Auswirkungen der Blitze auf Elektroniksysteme

Auswirkungen der Blitze auf Elektroniksysteme
(IEC 61000-4-5 ED3)
Martin Lutz, EMC PARTNER
Abstrakt
Die Häufigkeit der Blitze und deren Intensität nimmt infolge der globalen Erwärmung zu, und damit auch die
Auswirkungen der Blitze auf Elektroniksysteme. Nach einer kurzen Einführung in das Phänomen Blitz wird auf die
indirekte Blitzsimulation in verschiedenen Bereichen wie: Flugzeugelektronik, Verbraucher in Industrienetzen und
Hauhaltgeräten eingegangen.
Es werden die Änderungen in der Surge Norm IEC 61000-4-5 Ed.3 besprochen. Diese Störfestigkeitsprüfung,
definiert in der IEC/EN61000-4-5, wird weltweit angewendet für die indirekte Blitzsimulation an Elektronikgeräten im
Haushalt und im Industriebereich. Die dritte Ausgabe (Status FDIS) ist eine inhaltlich komplett überarbeitete Norm,
die zu Beginn des Jahres 2014 veröffentlicht wird. Im Vortrag wird aufgezeigt, wo die wesentlichen Änderungen
zwischen ED2 und ED3 liegen und welche Verbesserungen für den Anwender das Dokument enthält. Verantwortlich
für diese Norm ist TC77B Arbeitsgruppe MT12
Sprache des Vortrages
Deutsch, Folien Englisch
Vortragender
Name: Lutz
Vorname: Martin
Firma: EMC-PARTNER AG
e-mail: [email protected]
Zur Person:
Martin Lutz ist Gründer und Inhaber von EMC PARTNER AG. Er ist seit über 30 Jahren in der EMV-Standardisierung
von IEC TC77A und TC77B tätig. Für die Arbeit in dem Bereich der Elektromagnetischen Verträglichkeit in der IEC
wurde er mit dem 1906 AWARD ausgezeichnet. Weltweit hat er Seminare abgehalten, an Symposien Fachbeiträge
beigesteuert und Bücher zur EMV Prüfthematik veröffentlicht.
Abstract EMC PARTNER
EMC PARTNER AG ist eine 20-jährige Firma mit Sitz in Laufen Schweiz. Das Ziel der Firma ist die Entwicklung von
qualitativ, hochstehenden Impulsgeneratoren, deren Fertigung und weltweiten Vertrieb. Das Kerngeschäft sind
Impulsgeneratoren im Bereich von einigen Volt bis 200kV und Impulsströme im Bereich von einigen A bis zu 100kA.
Zwei-Drittel der Belegschaft von 35 Personen sind Ingenieure und Fachkräfte. Alle namhaften Firmen in den Industrie
Bereichen: Elektrische Energieversorgung, Flugzeugelektronik, Automobilelektronik, Telekommunikation, Militär, usw.
sind Kunden von EMC PARTNER AG.
Kapitel 1
Als Einleitung zu meinem Referat, zeige ich die
Entstehung des Blitzes in Zeitlupe. Auf diesem
Video ist sehr schön ersichtlich, wie der Blitzkanal
langsam vorwächst, bis die Hauptentladung
erfolgt. Bei jedem Schritt des Blitzkanals werden
Störungen ausgesandt, die Elektronik Kreise
stören können. Auch ist sehr schön ersichtlich,
wie von den Gebäuden Entladungen ausgehen,
wenn die Einsatzfeldstärke überschritten wird. Zu
Beginn der Entstehung des Blitzkanales ist nicht
absehbar, in welches Gebäude der Blitz
einschlagen wird. Das mehrmalige Aufleuchten
des Blitzkanals zeigt, dass der Blitz meistens nicht
aus einer Einzelentladung sondern aus mehreren
Entladungen besteht. Die IEC 61000-4-5 ED3
definiert die Prüfung als Einzelentladung des
Blitzanteils über verschiedene Koppelwege in Gebäuden und Industrieanlagen im Prüflabor. Andere Normen wie
RTCA/DO160 oder EUROCAE definieren die indirekte Blitzeinwirkung in Flugzeugelektronik mit Einzel- und
Mehrfachimpulsen. Aus den gesammelten Daten von Flugzeugen kann ermittelt werden, dass in etwa alle 1000
Flugstunden ein Flugzeug von einem Blitz beeinflusst wird.
