Projektauftrag zum Thema EMV und CE
Inhaltsverzeichnis
Erarbeiten einer Strategie zur Lösung der erkannten Probleme
Ungenaue Messergebnisse und häufiges abstürzen des Controllers.
Aufstellung der vermuteten Störer/Störungen und Kopplungswege
Externe Störungen
Bauliche Nähe der Nachbarverbraucher
Ein gekoppelte Störsignale durch Netzleitungen (überlagern des Mess- Signals)
Störimpulse über Netzleitung durch Schaltvorgänge (Flickerstörung ) Elektromotoren, Trafos usw.
Elektromagnetische Felder
Interne Störungen
Schwachstellenanalyse im Platinendesigne
schlecht oder nicht geschirmte Leitungen, zu lange und zu nah (Impedanz) bei einander liegende Leitungen (Umschaltströme in digitalen Schaltkreisen erzeugen steilflankige Impulse)
Leistung -und Signalleitungen zu nahe beieinander oder nicht ausreichend geschirmt
fehlende oder falsch gelagerte Puffer-Kondensatoren
Masseflächen (EMV)
Leiterbahnführung (rechte Winkel, frequenzabhängige Impedanz Sprünge)
Gehäuse (Abschirmung nach außen )
Verbesserter Geräte-Designe-Entwurf und dessen Schirmkonzept
Störungen von und nach Außen
Die störenden Verbraucher befinden sich in direkter Umgebung. Die Messapplikation wird daher in eine EMV-Box aus Stahlblech verbaut. Es ist darauf zu achten, dass die Dichtungen Temperatur- und Chemikalienresistent sind. Direkt am Eingang wird ein Stecker-Filter Modul mit zweistufigem Netzfilter verbaut (Bild 1). Die Masse wird direkt am Gehäuse verbunden. Von hier aus geht der Erdungs-Sternpunkt der verschiedenen Teilschaltkreise ab.
Die Zu und Ableitungen sind geschirmt und am Ausgang wird ein Ferit Kern angebracht.
Netzfilter 1
Platinen Layout 1
Interne Störkopplungen reduzieren
Beim Schaltungsdesigne selbst ist darauf zu Achten, das die Signal und Leistungsbaugruppen soweit wie möglich voneinander weg liegen. Dasselbe gilt auch für Signal- und Stromleitungen. Alle Signalleitungen sollten geschirmt sein, sowie die Signalbaugruppe selbst.
Alle Leitungen sollten möglichst kurz gehalten werden (verringert Leitungswiderstand und Induktivität). Leitungsquerschnitte sind groß zu dimensionieren (verringert ohmschen Anteil). Bei der Spannungsversorgung der Logikbausteine auf kleine Stromschleifen achten (verringert induktive und kapazitive Kopplungen). Zwischen Masse und Versorgungsspannung jeden IC´s wird so nahe wie möglich ein Abblockkondensator gesetzt.
EMV & CE
Erläuterungen Störarten/Störquellen
Zur Erstellung eines EMV gerechten Geräte- und Platinen Designe, müssen alle möglichen Störquellen und Arten bekannt sein, um diese so gut wie möglich zu vermeiden.
Man unterscheidet zwischen symmetrischen und asymmetrischen Störungen.
Symmetrische Störungen (htt4)
Von einer erdfreien Störquelle gehen zunächst nur Störungen aus, die sich längs der angeschlossenen Leitungen ausbreiten. Der Störstrom fließt auf dem anderen Leiter wieder zurück. Beide Ströme befinden sich im Gegentakt und werden daher als Gegentaktstörung (differential mode) oder symmetrische Störung bezeichnet.
Asymmetrische Störungen (htt4)
Durch Masseverbindungen oder parasitäre Kapazitäten in der Störquelle und der Störsenke wird ein Störstrom im Erdkreis hervorgerufen, der auf den Anschlussleitungen von der Störquelle zur Störsenke und über die Erdleitung wieder zurück fließt. Die beiden Ströme befinden sich also im Gleichtakt und werden daher Gleichtaktstörung (common mode) oder asymmetrische Störung genannt.
Interne/externe Störungen
Störungen können durch interne Kopplungen entstehen, durch die eigenen Bauteile und Baugruppen, oder können extern über Leitungen oder Strahlung ein gekoppelt werden.
