EMV Versuch 2

KARL-HEINZ-STRAUSS-INSTITUT
für HOCHSPANNUNGSTECHNIK
und EMV/EMB
Prof. Dr.Ing. Adolph
Laborpraktikum im Wintersemester 2016/2017
Nummer und Bezeichnung des Versuches:
EMV V2
Transiente Störvorgänge
Burst und Surge
(EMV – Puls-Prüfung)
Name:
Matr.:Nr.:
Anwesend:
Mitarbeiter:
Gruppe:
Abgabe:
Betreuender Laboringenieur: Dipl.-Ing. N.Bartscher
Anerkannt
Bemerkungen:
2016/2017
Datum:
ElectricFastTransient - Surge
Inhalt
1
Motivation ............................................................................................................................................. 3
2
Theoretische Grundlagen .......................................................................................................... 3
2.1
Allgemeine Begriffsdefinitionen ................................................................................... 4
2.2
EFT/Burst ....................................................................................................................................... 6
2.3
Stoßspannung/Surge ........................................................................................................... 7
2.4
Schärfegrade ............................................................................................................................ 8
2.5
Messverfahren und Darstellungsformen............................................................. 9
3.
Versuchsvorbereitung ............................................................................................................... 11
4.
Versuchsdurchführung .............................................................................................................. 14
4.1
Allgemeine Hinweise: ........................................................................................................... 14
4.2
Transiente Überspannungen ........................................................................................... 15
4.3
Entstörmaßnahmen für transiente Überspannungen ............................... 15
4.4
Burst-Prüfung ........................................................................................................................... 15
5.
Auswertung ........................................................................................................................................ 16
6.
Literatur ............................................................................................................................................... 18
2
ElectricFastTransient - Surge
1
Motivation
Elektrische Betriebsmittel jeglicher Art müssen an ihrem Einsatzort funktionieren.
Elektrische Einflussgrößen dürfen an elektrischen Geräten zu keiner Störung oder Zerstörung führen.
Im Rahmen dieses Versuches sollen die transienten Störgrößen untersucht und anschließend mit industriellen
Methoden simuliert werden, sodass an einzelnen Geräten der Nachweis der Störfestigkeit erbracht werden kann.
2
Theoretische Grundlagen
Elektrische Betriebsmittel jeglicher Art müssen an ihrem Einsatzort funktionieren.
Atmosphärische Einflussgrößen wie Temperatur oder Luftfeuchte und elektrische Einflussgrößen wie
elektromagnetische Felder oder Transiente- bzw. einmalige, schnelle Störgrößen dürfen an elektrischen Geräten
zu keiner Störung oder Zerstörung führen. Rechtlich wird dies in EG-Richtlinien geregelt und durch die CEKennzeichnung auf den Geräten dokumentiert.
Jeder Hersteller (lt. Rechtsprechung Händler = Hersteller) hat den Nachweis der CE-Konformität seiner
Produkte zu erbringen, will er nicht empfindliche Geldbußen oder die Absetzung seiner Produkte riskieren.
Tabelle 1: Übersicht über transiente Störgrössen (pulsed emi threats)
Elektrostatische
Entladungen (ESD)
Super fast < 1ns
Geringe Energie
Nadelimpulse – Burst
(EFT)
Fast 5ns
Mittlere Energie
Stoßspannungen
(Surge)
Surge 1µs
Hohe Energie
Burst-Prüfung: Beim Schalten induktiver Kreise entstehen oft hochfrequente Impulspakete (Burst), die ihre
Ursache im Vorzünden von Gasstrecken oder durch mehrfaches Rück- und Wiederzünden an Schaltkontakten
haben.
Diese, durch Schaltphänomene entstandene, Breitbandstörungen pflanzen sich in den Versorgungsleitungen fort
oder koppeln sich kapazitiv in Steuerleitungen ein. Angeschlossene elektronische Betriebsmittel können bei
einem solchen elektrischen Stress Fehlfunktionen oder Ausfälle zeigen.
