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IEC 61000-4-6 Edition 4.0 2013-10
Störfestigkeit gegen Leitungsgeführte Störgrössen, Induziert durch hochfrequente Felder
Markus Fuhrer, Andreas Lobeck
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Übersicht Störfestigkeit gegen sinusförmige Störgrößen
> IEC 61000-4-6
150kHz 80MHz 6GHz 1GHz DC 230MHz
EN61000-4-16 Leitungsgeführte,
asymmetrische Störgrößen
im Bereich 0Hz bis 150kHz.
(DC, 16,67Hz, 50Hz, 60Hz,
15Hz-150kHz)
typisch ohne Modulation
EN61000-4-6 leitungsgeführte Störgrößen,
induziert durch elektro-
magnetische Felder im Bereich
von 150kHz – 80MHz (230MHz).
typisch mit 1kHz, 80%, AM
EN61000-4-3 hochfrequente elektromagnetische
Felder im Bereich von 80MHz – 6GHz.
typisch mit 1kHz, 80%, AM
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EN61000-4-6 – die Versionen 1/2
> IEC 61000-4-6
Spezifikation: Anmerkungen:
EN 61000-4-6: 1996+A1:2001 dop: 2001-09-01; dow: 2003-12-01
• Im wesentlichen redaktionelle Änderungen zur EN61000-4-6:1996
EN 61000-4-6:2007 dop: 2008-06-01; dow: 2010-06-01
Wesentliche Änderungen in der Prüfdurchführung: Für jede Prüfung werden immer nur noch zwei 150--Netzwerke eingesetzt, alle weiteren Leitungen werden nur noch entkoppelt und nicht, wie zuvor, grundsätzlich mit 150--Netzwerken abgeschlossen. • Es wird ein Verfahren für die Einspeisung mit dem Koppel-/Entkoppel-
netzwerk bestimmt.
Schlussfolgerung: • Bei Prüflingen mit mehr als 2 Anschlüssen können sich unterschiedliche
Ergebnisse zeigen. • Es ist genau zu prüfen, welche Version zur Konformitätsbewertung heran zu
ziehen ist. • Wird für bereits nach „alter Norm“ geprüfte Geräte die neuste Version
verlangt, so ist unter gewissen Umständen eine erneute Prüfung erforderlich.
EN 61000-4-6:2009 dop: 2009-12-01; dow: 2012-03-01
• Neuer Anhangs G mit Informationen zur Messunsicherheit der Prüfeinrichtung
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EN61000-4-6 – die Versionen 2/2
> IEC 61000-4-6
Spezifikation: Anmerkungen:
Aktueller Version:
IEC 61000-4-6 Ed.4.0
(2013-10-23)
• Die Bilder sind im Text und nicht mehr am Ende der Norm separat aufgeführt.
• Einige Abschnitte wurden vollständig reorganisiert.
• Detaillierter Ablauf der Prüfpegeleinstellung und Reduzierung der Toleranzen.
• Ergänzend wird der Verstärker auf mögliche Übersteuerung bei Generierung des 1,8-fachen Prüfpegels überprüft.
• Kleinere Toleranzen für die Kalibration der CDN‘s und Clamp’s
• Beschreibung eines neuen Jig Kalibration der EM Clamp
• Zusätzlicher 150Ω zu 50Ω Adapters mit neuen Abmessungen.
• Änderung des Flow Charts, welches die Art der Einkopplung beschreibt.
• Der Prüfaufbau ist neu beschrieben, Bilder wurden angepasst.
• Neue informative Anhänge: - Annex G: Messung des LCL Unsymmetriedämpfung von T-CDNs - Annex H: Messung der AE Impedanz - Annex I: Port zu Port Einkopplung incl. Setup für Einkopplung auf identischen Ports und Sicherstellung der idealen AE Impedanz - Annex J: Kompression und Nichtlinearität des Verstärkers .
