Versuch 2: Störfelder und Schirmung von Flachbaugruppen

Versuch 4: Messung der Störfeldstärke-Emission nach CISPR mittels GTEM-Zelle
HF-Emissionsspektrum ( 30 MHz -1 GHz ) einer Baugruppe
a) Versuchsaufbau
EUT
Ziel des Versuchs: - Das Arbeiten mit einem Funkstör-Messempfänger erlernen
sowie den Unterschied zwischen den Messmethoden bzw.
Messdetektoren Peak-, Quasipeak und Average (Mittelwert)
- Aufbau und Funktion einer GTEM-Zelle verstehen sowie die
Korrelation zwischen Spannungsmessung u. Fernfeldstärke
- Die Emissions-Normen/Grenzwerte für ISM/ITE-Geräte kennen
und den Prüfling (EUT) normgerecht vermessen (X,Y,Z)
- Die Quelle/Ursache der EUT-Abstrahlung analysieren sowie den
Einfluß des Layouts und der Peripherie (Kabel, Filter) verstehen
- Arbeiten mit der Bediensoftware, Erstellung eines Prüfprotokolles, Interpretation der Ergebnisse u.a. bei Leermessung
Zum Messverfahren
Die GTEM-Zelle wird in diesem Versuch für Emissionsmessungen verwendet, d.h. der
Mittelleiter (sog.Septum) dient quasi als Antenne: Die vom Prüfling (EUT= Equipment
under Test) erzeugten elektrischen und magnetischen Felder in den 3 Raumachsen
X,Y,Z werden durch 3 Spannungsmessungen im Frequenzbereich von 30 MHz bis 1
GHz ermittelt und danach in Fernfeldstärkewerte umgerechnet und mit der NormGrenzkurve verglichen.
Die elektronische Baugruppe (Schaltnetzteil) in der GTEM-Zelle erzeugt infolge der
Schaltflanken ein elektromagnetisches Feld über ein breites Frequenz-Spektrum.
Im Bereich 30 - 1000 MHz darf die Abstrahlung nach EN-Norm bestimmte Grenzwerte
nicht überschreiten. Diese müssen, geht man streng nach Norm, auf einem sog.
Freifeld oder in Absorberhallen durch Antennenmessungen in 10m-Abstand ermittelt
werden (sog. Full-Compliance Messungen).
Derzeit sind in Europa Bestrebungen im Gange, diese Feld-Messungen wie in den USA nach FCCPart15 bereits gängig, ersatzweise auch in GTEM-Zellen (mit Umrechnung in Fernfeld-Feldstärkewerte)
als vollwertige Vergleichsmessungen zuzulassen, sodass GTEM-Zellen neben ihrer ursprünglichen
Anwendung für normenkonforme Störfestigkeitsmessungen, auch für
Emissionsmessungen voll
normenkonform wären (derzeit nur „precompliance“, d.h. für Vormessungen). Siehe hierzu den ABB
Research Report CRB 89-007C von P.Wilson, D.Hansen und H.Hoitink (Juni 1988) mit dem Titel:
„ Emission Measurements in a GTEM Cell“
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b) Aufgabe:
1.Teil: (Vorbereitung/Orientierung)
Lesen Sie zunächst die Versuchsunterlagen vorab (!) vollständig (!) durch. Die
Bedienung der Software kann man am besten zusammen mit der Anleitung (s.Anhang)
am PC verstehen. Das Programm ist für Übungszwecke als Demoversion erhältlich bzw. im CAE-Labor A523 auf dem Platz1 installiert.
Bemühen Sie sich, die unter „Ziel des Versuchs“ (s.o.) genannten Themen soweit es
geht vorab zu ergründen, insbesondere die anzuwendenden Normen/Grenzwerte, die
GTEM-Freifeld-Korrelation und die Messwertverfahren Peak, Quasipeask und Average
sowie deren Auswirkung auf Messergebnisse, -dauer und Pegel.