Surge-Prüfung: Durch Schalthandlungen im Netz oder durch direkte und indirekte Blitzeinschläge können
energiereiche Überspannungsimpulse an den Stromversorgungs- und Verbindungsleitungen von Geräten
anliegen. Zweck dieser Prüfung ist die Festlegung von allgemeinen Bewertungskriterien für die Beurteilung des
Betriebsverhaltens von Betriebsmitteln, wenn solche energiereichen Störgrößen den Stromversorgungsleitungen
oder Verbindungsleitungen ausgesetzt sind.
Bild 1 Mikroskopaufnahme eines
zerstörten Microchips durch
transiente Überspannung
3
ElectricFastTransient - Surge
2.1 Allgemeine Begriffsdefinitionen
•
•
Elektromagnetische Verträglichkeit -EMV- (engl. EMC - electromagnetic compatibility) ist die
Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung (EUT ... Equipment under Test) in ihrer elektromagnetischen
Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren und dabei diese Umgebung, zu der auch andere
Einrichtungen gehören, nicht unzulässig zu beeinflussen.
Elektromagnetische Beeinflussung -EMB- (engl. EMI - electromagnetic interference) ist die
Einwirkung elektromagnetischer Grössen auf Stromkreise, Geräte, Systeme oder Lebewesen.
UMWELT
MENSCH
Blitzentladung
Elektro-Magnetischer-Puls
Kosmische Strahlung
Wetter
Fehlbedienung
Elektrostatische Entladung (ESD)
EUT
Temperatur
Ableitströme (kapazitiv)
Magnetfeldbeeinflussungen
Koronaentladungen
H/E-Feld
kapazitive Kopplung
induktive Kopplung
galvanische Kopplung
ENERGIE
ELEKTRONIK
Bild 2 Beeinflussungsmodell
1
I12
I10
2
EUT
I20
I10, I20,
I12
unsymmetrischer Störstrom
symmetrischer Störstrom
Bild 3: Störgrößen auf einer Doppelleitung
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Störgrösse ist eine elektromagnetische Grösse, die in einer elektrischen Einrichtung eine unerwünschte
Beeinflussung hervorrufen kann.
Störquelle ist der Ursprung von Störgrössen.
Störsenke ist die elektrische Einrichtung, deren Funktion durch eine Störgrösse beeinträchtigt wird.
Symmetrische Störgrössen (differential mode; Gegentaktstörungen) sind Ströme oder Spannungen, die
zwischen den Adern einer elektrischen Einrichtung auftreten. Symmetrische Störgrössen haben auf den
Adern einer Doppelleitung eine entgegengesetzte (differential mode) Ausbreitungsrichtung.
Unsymmetrische Störgrössen (Gleichtaktstörungen) sind Ströme und Spannungen, die zwischen den
Adern einer elektrischen Einrichtung und Erde auftreten.
Unsymmetrische Störgrössen haben auf den Adern einer Doppelleitung die gleiche
Ausbreitungsrichtung.
Asymmetrische Störgrössen (common mode) sind die vektoriellen Summen von symmetrischen und
unsymmetrischen Störgrössen.
Störfestigkeit ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, Störgrössen bestimmter Höhe ohne
Fehlfunktion zu ertragen.
Störschwelle ist der kleinste Wert einer Störgrösse, der in einer Störsenke eine Fehlfunktion bewirkt.
4
ElectricFastTransient - Surge
•
•
•
•
Qualitätsverlust ist die unerwünschte Änderung des Betriebsverhaltens einer elektrischen Einrichtung
aufgrund einer elektrischen Beeinflussung. Dies bedeutet nicht unbedingt Fehlfunktion oder Ausfall.
Empfindlichkeit ist das Merkmal eines elektronischen Betriebsmittels, unerwünschte Reaktionen zu
zeigen, wenn es elektromagnetischer Energie ausgesetzt ist.