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• Ton/Rundfunk Sender
• TV Sender
• Sprechfunk/Betriebsfunk
• Richtfunk Systeme
• Navigation und Radar
• Hiperlan und WLAN Netze
• Industrielle Anlagen
• Digitale Funktelefone
Störphänomen
> IEC 61000-4-6
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Strom- und Feldverteilung während der Common-Mode Prüfung auf den Leitungen:
Wirkungsprinzip
> IEC 61000-4-6
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Level 1: Umgebung mit niedrigen elektromagn. Feldern, Rundfunksender mehr als 1 km entfernt
Level 2: Umgebung mit mittleren elektromagn. Feldern, Geschäfts- und Gewerbebereich, tragbare Funkgeräte mit Leistungen kleiner 1 W
Level 3: Umgebung mit starken elektromagn. Feldern, Industriebereich, starke Rundfunksender in der Nachbarschaft, tragbare Funkgeräte mit Leistungen von 2 W und mehr
Level x: Offener Prüfschärfegrad, bis 30 V, wird in der jeweiligen Produktnorm festgelegt
Prüfschärfegrade
> IEC 61000-4-6
Level Prüfspannung V Frequenzbereich Ampl. Modulation
1
2
3
1.0
3.0
10
150 kHz – 80 MHz 80% AM mit 1kHz
X spezial
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Modulation
Störsignal
> IEC 61000-4-6
Unmoduliertes RF Signal Moduliertes RF Signal, 80% AM
Upp = 2.82V, Urms = 1.00V Upp =5.09V , Urms =1.12V Umax.rms =1.80 V
Bild 4 – Leerlauf Signal am EUT Port des Kopplungsnetzwerks für Prüflevel 1
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Aufbau des Prüfgenerators Das Dämpfungsglied T2 verringert die Fehlanpassung zwischen PA und den CDN‘s.
T2 kann in die CDN‘s integriert sein oder auch entfallen, wenn die Ausgangsimpedanz von PA bei allen Belastungen innerhalb der festlegten Werte bleibt (50 Ohm, früher zusätzlich VSWR < 1,2).
Prüfsimulator
> IEC 61000-4-6
HF Generator 80% AM
Breitband- Leistungs-verstärker
G1 HF- Generator T1 Variables Dämpfungsglied PA Breitband Leistungsverstärker T2 Festes Dämpfungsglied (6dB) LPF/HPF Tiefpassfilter und/oder Hochpassfilter S1 HF Schalter
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CDN = Coupling-/Decoupling-Netzwerk
Die Norm spezifiziert verschiedene Typen
• CDN-M1/2/3/4/5 (M = Main)
• CDN-S9/15/25/38 (S = Shielded)
• CDN-T2/4 (T = Telecom, symmetrisch)
• CDN-AF2/3/4/8 (AF, unsymmetrisch)
• EM Koppelzange
• BCI-Zange (Bulk Current Injektion)
CDN-Typen
> IEC 61000-4-6
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CDN–M1 /-M2/ -M3 /-M4 /-M5 sind für ungeschirmte Netz- Versorgungsleitungen (mains).
Beispielaufbau eines CDN-M3
> IEC 61000-4-6
Der interne Aufbau ist mitsamt den Bauteilen detailliert in der Norm spezifiziert, z.B.
CDN-M3: C1 = 10 nF, C2 = 47 nF, R = 300 Ohm, L > 280 µH bei 150 kHz
CDN-M2: C1 = 10 nF, C2 = 47 nF, R = 200 Ohm, L > 280 µH bei 150 kHz
CDN-M1: C1 = 22 nF, C2 = 47 nF, R = 100 Ohm, L > 280 µH bei 150 kHz
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Koppel- und Entkoppelnetzwerke dürfen aus einem oder mehreren Einheiten bestehen . Als Parameter gilt die unsymmetrische Impedanz |ZCE| (vom EUT-Port aus gesehen).