Das nächste Video zeigt einen Blitzeinschlag in
ein Flugzeug beim Start auf einem japanischen
Flugplatz. Das Flugzeug wird zu einem Teil des
Blitzkanals. Der Blitz trifft das Flugzeug an der
Nase und tritt am Ende des Flugzeuges wieder
aus. Die Flugzeuge sind so konstruiert, dass der
Blitzstrom in definierten Bahnen über das
Flugzeug fliesst. Die Erfahrung der Vergangenheit
zeigt, dass noch kein Flugzeug nach einer
Blitzeinwirkung abgestürzt ist. Die ist auf die
komplexe Blitzprüfung bei Flugzeugelektronik
zurückzuführen.
Die Prüfung der Flugzeugelektronik erfolgt mit
Einzelimpulsen, Mehrfachimpulsen und Bursts,
sowie verschiedenen Impulsformen je nach
Kopplung und verwendetem Material (Aluminium
oder Kohlenfaserstoffe).
Diese beiden Beispiele zeigen, dass die indirekte
Blitzprüfung der Umgebung, dem Prüfling und den
möglichen Folgeschäden angepasst wird. Die
Erfahrung der Praxis zeigt, dass die Kompromisse in beiden Normen ausreichend sind, da einmal im Labor geprüfte
Geräte in der Praxis störfest sind gegen induzierte oder indirekte Blitzeinwirkungen.
Die Historie der „SURGE“ Norm hat mit der IEC 801-5 in den 70-Jahren begonnen und wurde in den 80-Jahren in die
IEC 61000-4-5 überführt. Im nachfolgenden werden die Unterschiede zwischen der Ausgabe 2 und der
bevorstehenden Ausgabe 3 aufgezeigt.
Bevor auf die technischen Änderungen der ED3
eingegangen wird, sei die Frage erlaubt, wie viel
so eine Überarbeitung einer Basisnorm kostet
Wenn man die notwendigen Sitzungen mit den
Anzahl Teilnehmern und einen Stundenansatz
von 100 CHF multipliziert und die Reisekosten
miteinbezieht, so hat die Überarbeitung von der
IEC 61000-4-5 von ED2 auf ED3 etwas mehr als
650 KCHF gekostet.
Die einzelnen, durchgeführten Schritte können der
nebenstehenden Folie entnommen werden.
Für eine neue Norm wird etwa 5 Jahre und für
eine Überarbeitung etwa 3 Jahre gebraucht.
Nach einer Veröffentlichung bleibt der technische
Inhalt für meistens 5 Jahre unverändert gültig.
Die Ausgabe 3 beinhaltet eine grosse Anzahl
Veränderungen, basiert aus den Erfahrungen mit
der Ausgabe 2.
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Kapitel 1
Diese Veränderungen werden nachstehend im
Detail aufgezeigt. Die nachstehende Folie listet
die Punkte auf, die verändert wurden. In den
folgenden Folien werden die einzelnen Punkte
detailliert beleuchtet und besprochen.
In der Ausgabe 2 waren zwei Impulsformdefinitionen nach IEC 60060 und IEC 60499
vorhanden. Je nach Anwendung der beiden
Definitionen haben die Prüflinge in akkreditieren
Labors die Prüfungen bestanden oder eben auch
nicht bestanden.
In der Ausgabe 3 sind die beiden Definitionen
durch eine einzige Impulsformdefinition, spezifisch
für IEC 61000-4-5 ersetzt worden. Die neue
Definition kann sehr einfach mit den heutigen
Messgeräten wie DSO angewendet und die
Impulsform automatisch ausgewertet werden.
Bei der Spannung wird die Frontzeit weiterhin
zwischen 30 und 90% x 1.67 ermittelt. Für die
Rückenzeit wird neu nur noch 50/50%
zugelassen. Die Zeiten der Impulsform sind gleich
geblieben „SURGE“ 1.2/50 µs.