Kopplungsarten
Galvanische Kopplung(Impedanz Kopplung)
Fließen die Ströme zweier Stromkreise über eine gemeinsame Impedanz, spricht man von der galvanischen Kopplung. Die Ströme verursachen jeweils einen Spannungsabfall an der Koppelimpedanz, der sich störend auswirken kann. Diese gemeinsame Impedanz ist oft ein gemeinsamer Bezugsleiter, ein gemeinsamer Hin-Leiter oder auf Platinen die gemeinsam genutzte Masse verschiedener Stromkreise.
Sie kann sowohl ein ohmscher, als auch ein induktiver oder kapazitiver Widerstand sein. Dieser Widerstand ist stark frequenzabhängig. Bei ohmschen Impedanzen steigt der Widerstand mit steigender Frequenz durch den Skin-Effekt. Die koppelnde Wirkung von Induktivitäten verstärkt sich ebenfalls mit steigender Frequenz, die von idealen Kapazitäten hingegen sinkt.
Um die galvanische Kopplung von Stromkreisen zu verhindern, sollte man die Potentiale trennen. Die Potentialtrennung lässt sich durch Relais, Transformatoren oder Optokoppler erreichen. Weiterhin ist auch eine galvanische Entkopplung durch Verwendung getrennter Leitungen und die Verbindung zweier Maschen in einem Sternpunkt, möglich. Lässt sich ein sternförmiges Bezugsleitersystem nicht anwenden, kann die Impedanz Kopplung durch einen möglichst große Querschnitte zur Verringerung des ohmschen Widerstandes sowie kurze Leitungslängen zur Verringerung der Leitungsinduktivität realisieren.
Dazu werden Bezugsleiter flächig oder vermascht ausgeführt.
Kapazitive Kopplung (elektrische Kopplung)
Die Kapazitive Kopplung, wird oft auch als Elektrische Kopplung bezeichnet, da die Kopplung zwischen nahe zusammenliegenden Leitungen durch deren Potentialunterschied und des damit verbundenen elektrischen Feldes zustande kommt.In diesem Fall sind zwei Stromkreise über ihre abgestrahlten elektrischen Felder miteinander verkoppelt. Diese Kopplungen lassen sich durch Ersatzkapazitäten beschreiben.
Kopplungsart 2
Induktive Kopplung (magnetische Kopplung)
Die Induktive Kopplung wird auch als magnetische Kopplung bezeichnet, da sie durch ein von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugtes magnetisches Wechselfeld zustande kommt. Die induktive Kopplung tritt bei nahe zusammenliegender Quelle und Senke auf.Der in Leiterschleife 1 fließende, zeitlich veränderliche Strom I1 ist mit einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld verbunden.
Dieses wiederum verursacht den Fluss Φ12, der die Leiterschleife 2 durchsetzt. Die Kopplung über den Fluss lässt sich durch eine Gegeninduktivität M beschreiben. Nach dem Induktionsgesetz berechnet sich die in der Leiterschleife 2 induzierte Störspannung.
Kopplungsart 3
Eine räumliche Trennung ist die geeignete Maßnahme zur Beseitigung der Störung.
Elektromagnetische Kopplung (Wellenleiterkopplung)
Die Wellenleiterkopplung wird oft auch als Elektromagnetische Leitungskopplung bezeichnet, da es sich hierbei um eine gleichzeitig vorliegende gekoppelte elektrische und magnetische Beeinflussung zwischen zwei oder mehreren elektrisch langen Leitungen handelt. Auf diesen elektrisch langen Leitungen sind Spannungen und Ströme nicht mehr, wie bei rein kapazitiver oder induktiver Kopplung unabhängig voneinander wählbar, sondern über den Wellenwiderstand miteinander verknüpft
Eine Unterscheidung zwischen kapazitiver Kopplung und induktiver Kopplung (Nah Feld) ist nicht mehr möglich. Die Eigenschaften des einkoppelnden Feldes werden hierbei durch den Feldwellenwiderstand beschrieben. Das Hochimpedanzfeld entsteht durch Abstrahlung einer vorwiegend elektrischen Feldquelle, wie einem hertzschen Dipol. Magnetische Feldquellen hingegen erzeugen ein Niederimpedanzfeld.