Bedingungen: 0.15 – 26 (24) MHz 150 Ohm +/- 20 Ohm 26 (24) MHz - 80 MHz 150 Ohm +60/- 45 Ohm
80 – 230MHz 150 Ohm +/- 60 Ohm informative gem. Annex B für Tests >80MHz
Das gewünschte Signal darf nicht wesentlich durch die Kopplung Netzwerke beeinflusst werden. Koppelnetzwerke für Netzbetrieb müssen eine Erdung haben, weil sie mit der Massereferenz unter allen Testbedingungen kontakt haben müssen(Grund:. Die Y-Kondensatoren erzeugen hohe Leck-ströme bei der Entkopplung)
Anforderungen an die Koppeleinrichtung
> IEC 61000-4-6
IEC61000-4-6 Ed.4 CDV Der Impedanz/Frequenzverlauf der Umhüllenden wechselt der Frequenzsprung von 26 MHz auf 24 MHz . (Probleme bei High-Power CDNs)
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Anmerkung: Die 150 Ohm Last am AE-Anschluß darf nur bei ungeschirmten Leitungen verwendet werden. Bei geschirmten Leitungen ist dieser Anschluß mit der Bezugsmassefläche zu verbinden.
Schema für Kalibration / Störgrößenjustage am EUT Port von CDN´s
> IEC 61000-4-6
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IEC61000-4-6 Ed.4 IEC61000-4-6 Ed.3 Beispiele für den Aufbau für die Störgrößen-Justage:
CDN EM 101 Zange
Kalibration / Störgrößenjustage EUT Port von CDN´s
> IEC 61000-4-6
Umr = (Uo/6) +/- 25 % (linear Scale) Umr = Uo – 15,6 dB ± 2 dB (logarithmic Sccale)
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Bisheriges Verfahren und weiter gültig:
• Benütze den RF Generator Pgen für die Kalibration • Verwenden des Kalibrierwertes zur Generierung
der Störspannung am EUT Port der Koppel-einrichtung.
Zusätzlich in IEC61000-4-6 Ed.4 : • Aufnahme der Vorwärtsleistung Pfor am
Verstärkerausgang.
• Verwendung der Meßwerte von Pgen , Pfor und Umr um die Störspannung zu berechnen die benötigt wird EUT Port der Koppeleinrichtung.
Unterschiedliche Setups für die Kalibration ?
> IEC 61000-4-6
Bisher
Neu in Ed.4
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Level Setting (Kalibration)
> IEC 61000-4-6
Applizierung einer FWD Leistung zum CDN so, dass die Spannung der geforderten
Umr am Ausgang des 150Ω zu 50Ω Adapter entspricht
Speichern des Levels am RF Generator Pgen und/oder der Vorwärtsleistung an Verstärker-ausgang Pfor und der Spannung Umr am Ausgang des 150 Ω zu 50 Ω Adapter;
Erhöhung der Frequenz um Maximum 1% des letzten Frequenzwertes;
Wiederhole bis die letzte Frequenz erreicht ist
Kalibrations Datei
(Pgen)
Pfor
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IEC61000-4-6 Ed. 4
Überprüfung der Verstärkersättigung
Verstärker Sättigungscheck– Messung
> IEC 61000-4-6
Kalibrations Datei
(Pgen)
Pfor
+
5.1dB
Anwendung des neuen Levels
Messung der neuen Ausgangsleistung am CDN Pfor,inc oder der Spannung am Ausgang des 150 Ω zu 50 Ω Adapter Umr,inc
Berechnung der Differenz - Pfor,inc-Pfor oder - Umr,inc-Umr (log. scale)
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IEC61000-4-6 Ed. 4
Überprüfung der Verstärkersättigung
Verstärker Sättigungscheck– Überprüfung der Meßwerte
> IEC 61000-4-6
Der Verstärker ist nicht-linear und ungeeignet für die Prüfung.
Ist die Differenz zwischen
3.1dB und 7.1dB?
Der Verstärker ist innerhalb der Toleranz und das Prüfsystem ist geeignet um den vorgesehenen Prüflevel zu testen.
Nein
Ja
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Das Zentrum des Steckers zum CDN ist auf 30mm Höhe über der Masseplatte zu fixieren.
Die Grundplatte soll 30 mm lang sein.