One clear Definition no longer IEC 60060 and IEC 60469
Für die Definition des Stromes gestaltet sich die
Definition etwas schwieriger, da die Rückenzeit
bei der 50/50% Auswertung von der Frontzeit
beeinflusst wird. Der Strom ist auch abhängig von
der Kopplungsimpedanz. Die Faktoren 1.18 und
1.04 wurden durch Simulation und durch
ausgiebige Messungen in einem ersten Schritt bei
allen namhaften Generatorherstellern ermittelt.
Anschliessend wurden die Faktoren auch bei
Kalibrationen bei Kunden an schon ausgelieferten
Generatoren überprüft und akzeptiert.
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Kapitel 1
Ein weiteres Problem der Ausgabe 2 besteht beim
Kurzschlussstrom, gemessen am direkten
Ausgang des Generators ohne 18 µF Koppelkapazität und gekoppelt auf eine Netzleitung mit
einem 18µF Kondensator. Das nebenstehende
Diagramm zeigt den Unterschied: rote Kurve ohne
18µF und grüne Stromkurve mit 18µF.
Die Dimensionierung des SURGE Kreises konnte
nie auf „Nominal“ 20 µs ausgelegt werden. Ohne
CDN war die Rückenzeit an der oberen
Toleranzgrenze und mit dem 18µF Kondensator
an der unteren Toleranzgrenze. Die Lösung
besteht nun darin für die Kalibration der
unterschiedlichen Generatorausgänge die
gleichen Kalibration - Bedingungen anzuwenden.
Dies wird erreicht indem immer mit einem 18µF
Kondensator kalibriert wird.
Bei den CDN wurden die Anwendungsbereiche
erweitert:
 CDN für SURGE Überlagerung auf Netze
mit Phasenströmen bis 200A
 CDN für Datenübertragungen bis 1Gb/s
für symmetrisch betriebene
Datenleitungen
Damit die Prüflinge mit höheren Einschaltströmen
eingeschaltet werden können, muss die serielle
Induktivität des Entkopplungsfilters reduziert
werden. Die Reduktion der seriellen Induktivität
wirkt sich auf die Spannungsamplitude und die
Rückenzeit aus.
Dieser Einfluss der CDN könnte mit einer
jeweiligen Anpassung des SURGE Generators
kompensiert werden. Um den gleichen SURGE
Generator mit allen CDN verwenden zu können,
wurden die Toleranzen für die Kalibration
angepasst.
Die Stromobergrenze für die SURGE Prüfung liegt
bei etwa 200A pro Phase. Beim Koppelpfad 9µF
+10 Ohm musste die Rückenzeit mit 50 µs -45µs
Toleranz definiert werden. Die 5 µs reichen aus
um eine Spannungsamplitude am Prüfling zu
generieren, die ausreichend ist, die Schutzschaltungen zu zünden und den 8/20µs Strom
fliessen zu lassen..
4
Kapitel 1
Dieser Paragraph wurde komplett überarbeitet.
Neben den Hinweisen welche Kopplungs- und
Entkopplungs- Elemente in den Netzwerken
eingesetzt werden können, wurde eine limitierte
Anzahl von CDN ausgewählt.
Für alle vorgeschlagenen CDN Kopplungs- und
Entkopplungs- Netzwerke wurde eine Kalibration
mit Impulsformen und entsprechenden Toleranzen
definiert.
Grundsätzlich wird zwischen asymmetrisch
betriebenen Verbindungsleitungen (unsymmetrical
operated interconnection lines) und symmetrisch
betriebenen Verbindungsleitungen ( symmetrical
operated interconnection lines ) unterschieden.
Mit den nachstehenden Bildern werden die
Unterschiede der CDN sowie deren Limiten in der
Anwendung aufgezeigt und im Vortrag erklärt.
