1≈20 Ω, die sprungförmige Leerlaufspannung der
Impulsquelle ist Us≈5 V.
4 Versuchsdurchführung
4.1 Versuchsaufbau und Einsatzbedingungen
Der gerätetechnische Aufbau zur Prüfungsdurchführung beinhaltet folgende Komponenten:
•
Signalgenerator SMY 01, Fa. Rohde & Schwarz;
•
RF-Relais-Matrix PSU, Fa. Rohde & Schwarz;
•
Leistungsverstärker Modell 30 W 1000 M7, Fa. Amplifier Research;
•
Leistungsmesser Powermeter NRVD incl. Regelkreis, Fa. Rohde & Schwarz;
•
Feldstärkemessgerät FM 2000 mit Feldstärkesensor FP 2000, Fa. Amplifier
Research;
•
TEM-Zelle (80-400 MHz);
•
Abschlusswiderstand Mod. 8201 (50 Ohm, 500 W);
•
Rechnerarbeitsplatz für Störfestigkeitsprüfungen (Win 95, LabView);
•
Testschaltung mit TTL-Oszillator sowie mit Spektrumanalysator und mit Oszilloskop als Empfänger bei Emissionsmessungen.
Die Steuerung der einzelnen Komponenten in dieser Gerätekonfiguration übernimmt
das Visualisierungsprogramm LabView. Es arbeitet prinzipiell so, dass im Frequenzbereich von 80 MHz bis 400 MHz bei einer vordefinierten Schrittweite, eine frei
wählbare konstante Sollfeldstärke in der TEM-Zelle erzeugt werden kann.
Dabei wird der Prüfling entsprechend der Norm EN 61000-4-3 dieser Feldstärke permanent ausgesetzt. Die festzulegende Einsatzklasse des Prüflings bestimmt dessen
Prüfschärfegrad.
-8Prüfschärfegrade
Die Prüfschärfegrade müssen Bedingungen entsprechen, die weitestgehend mit den
tatsächlichen Installations- und Umgebungsbedingungen übereinstimmen. Der maximal anzuwendende Prüfschärfegrad entspricht einer zu wählenden Umgebungsklasse. Hierbei ist die Klasse 2 mit einer Prüffeldstärke von 3 V/m dem Heim- bzw. dem
Geschäfts- und Gewerbebereich zugeordnet, die Klasse 3 mit 10 V/m entspricht weitestgehend den Umgebungsbedingungen der Industrie. Dem hier zu prüfenden Gerät
wird in der Versuchsdurchführung die Umgebungsklasse X zugeordnet, die durch folgende Merkmale charakterisiert wird:
•
Klasse X ist ein offener Prüfschärfegrad, der vereinbart und in den jeweiligen
Produktnormen oder Gerätespezifikationen des Herstellers festgelegt werden
kann.
Prüffeldstärke:
Vorgabe des Herstellers, hier E=10 V/m.
Frequenzbereich: 80-400 MHz
4.2 Aufgabenstellung
4.2.1 Test der Zelleneigenschaften (ohne Prüfling)
Die Eigenschaften der TEM-Zelle sollen im Bereich von 80 MHz bis 400 MHz ohne
Prüfling getestet werden, indem die über einen Richtkoppler bestimmten Werte der
hin- und rücklaufenden Leistung sowie die Feldstärkekomponente Ez bei vorgegebener Generatorleistung programmgesteuert aufgezeichnet werden. Die Feldstärke
wird über einen Sensor in der TEM-Zelle gemessen, möglich sind die Messungen in
allen drei Richtungen sowie die Bestimmung der Gesamtfeldstärke. Es ist zu beachten, dass die z-Richtung im Steuerprogramm als x-Richtung bezeichnet wird. Für die
Sollfeldstärke soll in diesem Versuchsteil ein sehr weiter Toleranzbereich eingegeben werden, damit die Leistung hier nicht nachgeregelt wir, sondern konstant bleibt.
Der nutzbare Frequenzbereich ergibt sich aus diesen Ergebnissen. Weiterhin wird
deutlich, dass die eingespeiste Leistung bei der Störfestigkeitsprüfung mit konstanter
Feldstärke frequenzabhängig nachgeregelt werden muss.
Welche Leistung ist hier bei Beachtung des Signalgenerators und des Leistungsverstärkers ungefähr wirksam, wenn die vom Richtkoppler ausgekoppelte und über
einen Leistungsmesskopf ausgegebene Leistung hier um 40 dB geringer ist als der
wirkliche Wert ?
-94.2.2 Prüfung einer PC-Tastatur als Messobjekt
Am Beispiel eines vorgegebenen Messobjektes (Tastatur eines Personalcomputers)
sollen nach den einschlägig geltenden EMV-Normen die Störfestigkeitseigenschaften
in Abhängigkeit vom Einsatzbereich und der Umgebung des Prüflings ermittelt und
mit den normativen Störfestigkeitsanforderungen verglichen werden.
Als Prüffeldstärke (Gesamtwert) ist E≥10 V/m vorzugeben, mit Hilfe eines engen
Toleranzbereiches von beispielsweise ±0.1 V/m wird erreicht, dass die Sendeleistung
ausreichend genau nachgeführt wird. Man beachte, dass die Störempfindlichkeit
stark von der Lage des Tastaturkabels in der Zelle abhängt.