Transiente Störvorgänge („Einmal-Impulse“; Spikes) sind kurzzeitige, z.T. einmalige
Übergangsvorgänge (Leistungsänderungen) an elektronischen Geräten, die zu unerwünschten
Beeinflussungen führen können.
Schärfegrade werden für die ESD- EFT- und Surge-Prüfungen empfohlen.
Bild 4: atmosphärische Überspannungen
5
ElectricFastTransient - Surge
2.2 EFT/Burst
(eng. EFT electric fast transient) Eine Folge schneller transienter elektrischer Störgrössen/Burst.
•
•
•
•
Koppelnetzwerk - Elektrische Schaltung mit dem Zweck der Energieübertragung von einem Kreis in
einen anderen.
Entkoppelnetzwerk - Elektrische Schaltung, die verhindert, dass EFT-Spannungen, mit denen der
Prüfling beaufschlagt wird, andere Einrichtungen, Geräte und Systeme, die nicht geprüft werden,
beeinflussen.
Koppelzange - Gerät mit festgelegten Maßen und Eigenschaften zur Übertragung der Störgrösse als
asymmetrisches Signal auf die zu prüfende Schaltung, ohne dass eine galvanische Verbindung zu jener
besteht.
(Bezugs-)Masseplatte - Eine ebene leitfähige Oberfläche, deren Potenzial als gemeinsamer
Bezugspunkt verwendet wird.
r
Bu
-P
t
s
tz
a
l
fp
rü
> 100 cm
DU
T
Be
z
•
ug
sm
as
Bu
ge rstne
ra
to
r
Bu
rs
tg
se
80 cm
typischer Verlauf eines Burst-Einzelimpulses -
Bild 5: Prüfaufbau zur Burstsimulation
6
en
er
at
or
ElectricFastTransient - Surge
2.3
Stoßspannung/Surge
Stoßspannung/Surge (eng. Surge) Ein energiereicher Puls verursacht durch Blitzentladungen oder
Schalthandlungen in Energienetzen.
EUT (engl. DUT) Das zu prüfende Betriebsmittel
e
rg
u
S
-P
tz
a
l
fp
rü
> 100 cm
EU
T
Be
zu
gs
m
•
Su
ge rge
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to
r
as
se
80 cm
typischer Verlauf einer Surge-Entladung -
Bild 6: Prüfaufbau zur Surge - Simulation
7
ElectricFastTransient - Surge
2.4
Schärfegrade
In diesem Kapitel sind die Schärfegrade der ESD-, EFT- und Surge-Prüfungen aufgelistet. Diese unterteilen sich
in Prüfungsarten sowie in Spannungsebenen.
Tabelle 2: Schärfegrade für Burst und Surge Prüfungen
Schärfegrade für die Burst-Prüfung (EN 61000-4-4; VDE 0847 T 4-4; IEC 61000-4-4)
Schärfegrad
1
2
3
4
Prüfspannung ± 10%
auf Stromversorgungsleitungen
0,5 kV
1 kV
2 kV
4 kV
Prüfspannung ± 10%
auf Signal-, Steuer- und Datenleitungen
0,25 kV
0,5 kV
1 kV
2 kV
Schärfegrade für die Surge-Prüfung (EN 61000-4-5, VDE 0847 T 4-2; IEC 61000-4-5)
Schärfegrad
Leerlaufspannung ± 10%
kV
1
2
3
4
0,5
1
2
4
Tabelle 3: Elektromagnetische Verträglichkeit einiger Halbleiterbauteile und Baugruppen
Kritische Energiebeträge von Bauelementen (burn out)
CMOS
schnelle diskr.Halbleiter
Low-Power-Transistoren
Medium-Power-Tansistoren
Relais
High-Power-Transistoren
0.000001 Joule
0.00001 Joule
0.0001 Joule
0.1 Joule
0.1 Joule
10.0 Joule
Empfindlichkeit elektronischer Halbleiterfamilien gegen
elektrostatischen Entladungen
VMOS
Op-Amp
CMOS
ECL
Schottky TTL
30 - 1800
190 - 2500
250 - 3000
500 - 1500
1000 - 2500
Volt
Volt
Volt
Volt
Volt
Stoßdurchschlag- bzw. -Überschlagspannung von:
Starkstromgeräten
IT-Geräten
Elektr. Schaltungen und Halbleiter zwischen den Klemmen
5.0 - 8.0 kV
1.0 - 3.0 kV
0.005 - 0.1 kV
Hinweis: Die Tabellen zeigen keine absoluten Grenzwerte sondern nur Größenordnungen!