2.Teil: (Messungen)
Die GTEM-Zelle wird in diesem Versuch für Emissionsmessungen verwendet, das
Septum (Mittelleiter) dient als Antenne für die vom Prüfling generierten elektrischen und
magnetischen Felder in 3 Raumachsen X,Y,Z. Dabei wird davon ausgegangen, dass
sich ein im Vergleich zur Zelle kleiner Prüfling hinsichtlich seines Emissionsverhaltens
im Frequenzbereich 30...1000 MHz durch eine Anordnung von 3 orthogonalen Dipolen
darstellen lässt. Die Felder erzeugen im Septum Spannungen, die durch Drehung des
Prüflings (zusammen mit seinen Anschlüssen!) in 3 Raumachsen gemessen und
danach in Fernfeldstärkewerte umgerechnet und mit der Norm-Grenzkurve verglichen
werden. Beachten Sie, dass das EUT nach einer genauen Vorgabe von X nach Y nach
Z gedreht werden muss, um die Korrellation korrekt anwenden zu können.
Der Prüfling (ein Schaltnetzteil) liegt in 2 Varianten vor, die sich durch das LeiterbahnLayout unterscheiden: Eine der Baugruppen hat geflutete Masse-flächen, die andere
freie Leiterbahnen mit größeren Abständen dazwischen. Auch gibt es 2 verschiedene
Ausführungen für die elektrischen Lastwiderstände.
Ihre Aufgabe ist es, beide Prüflinge nacheinander mit der kompakten integrierten
Widerstandslast zu vermessen und die Feldstärke-Messkurven nach der GTEM-Korrellation (PC-Umrechnung) als Grafik-Protokoll auszugeben. Sofern die Messwerte die
Norm nicht erfüllen (Mindest-Abstand zur Grenzkurve!) ist die Wirkung eines Ferrites
auf der Netzzuleitung (ggf. muss die Netzleitung um einen Ringkern mehrfach gewickelt
werden) zu untersuchen. In welchem Frequenzbereich verringert sich die Abstrahlung
und warum? Auch eine Abschirmung des Trafos (Umformers) mit Cu-Blech an Masse
kann man, sofern Zeit bleibt, erproben.
c) Versuchs-Durchführung:
Leermessung und Übersichtsmessung
Bevor der normgerechten Vermessung des Prüfobjektes soll eine Leermessung mit
leerer Zelle durchgeführt werden. Damit kann zum einen die Dichtheit der Zelle und
zum zweiten die korrekte Bedienung der Software mit der Korrelations-Auswertung zur
Darstellung der Emissionskurve überprüft werden.
Interpretieren Sie nach der Messung den Anstieg der Leerkurve im Emissions-Diagramm zu
hohen Frequenzen hin. Wie groß ist dieser Anstieg in dB/Dekade ? Notieren Sie die Frequenzen, die noch signifikant über dem Rauschen liegen. Worum handelt es sich dabei? Wie groß
sind diese Werte absolut in µV bzw. µV/m ?
Anschließend führen sie dieselbe Messung mit eingeschaltetem Prüfling als erste
Übersichtsmessung durch, um kritsche Frequenzen im Spektrum zu erkennen. Erst
danach erfolgen die eigentlichen Norm-Messungen mit dem Quasi-Peak-Detektor .
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Aufgabenblatt (3)
Inbetriebnahme der Software und des Funkstörempfängers
Der Messempfänger (Typ ESPC) wird vom PC per Software über den IEC-Bus
vollständig ferngesteuert. Er muss also lediglich eingeschaltet werden. Danach wird die
Software ES-K1 am PC durch Anklicken des Symboles (Ikons) gestartet.
Als Benutzername ist „Student“ einzugeben, als Passwort (Kennwort) „emv“.