Abschließend sind die Ergebnisse zur Störfestigkeit in einem Prüfbericht auszuwerten und zu dokumentieren. Ein entsprechender Musterprüfbericht wird zur Verfügung
gestellt.
4.2.3 Messung von Störspektren
Die Störspektren, die von der TTL-Testschaltung ausgehen, sollen mit einem an die
TEM-Zelle angeschlossenen Spektrumanalysator als Messempfänger erfasst werden, und zwar für folgende Fälle:
a) Periodische Rechtecksignale, kurze Zwei-Draht-Leitung;
b) Periodische Rechtecksignale, lange Zwei-Draht-Leitung;
c) Periodische Rechtecksignale, verdrillte Leitung;
d) Nadelimpulse, verdrillte Leitung.
Es bietet sich an, die zeitlichen Verläufe der Ausgangssignale des Oszillators zu kontrollieren. Sie können mit einem Oszilloskop aufgezeichnet und über einen Drucker
ausgegeben werden.
Damit ergeben sich folgende Teilaufgaben:
1. Messung der Ausgangsspannung um(t) (direkt an der Testschaltung) mit
einem Oszilloskop, für beide Signalformen. Der Eingangswiderstand Rm des
Oszilloskops soll 50 Ω betragen.
2. Messung des Amplitudenspektrums der Ausgangsspannung (Konfiguration
entsprechend 1.);
3. Messung des Amplitudenspektrums des abgestrahlten Feldes für die vier Fälle
a) bis d) bei Anschluss des Spektrumanalysators an die TEM-Zelle (an Stelle
des Generators von 4.2.1 und 4.2.2).
- 10 4. Messung des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannung an der TEM-Zelle für
Fall a) mit dem Oszilloskop an Stelle des Spektrumanalysators. Hier müssen
sich im Vergleich zu um(t) von 1a) deutliche Unterschiede ergeben, weil das in
der TEM-Zelle gemessene Abstrahlverhalten stark frequenzabhängig ist.
Die Ergebnisse im Frequenzbereich sind kurz zu bewerten. Beim Vergleich der gemessenen und der berechneten Spektren ist zu beachten, dass bei den in der Vorbereitung ermittelten Amplitudenspektren die realen Verläufe der Signale nur grob
angenähert wurden. Zum direkten Vergleich müssen die in dB(µV) gemessenen
Werte A*(k) über A(k)=10(A*(k)/20) µV umgerechnet werden.
5 Versuchsvorbereitung
5.1 Leistungsbedarf
Welche Leistung ist für eine Feldstärke von E=30 V/m in der TEM-Zelle theoretisch
erforderlich und welche Leerlaufspannung U0 einer Quelle mit Innenwiderstand
R1=50 Ω (Leistungsverstärker) folgt daraus ?
5.2 Eigenfrequenzen der TEM-Zelle
Berechnen Sie die fr|Hnmk-Resonanzfrequenzen der TEM-Zelle nach (6) im Bereich
bis 500 MHz. Es gilt k≥1 in Verbindung mit n≠0 oder m≠0 oder n,m≠0.
5.3 Spektren der TTL-Oszillator-Ausgangssignale
Berechen und skizzieren Sie die Amplitudenspektren der folgenden periodischen
Signale:
a) Rechtecksignal mit um(t)=Usm=2 V für 0≤t<T1 und u(t)=0 für T1≤t<T0 mit der Periode T0=1/16⋅10-6 s sowie der Impulsdauer T1≈0.45⋅T0≈28 ns.
b) Periodisches Trapezsignal mit um(t)=Usm⋅t/Tr für 0≤t<Tr, u(t)=Us für Tr≤t<T1-Tf und
u(t)=Us⋅[1-(t-(T1-Tf))/Tf] für T1-Tf≤t<T1 sowie u(t)=0 für T1≤t<T0. Dabei sind Tr=5 ns
die Anstiegszeit und Tf=5 ns die Fallzeit. Die Impulsdauer beträgt Tpw=24.5 ns, so
dass hier T1=Tr+Tpw+Tf=34.5 ns gilt. Damit soll das reale, nicht exakt trapezförmige
Signal angenähert werden.
- 11 Die Fälle a) und b) gehen von idealisierten Ausgangssignalen der vorliegenden
Schaltung aus (siehe Bild 3, Schalter geschlossen; Us=5 V als maximale Leerlaufspannung der Quelle). Zur Auswertung können Programme wie SPICE, MathCad oder MATLAB verwendet werden. Bei SPICE kann die Option „FOURIER“ im
Rahmen der Transientenanalyse genutzt werden. Zur direkten Berechung des
Amplitudenspektrums sind die Fourierkoeffizienten |Uk| durch Integration über eine
Periode T0 zu berechnen, es gilt dann für das Spektrum Ak=2⋅|Uk|, A0=U0.
6 Literatur
/1/ Meinke/Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Band 2 (Komponenten); Springer, 1986.
/2/ Zinke/Brunswig: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Band 1; Springer, 1986.