Zur Vermeidung dieser Art von Kopplungen muss die Längen l der Signalleitungen von Quelle und Senke größer als 1/10 der übertragenen Wellenlängebetragen. Der Abstand a hingegen muss kleiner sein. (Siehe Formeln)
Elektromagnetische Kopplung (Strahlungskopplung )
Bei der Strahlungskopplung wirken sowohl elektrische als auch magnetische Felder, die aneinander gekoppelt sind. Diese Felder werden durch wie Antennen wirkende Bauteile, über den nicht leitenden Raum gesendet und Empfangen. Das können Leiterbahnen oder Kabel sein. Ist hier die Fläche a grösser als λ/10 der Frequenz, so ist von einer Antennenähnlichen Struktur auszunehmen.
Strahlungskopplung tritt immer dann auf, wenn für den Abstand a zwischen Störquelle und Störsenke folgende Bedingung erfüllt ist:
Kopplungsart 4
Entwurf zum präventiven EMV gerechten Gerätedesigne
Spannungsversorgungsleitungen sollten direkt am Eingang (Stecker) einer
Platine gefiltert werden. So verteilen sich die Störungen nicht über die Ganze Platine.
Funktionseinheiten eng beieinander anordnen. Leistungs- und Signalelektronik immer so weit voneinander entfernt wie möglich.
Die verschiedenen Teilschaltkreise (analog, digital und Versorgung) sollten auch bezüglich ihrer Masse getrennt geführt werden. Bei Taktfrequenzen größer als10 MHz werden bei Platinen in den meisten Fällen Multilayer-Boards mit einer oder mehreren Masseebenen aufgebaut. Ist dies nicht möglich(aus Kostengründen), sollten Masseleiterbahnen links und rechts vom HF- Signalleiter geführt werden.
Vermeidung von Stromschleifen; Eine große Stromschleife wirkt wie eine Antenne. Da Stromkreise jedoch immer einen Hin- und Rückleiter erfordern, sollten diese auch auf der Platine dicht beieinander geführt werden. Je größer die Schleifenfläche, desto höher die Abstrahlung.
In der Nähe eines jeden Logikbausteines sollte ein Abblockkondensator (Keramik oder Folie, standartmäßig etwa 100 nF) platziert werden. Diese glätten die vorhandene Spannung indem sie Störspannungen abblocken.
Auf einer Platine mit Unterbrechung in der Masseebene ist auch die Versorgungsleiterbahn um die Unterbrechung herum zu legen. Durch diese Maßnahme bilden Hin- und Rückleitung (über die Massefläche) eine möglichst kleine Schleifenfläche.
Leitungen und Busse die (hochfrequente) Taktsignale führen, sollten mit möglichst großem Abstand zur Ein- und Ausgabe Leitungen platziert werden um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden.
Taktleitungen sollten minimiert und so weit wie möglich rechtwinklig (nicht parallel) zu Signalleitungen geführt werden. Falls Taktsignale von der Platine weggeführt werden müssen, sollte der Taktgeber so nah wie möglich am Platinen Anschluss platziert werden. Taktgeneratoren sollten zentral angeordnet werden, um die Länge der Taktleitungen zu minimieren.
Bei der Auslegung von Platinen für HF-Anwendungen sind die Verbindungen zwischen den Bausteinen als Übertragungsleitungen mit definiertem angepasstem Wellenwiderstand auszulegen. Stoß- und Reflexionsstellen, wie z. B. rechteckige Leiterbahnverbindungen sind so weit wie möglich zu vermeiden. Diese stellen eine Impedanzänderung dar, die zu Reflexionen der HF-Signale führen können, wobei die Intensität der Reflexion mit der Frequenz des Signals steigt. Üblich ist ein 45° Winkel.
Die Anschlussdrähte der Bauteile sollten so kurz wie möglich sein, um die Serieninduktivität klein zu halten. Wesentlich besseres Verhalten zeigen Oberflächenbauelemente (SMD).
Sind aus einem Logikausgang mehrere verschiedene Bausteine zu bedienen (z.B. bei Taktsignalen), so sollte die Aufteilung auf die einzelnen Bausteine erst kurz vor den Bausteinen erfolgen.
Eingangs- und Lastkapazitäten sollten so möglichst klein gewählt werden. Damit werden die Ladeströme beim Umschalten reduziert und die Abstrahlung magnetischer Felder sowie auch Masserückleitströme verringert.