Die Referenzfläche hat eine Ausdehnung von 100mm x 100mm
Die Abmessung der Referenzfläche wird neu abhängig vom Parameter h.
h = 30mm : Fläche der Referenzplatte 100mm x 100mm.
h > 30mm : Fläche der Referenzplatte neu 150mm x 150mm.
Neue Geometrie für den 150Ω zu 50Ω Adapter
Bisher: Neu: IEC61000-4-6 Ed.4
> IEC 61000-4-6
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IEC61000-4-6 Ed.4
Anhang A widmet sich ganz der EM- und Entkopplungszange. Neben dem Leitfaden für die Konstruktion, der Messung der S-Parameter und der Berechnung der Impedanz, Kopplungs- und Entkopplungsfaktoren, gehört auch eine neue Kalibriereinrichtung für die Zangen. Die konstruktiven Details der Vorrichtung werden nachfolgend dargestellt.
150Ω zu 50Ω Adaptor für die Kalibration der EM-Zange
> IEC 61000-4-6
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Position der Kalibrations-Stange IEC61000-4-6 Ed.4
Zentrum der Zange: Impedanz- und Entkopplungs-Faktor
Untere Position: Koppelfaktor , EM TEST empfiehlt diese Position für die Kalibrierung
Test Jig Applikation für EM-Clamp
> IEC 61000-4-6
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Prüfaufbau für CDN’s
> IEC 61000-4-6
• Jeweils der Prüfling und das AE stehen 10 cm isoliert über der Bezugsmassefläche.
• Alle abgehenden Leitungen müssen über ein CDN entkoppelt werden.
• Die CDN‘s müssen im Abstand von 0,1 m bis 0,3 m vom Prüfling eingefügt werden.
• Die CDN‘s müssen HF-mäßig gut mit der Bezugsmasseplatte verbunden werden.
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IEC 61000-4-6 Ed.4 : korrekt IEC61000-4-6 Ed.3/Ed.2: falsch
• Die Normenversionen der Ed. 2 und Ed.3 zeigen im Prüfaufbau für Einzelgeräte EUT fehlerhafte
Setups. Der 50 Abschluß an einem ungeprüften CDN fehlt. • Die IEC 61000-4-4 Ed.4 zeigt nun den korrekten Prüfaufbau mit 50 Abschluß an einem CDN.
Prüfaufbau für ein Einzelgerät
> IEC 61000-4-6
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Prüfaufbau gemäss IEC 61000-4-6 Ed.4
> IEC 61000-4-6
bisher Neu
Die CDN Ein- und Ausgangs- signale sind nun nicht mehr mit GND verbunden.
Alle Abmessungen sind nun klar begrenzt mit ≥, ≤ Zeichen
Die Kabel sind auf mindestens 30 mm Höhe zu führen. Diese Regel erfolgte aus praktischen Gründen für den Prüfaufbau.
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Verfahren seit IEC / EN61000-4-6:2007: • Der zur Prüfung vorgesehene Anschluß wird über das entsprechende CDN mit dem Störgenerator
verbunden.
• Ein anderes mit 50 abgeschlossenes CDN wird mit einem weiteren EUT Anschluß verbunden.
• Alle weiteren Anschlüsse werden nur entkoppelt.
• Das mit 50 abzuschließende CDN muß entsprechend der nachfolgenden Reihenfolge der Vorrangigkeit ausgewählt werden:
IEC61000-4-6 Ed.4: Änderungen sind blau markiert
1. CDN-M1 (zur Verbindung mit dem Erdschluß) 2. CDN-M3, CDN-M4, CDN-M5 (für Versorgungsanschlüße– Schutzklasse I) 3. CDN-Sn (n=1,2,..), Anschluß der am nächsten (geometrisch) zum Einkopplungspunkt ist 4. CDN-M2(für Versorgungsanschlüße– Schutzklasse II) 5. anderes CDN, Anschluß der am nächsten (geometrisch) zum Einkopplungspunkt ist
Verfahren für Einspeisung mit dem Koppel-/Entkoppelnetzwerken
> IEC 61000-4-6
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• Der EUT ist so zu positionieren, dass der Abstand zu anderen leitenden Einrichtungen mindestens 0,5 m beträgt.