Wie bei den Netzversorgungs- CDN wird auch bei
den unsymmetrischen Verbindungen jede
einzelner Leiter gegen Erde oder gegen andere
Leiter geprüft. Bei einer gemeinsamen Prüfung
von mehreren Leitungen, wie z.B. in IEEE Std
62.45 gefordert, kann nicht mit Sicherheit eine
Aussage gemacht werden, dass alle Schutzschaltungen richtig funktionieren und der Prüfling
(EUT) störfest ist. Immer muss auch die Prüfung
an einzelnen Leitern durchgeführt werden. Mit den
Schalterpositionen von S1 und S2 werden die
Koppelpfade angewählt. Bei der Koppelimpedanz
R und CD mussten zwei Werte berücksichtigt
werden:
40 Ohm und 0.5µF und
40 Ohm und GDT
In vielen Produktnormen wird die Kopplung 0.5 µF
und 40 Ohm verwendet, die in der Ausgabe 2
aufgeführt ist, darum konnte diese
Koppelimpedanz nicht vollständig wegelassen
werden.
In der Ausgabe ED2 war keine Kalibration für die
Datenübertragung CDN definiert. Um die schon in
der Praxis vorhandenen CDN weiterzuverwenden
wurden die Werte für die Kalibration so angepasst
und mit vielen Messungen überprüft, dass ältere
CDN bei der Kalibration innerhalb der Toleranz
bleiben.
Dies hat zur Folge, dass vier Sets von
Impulsformwerten für die Kalibration nötig wurden.
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Kapitel 1
Ebenfalls wurden die Bedingungen bei der
Kalibration für alle Ports klar definiert. Nur in
diesen definierten Bedingungen der Ein- und
Ausgängen können die Toleranzen des
vorstehenden Bildes erreicht werden.
Bei den symmetrisch betriebenen Verbindungsleitungen wird die SURGE Prüfung nur zwischen
einem Leiterpaar und der Erde durchgeführt.
Bei der Entkopplung sind die Drosseln pro
Leiterpaar magnetisch gekoppelt, um die
Datenübertragung bis zu einem Gb/s zu
ermöglichen.
Mit der definierten Kalibration wurden auch alle
Angaben der Werte von Komponenten wie z.B. L
entfernt.
Damit wird die bei Akkreditierungen immer wieder
geforderte Messung von Komponenten hinfällig.
Hier noch ein Hinweis zu den Limiten der CDN
bezüglich Datenübertragung.
Die Datenübertragung ist abhängig von der
Kabellänge und den verwendeten Anzahl Paaren.
Die angestrebte Übertragungsrate von1Gb/s kann
nur erreicht werden mit 8 Paaren und Kabellängen
< 100 m. Bei Kabellängen von <10m wird sowohl
in der Generic Norm, als auch in der IEC 61000-45 ED keine SURGE Prüfung mehr verlangt.
Es wäre auch nicht sinnvoll, bei Kabelverbindungen von Servern in geschützten
Räumen noch SURGE Prüfungen durchzuführen.
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Kapitel 1
Ein weiteres Beispiel eines CDN wurde in der IEC
61000.4.5 ED3 aufgenommen.
Die Verwendung von GDT (Gas Discharge Tubes)
hat viele Vorteile, jedoch auch Nachteile.
Ein Nachteil ist die relativ hohe Zündspannung
und damit die hohe Spannung am AE Gerät.
Die hohe Zündspannung verhindert auch eine
Einkopplung einer SURGE Spannung unter etwa
1 kV.
Wenn in der Praxis eine dieser Prüfanforderungen
besteht, können für die SURGE Einkopplung
anstelle von GDT, lineare Elemente eingesetzt
werden wie im nebenstehenden Bild gezeigt.
Die Nachteile dieser Schaltung sind jedoch:
 Keine Anwendung des CDN für 10/700µs
Impulse
 Die Spannung am AE steigt mit der
SURGE Spannung, und damit die
Energie auf das AE Gerät.
 Eine Anwendung mit Frequenzen von
<10MHz ist nicht möglich, infolge der Impedanz zwischen den Leitern und die Belastung des
Übertragungssignales.
Im nächsten Bild wird auch der Unterschied der Rückwirkung auf das AE Gerät gezeigt. Der Anwender muss
entscheiden, welche Kopplungsart notwendig ist.
Residual voltage on AE side
Das Kriterium für die Entscheidung liegt im Schutz
des AE Gerätes und ist sicher selbstredend aus
dem nebenstehenden Diagramm ersichtlich.
Mit den GDT ist die Energie in das AE viel kleiner
als mit den linearen Elementen.