Erörtern und Erlangen der CE-Kennzeichnung für die Serienfertigung
Erörtern der CE-Kennzeichnung
Das CE Zeichen wurde als Kennung der europäischen Binnenmärkte durch die europäische Kommission, als EU-Richtlinie erlassen. Grund dafür war der Abbau von Handelshemmnissen. Jedes Land besitzt eigene Normen, Spezifikationen und Vorschriften, die es einzuhalten gilt. Durch EU-Richtlinien wird gewährleistet, dass entsprechend festgelegte Anforderungen von Produkten europaweit übereinstimmen.
In Deutschland dürfen seit 1996, Geräte ohne CE Kennung nicht mehr verkauft werden. Für den Bereich der EMV sind seit dem 01 Januar 1992 alle EU-Mitgliedsstaaten verpflichtet die Schutzverordnung 89/336/EWG einzuhalten und umzusetzen. Im Jahr 2004 wurde sie aktualisiert und von der Richtlinie 2004/108/EC ersetzt. Sie bezieht sich auf Geräte die elektromagnetische Störungen verursachen können oder deren Betrieb durch solche Störungen beeinträchtigt werden können.
Erlangung der CE Kennung in sechs Schritten .
Im ersten Schritt muss herausgefunden werden, welche Richtlinie und Norm gilt. Die grundlegenden Anforderungen werden auf der EU-Ebene harmonisiert und in allgemeiner Form in der Richtlinier beschrieben. In diesen Fall gilt die Richtlinie 2004/108/EG über elektromagnetische Verträglichkeit.
Ist das der Fall wird, die "vermutete Konformität" bescheinigt. Die grundlegenden Anforderungen in Bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit für Geräte sind in Anhang I der Richtlinie festgehalten.
Laut der Verfahren zur Konformitätsbewertung elektromagnetischer Verträglichkeit, ist der Hersteller verpflichtet, eine solche Bewertung des Geräts durchzuführen. Die Richtlinie über elektromagnetische Verträglichkeit sieht die Einbeziehung einer benannten Stelle nicht vor. Jedoch kann der Hersteller oder sein Bevollmächtigter in der EG der benannten Stelle die technische Dokumentation präsentieren.
Diese wird anschließend geprüft, ob sie deutlich zeigt, dass die Anforderungen der Richtlinie erfüllt wurden. Sollte dies der Fall sein, so wird die benannte Stelle eine Bestätigungserklärung ausstellen. Diese Erklärung sollte Teil der technischen Dokumentation sein.
Das Konformitätsbewertungsverfahren wird durch die interne Fertigungskontrolle des Herstellers durchgeführt. Hierbei wird das Betriebsmittel darauf geprüft, ob die Anforderungen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit gemäß Anhang I erfüllt werden oder ob die harmonisierten europäischen Normen ordnungsgemäß angewandt wurden.
Einzelheiten zu diesen Verfahren sind in den Anhängen II und III der Richtlinie nachzulesen.
Der Hersteller fertigt dann eine EG-Konformitätserklärung an und unterschreibt diese.
Nach Abschluss des gewählten Konformitätsbewertungsverfahrens kann die CE-Kennzeichnung angebracht werden. Die Kennzeichnung muss in Übereinstimmung mit den Anweisungen gemäß Anhang V der Richtlinie angebracht werden.
Im fünften Schritt wird die technische Dokumentation erstellt.
Die technischen Unterlagen müssen eine Bewertung der Übereinstimmung des Geräts mit den Anforderungen der Richtlinie ermöglichen. Die technischen Unterlagen sollten eine allgemeine Beschreibung des Geräts und gegebenenfalls Nachweise über ganz oder teilweise angewandte harmonisierte Normen enthalten Eine Bestätigungserklärung benannte Stelle muss ebenfalls beigefügt werden.
Wenn die harmonisierten Normen gar nicht oder nur teilweise angewandt wurden, muss er eine Beschreibung und Erklärung beifügen werden, die unternommen wurden, um die grundlegenden Anforderungen der Richtlinie zu erfüllen. Die Beschreibung der Bewertung der elektromagnetischen Verträglichkeit, Ergebnisse der Entwurfsberechnungen, Prüfungen undTestberichte, gehören auch dazu.
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