8
ElectricFastTransient - Surge
Messverfahren und Darstellungsformen
2.5
Leitungsgeführte transiente Störgrößen können im Zeitbereich mit Speicheroszilloskopen (DSO), Signalanalysatoren (DSA) oder Speichervoltmetern gemessen werden. Die Darstellung der Störgröße erfolgt durch den
300V/div
Sub-Burst
Ausschwingvorgang
2 µs/div
Burst
Bild 7: Zeitverlauf einer realen Überspannung
„wahren“ Zeitverlauf oder die maximalen Amplitude des Impulses bzw. des Impulspaketes.
Die Kennzeichnung solcher Störvorgänge kann nach folgenden Gesichtspunkten erfolgen:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
maximale Spannungsamplitude,
maximale Spannung (Spitze-Spitze),
Dauer der maximalen Anstiegsflanke,
Dauer der minimalen Anstiegsflanke,
maximale Spannungssteilheit,
Gesamtdauer eines „Burst“ (Impulspaket),
Dauer eines „Sub-Burst“,
Hochfrequenz,
Frequenz im mittleren Bereich,
Häufigkeit von Transienten mit einer Amplitude größer als 0,4 ⋅ Umax,
•
-
Energieinhalt,
etc..
Eine weitere Möglichkeit der Beurteilung von Störgrößen ist die Korrelation dieser Parameter.
Die Messung von Störgrößen im Zeitbereich liefert ein anschauliches Abbild einer Störung und eignet sich
besonders für Detail-Untersuchungen.
Die Messung von Störgrößen im Frequenzbereich erfolgt bei transienten Vorgängen durch Aufzeichnung im
Zeitbereich und anschließender Überführung in den Frequenzbereich (FFT-Rechnerprogramm). {FFT ... fast
fourier transformation}
Die Störgröße (Strom oder Spannung) wird in ihre einzelnen Frequenzanteile zerlegt und in Form eines
Amplitudendichtespektrums dargestellt.
Zur Simulation leitungsgebundener Störgrößen verwendet man Entladekreise mit Speicherkondensatoren.
9
ElectricFastTransient - Surge
Bild 8: Burst – Simulation mit PSpice
1.00KV
0.75KV
0.50KV
0.25KV
0V
0s
40ns
80ns
120ns
160ns
200ns
V(R1:1)
Time
2.0
1.0
SEL>>
0
1.0MHz
20*log10(V(R1:1)/1)
3.0MHz
10MHz
Frequency
10
30MHz
100MHz
ElectricFastTransient - Surge
Bild 9: Surge – Simulation mit PSpice - Darstellung des Prüfimpulses im Zeit und Frequenzbereich
1.0KV
0.5KV
0V
0s
50us
100us
150us
200us
V(R3:2)
Time
5.0
2.5
SEL>>
0
10KHz
20*log10(V(R3:2)/1)
100KHz
1.0MHz
Frequency
11
10MHz
82MHz
ElectricFastTransient - Surge
3.
Versuchsvorbereitung
•
Welches Ziel haben Störfestigkeitsprüfungen?
•
Welche normierten Prüfimpulse zur Störfestigkeitsprüfung sind üblich?
Machen Sie einen tabellarischen Vergleich der einzelnen Impulse und deren Kenngrößen.