Die Messaufgabe besteht darin, per Software das definierte Frequenzband (30...1000
MHz) mit der zugehörigen Bandbreite (120 kHz) am Messempfänger durchzuscannen
und die vom Prüfling bei den gemessenen Frequenzen erzeugte Abstrahlung durch
Messen der elektrischen Spannung in µV (nicht der Feldstärke; diese wird am Ende
aus 3 Spannungsmessungen x,y,z errechnet !) aufzuzeichnen.
Dies ist eine Besonderheit der GTEM-Zelle, die Spannungen wie eine Leitung liefert
(normalerweise im Bereich 150kHz bis 30 MHz), obwohl man im „gestrahlten“
Frequenzbereich zwischen 30 und 1000 MHz misst. Mit Antennen (Transducer) würde
man Feldstärken (in µV/m) messen. Darauf ist bei der Auswahl der Scantabelle (s.S.121) mit dem Navigator zu achten: Es muss eine „Voltage“-Tabelle genommen werden
(keine „Field“ oder gar „Power“-Tabelle) !!
Zuerst über die Kopfmenüzeile „Datei“ und „Navigator“ anklicken. Anschließend mit dem
Scan-Editor zuerst im unteren Fenster „Teilbereich“ den Empfänger-Typ (ESPC)
auswählen (falls nicht schon voreingestellt) und Scan-Modus „log“ für logarithmischen
Frequenzdurchlauf. Fahren Sie fort wie in der Anleitung (1-22ff) beschrieben, wählen
Sie aber zunächst nur den MaxPeak-Detektor für Kurve 1 (die anderen auf NONE
setzen. Da der MaxPeak-Detektor sehr schnell arbeitet, können wir uns einen schnellen
Überblick über ein interessierendes Spektrum verschaffen (Leer- bzw.
Übersichtsmessung).
Achten Sie darauf, dass im Feld „Einheit“ (links oben in der Scan-Editor-Maske) dBµV
steht und im rechten oberen Fenster „Teilbereiche“ der korrekte Frequenzbereich, der
von Ihnen im unteren Fenster „Teilbereich“ rechts bei Startfrequenz bzw. Stopfrequenz
einzugeben ist (falls nicht schon voreingestellt vom Vorgänger). Die Schrittweite soll
1,6% (100:64) betragen, die ZF-Bandbreite 120 kHz (Norm) und die Messzeit zunächst
bei der Übersichtsmessung nur 0,01s (=Verweildauer).
Sie können den Menüpunkt mit "OK" nur verlassen, wenn Sie zuvor den schon
vorhandenen alten Teilbereich (Fenster rechts oben) löschen und neu generieren
Beim nachfolgenden Menüpunkt "Test/Messung/Scan" wird die Scan-Einstellung
(Start/Stop-Frequenzen sowie der Detektortyp) nochmals angezeigt. Das Ergebnis 1
(MaxPeak-Kurve im Diagramm) muss einen Namen erhalten, ebenso die grafische
Darstellung (Diagramm-Name). Die Namen für die Report- bzw. Testkonfiguration
können unverändert bleiben. Durch Anklicken des Button START und Bestätigen der
anschließenden PC-Meldungen (mit RETURN) wird ein leeres Diagramm erstellt und
die Messung gestartet (Messkurve baut sich, bei 30MHz beginnend, langsam auf).
Für die anschließenden Normmessungen (X,Y,Z) wählen Sie dann im Scan-Editor die
zwei Detektoren „MaxPeak“ (für Kurve1) sowie „Quasipeak“ für Kurve2 und ändern
Sie die Messzeit entsprechend der Anleitung auf S.1-25. Es werden dadurch jeweils 2
Ergebnisse (Kurven) in einer Grafik erzeugt, je eine für jeden Detektor MaxPk und QPk.
Für die Weiterverarbeitung insbesondere der QuasiPeak-Messwerte müssen diese
namentlich eindeutig identifizierbar sein (s. nachfolgende Box)
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Aufgabenblatt (4)
Achtung: Da wir insgesamt diesen Durchlauf 3x (für X,Y und Z) durchmessen, um
diese Ergebnisse am Schluß korrellieren (d.h. verrechnen) zu können, müssen die
jeweiligen Zwischen-Messwerte getrennt nach X,Y,Z abgespeichert werden (richtige
Reihenfolge beachten), sonst werden sie überschrieben !