Bei einem 90 V GDT ist die Ansprechspannung bei einem 1µs Anstieg etwa 600V.
= schwarzer Balken zu Beginn des Impulses. Die Spannung ist etwa 600V und die Zeit etwa 0.1µs.
600V x 01µs = 60Vs
Bei der linearen Lösung = rote Kurve
e.g. SURGE 2 kV Vmax 75V bei einer Zeit von >500 µs -> V x t = 37'500 Vµs
e.g. SURGE 4 kV Vmax 150V bei einer Zeit von > 500 µs -> V x t =75'000 Vµs
Die Vorteile sind:
Die GDT kann auch angewendet werden für die 10/700 µs Impulsform, und Vmax 600V ist unabhängig von der
SURGE Amplitude
Lineare Elemente: die Restspannung kommt unter < 600V zu liegen
Die Nachteile sind:
Linear: V max ist abhängig von der SURGE Amplitude
GDT die Restspannung kann nicht unter 600V gebracht werden. Es gibt keine GDT am Markt mit kleiner
Zündspannung.
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Kapitel 1
Da jedes einzelne Verbindungspaar kalibriert wird,
ist nur ein Werte Set notwendig.
Diese Werte müssen für beide Typen von CDN:
GDT oder lineare Elemente nachgewiesen und
die Toleranzen eingehalten werden.
Wie schon bei der unsymmetrischen betriebenen
CDN sind auch hier die Bedingungen der Ausund Eingänge am CDN für die Kalibration klar
definiert.
In der Ausgabe 2 war der 10/700µs Impuls noch
im normativen Hauptteil des Dokuments
enthalten. In der ED3 ist nun der 10/700µs
Impulse in den Annex A verschoben worden. Der
Vorteil liegt nun darin, dass der Annex A einfacher
mit der ITU K44 harmonisiert werden kann. Es soll
zukünftig auch verhindert werden, das in den IEC
und ITU Dokumenten unterschiedliche Prüfgeräte
definiert sind, wie wir dies in der Vergangenheit
hatten.
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Kapitel 1
Alle CDN im ED3 Dokument sind Beispiele und
keine Anleitungen für einen Eigenbau. Mit der
definierten Kalibration aller aufgeführten CDN wird
erreicht, dass in Zukunft die Prüfergebnisse
verglichen werden können. Dies wird auch
erreicht, dass für alle CDN die Impulsform an den
Prüflings-Ausgängen (EUT) nachgewiesen
werden muss.
Im Annex F sind alle für den SURGE MU
(Messunsicherheit) notwendigen Abklärungen und
notwendigen Berechnungen aufgeführt.
Speziell sei noch darauf hingewiesen, dass
sowohl in der IEC 61000-1-6 und IEC 61000-4-5
ED3 vermerkt ist, dass die Toleranz in den
Basisdokumenten nicht mit der MU reduziert
werden sollte, ansonsten würden viele
Generatoren die Kalibrierung nicht bestehen.
Für alle im Dokument definierten Impulsformen
wurden die mathematischen Formeln mit den
entsprechenden Auswertungen der nominellen
Impulsformen in Diagrammen integriert. Zusätzlich
wurde zu jeder Impulsform auch die Spektralkurve
ermittelt und aufgeführt. Die Spektralkurven
können nützlich sein, um im Frequenzbereich
Fehleranalysen vornehmen zu können.
9
Kapitel 1
Der letzte Hinweis im Annex H betrifft den
eventuellen Bedarf, auch an Prüflingen mit
höheren Netzströmen als 200A noch SURGE
Prüfungen vorzunehmen.
Praktische Beispiele mit höheren Strömen sind
Solaranlagen mit Invertern oder ElektroAutomobile.
Die heute im Einsatz befindlichen SURGE
Generatoren mit Netz CDN sind meistens für max.
280V zwischen L und PE oder 440V L zu L
ausgelegt.
Bei einer Anwendung dieser Prüfsysteme mit
Spannungen z.B. L zu L mit 690 V würde der
Generator beschädigt.
Zuletzt noch einmal eine Auflistung aller
Änderungen in der IEC 61000-4-5 ED3, die dieses
Jahr veröffentlicht wird.
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