(Anstiegszeit, Dauer, Amplitude und Energiegehalt)
•
Welche Abtastrate (sample/sec) muss ein digitales Speicheroszilloskop (DSO) haben, damit ein
Burst Impuls aufgezeichnet werden kann? (Begründung erforderlich)
12
ElectricFastTransient - Surge
•
Zeichnen Sie die Strom/Spannungskennlinie eines Varistors (spannungsabhängiger Widerstand) auf?
•
Durch welche Maßnahmen können Überspannungen verhindert werden?
13
ElectricFastTransient - Surge
4.
4.1
Versuchsdurchführung
Allgemeine Hinweise:
• zu jedem Versuchsteil ist eine vollständige Gerätestückliste (Leistungsangaben der Geräte) anzufertigen.
Zu den Leistungsangaben zählen insbesondere:
•
• die Art des Gerätes,
• der Bereich der einzustellenden Prüfparameter,
• die Messbereiche, die Bandbreite,
• die Messgenauigkeit,
• usw.
die aufgenommenen Diagramme oder Messkurven sind sofort vollständig zu beschriften.
Zu einer vollständigen Beschriftung gehören mindestens folgende Punkte:
• Überschrift…….
Sie beschreibt die Art der gemachten Messung.
• Achsenbeschriftung……. Sie gibt die gemessenen physikalischen Größen an (nicht zu verwechseln mit
den Einstellgrössen der Messgeräte.
• Parameterbeschriftung… Sie gibt bei mehreren Messkurven die Messparameter an.
• Geräteeinstellwerte…... Die Messbereiche und Masstabsfaktoren der Messgeräte ermöglichen die
Beurteilung der Messunsicherheit.
14
ElectricFastTransient - Surge
4.2
Transiente Überspannungen
Bei der in Bild 10 vorgegebenen selbstkontrollierende Sicherheitsschaltung (Anwendungsbeispiel:
Notausschalter für Speicherprogrammierbare Steuerung) wird der Schalter S1 bzw. S2 ein- und ausgeschaltet.
Die entstehende transiente Überspannung an der Induktivität bzw. Schütz K1 wird gemessen und aufgezeichnet.
S1
S2
K1
230 V
50 Hz
43
L1
44
T1
K2
24 V (DC)
L1
43
T1
44
K3
71
61
13
14
71
62
61
71
82
81
72
62
72
82
72
K4
81
A1
K1
13
14
A1
K2
A1
K3
A2
A2
A1
K4
A2
A2
60 dB
DSO
Üss
Drucker
Bild 10: Versuchsschaltung transiente Überspannung
4.3
Entstörmaßnahmen für transiente Überspannungen
Es soll versucht werden die Störquelle aus 4.2 mit einem Varistor zu bedämpfen.
Bei der Dimensionierung der Störbedämpfungsschaltung muss die Funktionstüchtigkeit der „Nutzschaltung“
gewährleistet sein. (Kenndaten der Bauelemente beachten)
Die jeweilige Entstörmaßnahme ist in die Schaltung (Bild 10) einzutragen .
Anschließend wird wie unter 4.2 die verbleibende Störspannung aufgezeichnet.
4.4
Burst-Prüfung
Die Funktionsfähigkeit eines elektronischen Gerätes bei Belastung mit hochfrequenten Nadelimpulsen (Burst)
soll untersucht werden.
•
•
•
Fertigen Sie eine Skizze des Versuchsaufbaues an!
Ermittlung der Störschwelle durch Variation der Ladespannung am Burst-Simulator.
Protokollieren Sie Art der Prüfungen, Art der Fehlfunktionen, Höhe der Störschwellen.
Verwenden Sie das beigefügte Protokollpapier (Einstelldaten der Messgeräte nicht vergessen).
15
ElectricFastTransient - Surge
Auswertung
5.