• Die Bezugsmasseplatte muss den Prüfaufbau selber auf allen Seiten mindestens 0,2m überragen.
• Geräte aus mehreren Einheiten werden nur dann als ein Gerät betrachtet, wenn die Leitung zwischen ihnen <1m ist.
Prüfaufbau für ein aus mehreren Einheiten bestehenden Gerät
> IEC 61000-4-6
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Auswahl des Einkoppelverfahrens
> IEC 61000-4-6
Das Flußdiagramm für die Auswahl des geeigneten Einkoppelverfahrens wurde durch eine neue Entscheidung erweitert. So ist klar, dass das Injektionsverfahren "Direkteinspritzung" nur auf geschirmten Kabel anwendbar ist.
IEC 61000-4-6 Ed.4 IEC 61000-4-6 Ed.3
geschirmte Kabel?
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Besonderheit bei Prüfungen mit Einspeisezangen
> IEC 61000-4-6
Als Einspeisezange werden 2 unterschiedliche Arten aufgeführt:
1. Die EM-Koppelstrecke Die EM Koppelzange hat für die Stromeinspeisung hat sie eine Richtwirkung von >=10dB oberhalb 10MHz. Durch weitere Ferrite kann die Richtwirkung noch vergrößert werden, typisch werden hier Ferritzangen verwendet.
2. Die Stromzange, im Automotive- Bereich auch BCI Zange genannt, hat keine Entkoppel-einrichtung, d.h.: Der in einer Leitung induzierte HF Strom fließt allein in Abhängigkeit der Impedanzverhältnisse der Leitungen.
EUT
AE
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Unterschied wenn mit Einkopplungszangen geprüft wird
> IEC 61000-4-6
Figure 5 IEC 61000-4-6
Wegen der zu geringen Richtwirkung, respektive der unzureichender Entkopplung besteht die Gefahr, dass die asymmetrische Impedanz mit 150 am Prüflingsanschluss und dem Zusatzgeräte-anschluss nicht gewährleistet ist. Im EUT könnte ein zu großer, unbeabsichtigter Strom fliessen.
Der Strom darf mittels Stromsonde zwischen dem Einkopplungspunkt und dem Prüflingsanschluss überwacht werden. Ist der maximale Strom Imax , definiert durch
Imax= Uo/150 Ohm
überschritten, so darf die Prüfspannung bis zum Erreichen von Imax abgesenkt werden. Die dann erzielte Prüfspannung ist zu protokollieren.
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Prüfaufbau mit CDN und EM-Koppelzange
> IEC 61000-4-6
• Auf der CDN-Seite ist für das angeschlossene AE keine besonderen Vorkehrungen zu treffen. Das AE muss lediglich 10cm oberhalb der Bezugsmasseplatte stehen.
• Auf der Seite mit EM-Koppelstrecke ist eine asymmetrische Impedanz mit 150 zu gewährleisten. So muss das AE einmalig mit einem mit 50 belasteten CDN abgeschlossen werden (siehe CDN 2). Weitere Leitungen des AE´s sind nur zu entkoppeln.
Fig 1: IEC 61000-4-6 Ed.4
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Prüfaufbau mit CDN und EM-Koppelzange
> IEC 61000-4-6
L2 ≥ 0.3 m
0.1 m ≤ L ≤ 0.3 m
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Prüfaufbau mit CDN und injektion Stromzange und HF Strom Messzange
> IEC 61000-4-6
L2 ≥ 0.3 m 0.1 m ≤ L ≤ 0.3 m
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• Die Einkopplung über 100 erfolgt direkt auf dem Schirm der geschirmten Leitung.
• Die Entkopplung zur AE-Seite muss ausreichend groß sein, L>280µH !!
Hinweis: Oft ist die Entkopplung nicht ausreichend, so dass zur AE-Seite ein Teil der Störgröße abfließt. Hier könnte, ähnlich wie bei der Einkopplung mittels Stromzangen, das AE mit seinen weiteren Anschlüssen über ein CDN geführt werden.
Prüfaufbau für direkte Kopplung
> IEC 61000-4-6
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Fehlerquellen bereits im Prüfplan vermeiden! Bereits vor der Prüfung ist zu überlegen, ob die folgenden Parameter ausreichend dimensioniert sind:
• Prüfpegel Reicht die gesetzliche Mindestanforderung aus, oder wird unter QS-Aspekt getestet?
• Schrittweite Maximale Schrittweite 1% log. (1% von der vorhergehenden Frequenz)
• Verweildauer Die Verweildauer je Frequenzschritt darf nicht <0,5s sein, und Muß mindestens solange gewählt werden, bis die Betriebsfunktion und eine eventuell resultierende Reaktion des Prüflings möglich ist.
Frequenzdurchlauf
> IEC 61000-4-6
150 kHz 80 MHz
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Die angehobene Massefläche muss aus Sicherheitsgründen mit der Masse elektrisch verbunden sein. Aus HF-Sicht hat die Verbindung keine Bedeutung.
Anhang F (informativ): Prüfaufbau für große Prüflinge
> IEC 61000-4-6
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Wichtig: Jede Abweichung vom genormten Prüfverfahren muss im Prüfbericht dokumentiert werden.
Anhang F (informativ): Prüfaufbau für große Prüflinge
> IEC 61000-4-6
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• Beschreibung von Einflüssen auf die entsprechenden Messverfahren.
• Begriffsbestimmung der Einzelunsicherheitsfaktoren.
• Berechnungsbeispiele für die kombinierte und erweiterte Unsicherheit.
• Die MU kann durch das Labor bestimmt werden, die zu prüfende Störgröße wird aber nicht um den Betrag der Messunsicherheit korrigiert!
Messunsicherheit der Einrichtung (informativer Anhang G)
> IEC 61000-4-6
Anwendung: Beispiel Kalibriervorgang erweiterte Unsicherheitsbilanz (k=2)
Beispiel Prüfverfahren
erweiterte Unsicherheitsbilanz (k=2)
Koppel-/Entkoppel-netzwerk (CDN)
1,27dB 1,36dB
EM-Koppelstrecke 1,27dB 3,19dB (Der größte Unsicherheitsfaktor ist der Abschluss auf der AE Seite (Uxi=2,5).)
Stromzange
(BCI)
1,46dB 3,27dB (Der größte Unsicherheitsfaktor ist der Abschluss auf der AE Seite (Uxi=2,5)).
Direkte Kopplung 1,46dB 3,07dB (Der größte Unsicherheitsfaktor ist die Entkopplung (Uxi=2,3).)
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Störquelle: • Sendefunkanlagen (Betriebsfunk, Rundfunk/Fernsehen, Handy, DECT etc.) verursachen Felder, welche
in Leitungen Störgrößen induzieren. • Niederfrequente Störströme von Leistungselektroniken (Umrichter, Zentrifugen, Wirbelstrombremse
etc.) .
Parameter: • Dauernd anliegende, schmalbandige Störgrößen mit bestimmter Modulation. • Norm: Pegel von 1V, 3V, 10V (Effektivwert des unmodulierten Trägers), Modulation typisch mit 1kHz,
80% AM. Frequenzbereich: leitungsgeführt 150kHz – 80MHz (230MHz). • Praxis: unterschiedlichste Pegel, Modulationen und betroffene Frequenzbereiche.
Auswirkung: • Beeinflussung von Signalen im Daten verarbeitenden Bereich (Logikfehler und deren Konsequenz). • Beeinflussung von analogen Signalen und Verstärker.
Anmerkung: Ab 80MHz erfolgt die Prüfung gemäß EN61000-4-3 gestrahlt in der Absorberhalle typisch mit 3-10V/m.
Das Störphänomen “leitungsgeführte induzierte HF-Störgrößen”
> IEC 61000-4-6
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> IEC 61000-4-6