Auswertung, Nachmessungen und Ausgabe des Messprotokolles mit Grafik
Die GTEM-Korrelation gemäß Anleitung S. 2-45ff nach Methode a) mit den drei
abgespeicherten Spannungskurven durchführen. (Anm.:Der Aufruf der Korrellation
erfolgt über die Kopfmenüleiste mit „Test“ „Auswertung“ und „GTEM-Korrellation“)
Im Falle der Leermessung sind natürlich alle 3 Messungen identisch, sodass man nur 1
Messung durchzuführen braucht und diese zum Schluß 3x mit sich selbst korrelliert,
d.h. Vx Vy und Vz sind identisch (Eingabe-Maske s. Anleitung S.2-46).
Das Ergebnis ist übersichtlich darzu stellen (die dB-Grafikachse mittels Autoscale-Ikons
(Bild 18 S.1-27: 4.Button von links) optimieren oder besser feste Skalierung wählen
(z.B. 0 bis 50 dB) über Button # für eine bessere Vergleichbarkeit verschiedener Mess/EUT-Anordnungen.
In das Emissionsdiagramm soll die zugehörige Grenzwertkurve eingeblendet werden.
Hierzu muss in der Kopfzeile des Grafikfensters der von Ihnen aufgezeichneten Emissionskurve der Button für Kurve 3 (die beiden ersten Kurven sind ja die Messwerte) angeklickt und anschließend im sich öffnenden Fenster zuerst die Wahl „Grenzwertlinie“
und danach die passende Normkurve (EN55022F-QP) aus dem Dateispeicher
aufgerufen werden. (Welche Kurve ist das? Wofür steht F-QP?)
Mit dem Report-Generator kann man vor dem Ausdruck der Ergebnisse den Reportkopf (im Programm: Report-Generator) individuell mit Ihren Namen, Datum und dem
Produktnamen „PFC“ (für Power Factor Controller) sowie dem Firmennamen „EMVPraktikum“ versehen (falls genügend Zeit bleibt und Sie den Ehrgeiz dazu haben).
Aufbau des Prüflings (EUT) und Inbetriebnahme
Nach erfolgter Leer- und Übersichtsmessung, kann mit der eigentlichen Prüflingsvermessung begonnen werden. Da der Messablauf jetzt bekannt ist, sind die
Messungen nun schnell erstellbar.
Die Baugruppe (Variante1 ohne Masseflächen) ist normgerecht in der Zelle zu
positionieren und die Last anzuschliessen. Klären Sie, bevor Sie die Türe schliessen,
eindeutig die 3 vorzunehmenden Raumausrichtungen/Drehungen des EUT (ggf.
Markierung des EUT an einer Seite). Die erste Position ist die X-Messung. Verbinden
Sie jetzt erst den Prüfling mit 230V (Stecker) und schließen Sie die Kammertür.
Achtung: Der Prüfling hat berührbare Netzspannung führende Teile !!
Starten Sie erneut über „Test“und „Scan“ die Messung und speichern Sie die
Zwischenergebnisse getrennt nach X, Y und Z mit unterschiedlichen Namen z.B.
(NAME_PFC1-X, -Y, -Z) ab. Verfahren Sie im Übrigen wie oben beschrieben.
Auswertungsergebnisse
Die Messkurven der Spannungsmessungen und der Feldstärke-Emissionskurven sollen
für beide EUTs ausgedruckt und interpretiert werden, d.h. der Anstieg zu hohen
Frequenzen hin (auch bei Leermessung) muss aus den Feldgleichungen begründet
werden. Der gemessene Unterschied hinsichtlich der Abstrahlung zwischen den beiden
Prüflingen ist anhand des Layouts bzw. evtl. Schirmmaßnahmen zu erläutern.
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