1) Ermitteln Sie aus den Aufzeichnung von 4.2:
•
•
•
•
•
•
•
maximale Spannungsamplitude,
Dauer der maximalen Anstiegsflanke,
maximale Spannungssteilheit
maximale Spannung (Spitze-Spitze),
Dauer eines „Sub-Burst“ (Einzelimpuls),
Wiederholfrequenz der „Sub-Burst“ (Einzelimpulse)
Energieinhalt eines Sub-Bursts an einer 50 Ohm-Last,
Tragen Sie die ermittelten Kennwerte zusätzlich in die Messdiagramme aus 4.2 ein!
16
ElectricFastTransient - Surge
2) Diskussion der Ergebnisse aus 4.2:
• Wodurch entstehen die festgestellten Überspannungen?
•
Erklären Sie die Funktionsweise gewählten Endstörmaßnahme
3) Nennen Sie weitere Abhilfemaßnahmen zur Vorbeugung und Beseitigung von Überspannungs-Problemen!
17
ElectricFastTransient - Surge
6.
Literatur
U. Adolph
Elektromagnetische Verträglichkeit
Vorlesungen an der HS Düsseldorf
J.Wilhelm
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV),
Expert-Verlag
D.Stoll
Elitera-Verlag,
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC),
K.Fleck
Elektromagnetische Verträglichkeit in der
Praxis, VDE-Verlag,
E.Habiger
VDE-Verlag,
Handbuch Elektromagnetische Verträglichkeit,
E.Habiger
Elektromagnetische Verträglichkeit,
Hüthig-Verlag, 1
F.Hölzel
EMV-Theoretische und praktische Hinweise für
den Systementwurf, Hüthig-Verlag,
T.N.Bhar,
E.J.Mc Mahon
Electrostatic Discharge Control, Hayden,
P.Panzer
Praxis des Überspannungs- und Störspannungsschutzes, Vogel-Verlag,
D.Peier
Hüthig-Verlag,
Elektromagnetische Verträglichkeit
A.Schwab
Elektromagnetische Verträglichkeit
Springer-Verlag,
Nachweis der Störfestigkeit gegen die Entladungen statischer Elektrizität
Prüfvorschrift:
EN 61000-4-2, VDE 0847 T 4-2;
Nachweis der Störfestigkeit gegen schnelle transiente Störgrößen (Burst)
Prüfvorschrift:
EN 61000-4-4; VDE 0847 T 4-4;
Nachweis der Störfestigkeit gegen Stoßspannungen
Prüfvorschrift:
EN 61000-4-5; VDE 0847 T 4-5;
Fachgrundnorm – Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche
sowie Kleinbetriebe
Prüfvorschrift:
EN 61000-6-1; VDE 0839 T 6-1
18
ElectricFastTransient - Surge
BURST
Allgemeine Angaben zum Prüfling
Repräsentative Betriebsbedingungen des Prüflings
Prüfling:
_______________________
Betriebsart:
Typ:
_______________________
Versorgungsspannung: _____________________________
Serien-Nr.:
_______________________
Hilfsspannung:
______________________________
Hersteller:
_______________________
Eingangsgrößen:
______________________________
Modifikation: _______________________
Eingangsgrößen:
______________________________
Meß- / Prüfgeräte: Schlöder
Tischgerät:
Standgerät:
Oberfläche
isolierend:
nichtisolierend:
Meßort:
Prüfpunkt
L1.20Meß- / Prüfgeräte:
Burstfrequenz
Burstlänge
Prüfspannung
Prüfdauer
(kHz)
(ms)
(kV)
(s)
Koppelart
Bemerkungen: N....Koppelnetzwerk; K....Koppelzange
_____________________________




Meß- /Auslösewert
vor / bei / nach
der Prüfung
Temperatur:
__________
Druck:
__________
rel. Luftfeuchte: __________
Bewertung
Schärfegrad
Auftrags.-Nr:
Industriebereich: 2/1 kV
Wohnbereich:
1/0,5 kV
19
Seite: