DE9218996U1 - Anordnung zur Bestimmung der Prüflingsstörschwelle und Bewertung von EMV-Maßnahmen am Prüfling - Google Patents

Description

Anordnung zur Bestimmung der Prüflingsstörschwelle und Bewertung von EMV-Maßnahmen am Prüfling

Die Erfindung betrifft die sichere Bestimmung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), inbesondere der Störfestigkeit von digitalen Geräten bzw. Gerätefunktionen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die EMV-Dimensionierung von digitalen Schaltungen und digital arbeitenden Geräten; dabei insbesondere bei der Gerätekonstruktion, der EMV-Dimensionierung an den Schnittstellen, am Layout sowie im logischen Bereich der Geräte.

Auch für eine effektive Forschung auf dem Gebiet der EMV ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unverzichtbar.

Aus dem Stand der Technik sind Analysegeräte bekannt zur Bewertung von elektrischen Störsignalen. In DE 37 42 397 wird ein Netzanalysegerät zur Indikation, Analyse, Registierung, Speicherung und Meldung von elektromagnetischen Störfällen beschrieben. Das Gerät enthält eine Eingangsschaltung, die die elektrischen Störsignale oder Störimpulse in elektrisch besser verwertbare Größen umsetzt und die einen im Nanosekundenbereich schaltenden Komparator enthält.

Aus DE 38 21 709 ist ein Verfahren zum Dekodieren von Digitalsignalen bekannt, die einer mehrstufigen Bewertung unterzogen werden, wobei die Datensignale mindestens zwei Schwellwertentscheidungen mit unterschiedlich gelegten Entscheidungsschwellen unterzogen werden.

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Bei Verfahren und Anordnung zur Störungsunterdrückung bei der Impulserfassung nach DE 28 27 348 wird zur Unterdrückung der eine geringere Amplitude aufweisenden Störimpulse eine Schwelle vorgegeben, wobei die Schwelle in Abhängigkeit des Impulsamplitudenniveaus verschoben werden kann.

Von den bekannten Lösungen wird keine dynamische Schaltschwelle definiert, es werden lediglich einstellbare statische Schaltschwellen ohne definierte Impulszeiten bzw. -formen vorgegeben.

Für eine EMV-gerechte Dimensionierung digitaler Geräte bzw. Schaltungen gibt es keinen gesicherten Algorithmus. Für digitale Schaltungen bereiten im Nanosekunden-Bereich liegende, äußere impulsartige Störgrößen (Burst, ESD) besondere Schwierigkeiten.

Um die EMV von Geräten insgesamt oder von speziellen Gerätefunktionen nachzuweisen, werden deshalb Störgenerationen eingesetzt, beispielsweise Burstgeneratoren oder ESD-Pistolen.

Mit einem Störgenerator erfolgt über Geräteschnittstellen oder Zuleitungen die Störstromeinspeisung.

Der Störgenerator wird in geeigneter Weise mit dem Gerät verbunden, z.B. mit einem Koppelnetzwerk für Schnittstellen, einer Koppelzange für Kabel und Leitungen oder mit Konstruktionsteilen zur Einleitung von ESD-Entladungen. Zur Ermittlung der Störfestigkeit wird die Generatorspannung stetig oder schrittweise erhöht bis das Gerät eine unzulässige Fehlfunktion zeigt. Die Generatorspannungshöhe, bei der die Fehlfunktion auftritt, ist ein Maß für die

EMV des Gerätes.

Anstelle von Störgeneratoren, die leitungsgebunden Störimpulse erzeugen, sind auch elektromagnetische Strahlungsquellen verwendbar.

Solche elektromagnetischen Strahlungsquellen können z.B. Antennen oder TEM-Zellen sein.

Eine Verbesserung dieser Situation bringt der Einsatz von EMV-Sensoren. Die in der Schaltung wirkenden beeinflussenden Größen, können durch den Sensor direkt am Ort der Beeinflussung, des physikalischen Geschehens festgestellt werden.

Die Höhe der Generatorspannung, bei der die äquivalente Schaltschwelle des Sensors überschritten wird, ist ein Maß für die Verträglichkeit einer bestimmten EMV-Konfiguration. Der unzuverlässige Weg des Verträglichkeitsnachweises über die Gerätefehlfunktion wird damit umgangen.

Bei diesem Verfahren ist die Existenz der logischen Gerätefunktion nicht erforderlich. Das bedeutet, daß die EMV-Dimensionierung vor oder parallel zur Schaltungs- oder Geräteentwicklung, also vor der Erstellung eines ersten Musters, an einem EMV-Modell durchgeführt werden kann.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren ist u.a. die Anschaffung hochwertiger teurer Störgeneratoren. Außerdem ist das Verfahren zur Störschwellenermittlung relativ umständlich. Nach jedem Dimensionierungsschritt muß die Störspannung heruntergefahren und von neuem an den Punkt der neuen Störschwelle hochgeregelt werden. Ein sofortiges Ablesen einer Verträglichkeitsänderung ist nicht möglich.

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Die bekannten Störgeneratoren arbeiten mit einer definierten Störimpulsbreite (Stirnzeit, Rückenhalbwertzeit) und variabler Amplitude. Die definierte, feste Impulsbreite schränkt die Anwendbarkeit bei der EMV-Dimensionierung ein.

Für die EMV-Dimensionierung sind deshalb speziell zugeschnittene Verfahren erforderlich. Teure, regelbare und genaue Störgeneratoren der üblichen Bauweise eignen sich wenig. Außerdem ist das Meßverfahren zu langwierig.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, mit speziell auf den Problembereich der Erfindung zugeschnittenen Meßverfahren und unter Verwendung geeignet dimensionierter Störgeneratoren eine Vorgehensweise zu ermöglichen, die es gestattet, zu jeder Veränderung von EMV-Maßnahmen sofort die Verträglichkeitsänderung zu erfassen.

Es soll also eine am zu prüfenden Gerät entstandene Verträglichkeitsänderung sofort als Meßwert angezeigt werden. Dazu muß die Arbeitsweise des Störgenerators den spezifischen Erfordernissen bei der EMV-Dimensionierung angepaßt werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Ahspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Prüfobjekt mit Störimpulsen beaufschlagt wird, die pro Zeiteinheit bzw. Generatorzyklus definierte Anforderungen erfüllen. Nach diesen definierten Anforderungen

- werden Zahl und Verteilung der Impulse variiert,

- wird eine bestimmte Impulsfolge vorgegeben,

- werden definierte Höhen und Breiten der Störimpulse eingestellt,

- wird ein definierter Anstieg der Einzelimpulse bzw. eine definierte Form der Hüllkurve einer Impulsfolge vorgegeben,

- werden die Störimpulse bzw, Störimpulsfolgen mit einer bestimmten Polarität vorgegeben.

Mit den von einem Störgenerator kontinuierlich oder in Zyklen erzeugten Störimpulsen wird die zu prüfende Schaltung beaufschlagt. Die Zahl der Überschreitungen der Störschwelle pro Zeiteinheit wird von einem Zähler als Zahlenwert angezeigt, wobei dieser Zahlenwert ein direktes Maß für die EMV ist.

Wird die Störschwelle des Prüflings durch Manipulierung, z.B. im Sinne einer EMV-gerechten Dimensionierung verringert so erhöht sich dieser Zahlenwert und umgekehrt.

Damit ist jederzeit und sofort eine exakte Bewertung der EMV einer speziellen Schaltung möglich, was eine angepaßte Entwicklung und Dimensionierung ermöglicht.

Die Ausmessung der äußeren Störschwelle kann durch Variation der Störimpulsbreite bei jeweils steigender Amplitudenhöhe der Generatorspannung über eine bestimmte Zahl von Meßpunkten erfolgen. Dabei wird für jeden Meßpunkt die Amplitude bis zum Erreichen der Störschwelle

erhöht. Nachfolgend wird der Vorgang mit einer anderen Stör-Impulsbreite wiederholt, bis alle für die Aufnahme der Meßkurve erforderlichen Impulsbreiten durchfahren sind.

Eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens besitzt vorzugsweise folgenden Aufbau.

Ein EMV-Prüfling (Gerät, Gerätemodell, Schaltung oder Schaltungsmodell) ist mit einem Störgenerator verbunden. Im EMV-Prüfling ist ein EMV-Sensor adapiert, der über einen Lichtwellenleiter mit einem Empfänger verbunden ist. Die vom Sensor erfaßten Störschwellenüberschreitungen werden zum Empfänger übertragen und von einem mit ihm verbundenen Frequenzzähler registriert.

Es können alle Arten von Störgeneratoren verwendet werden, die Störimpulse im Nanosekunden-Bereich erzeugen. Mit einem Burstgenerator sind genaue Untersuchungen möglich. Eine kostengünstige Alternative ist der Killerkreis.

Weitere Merkmale der Erfindung können den Schutzansprüchen entnommen werden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1: zwei zeitliche Störamplitudenfolgen; in Fig. 1.1 ungeordnet und in Fig. 1.2 geordnet,

Fig. 2: die aus Fig. 1 resultierende Häufigkeitsverteilung der Störamplituden,

Fig. 3: eine Meßanordnung mit Frequenzzähler

Fig. 4: die Darstellung des Zusammenhangs von Störschwellen und Zählergebnis,

Fig. 5: eine Störimpulsamplitudenentwicklung nach einer Sinusfunktion,

Fig. 6: eine alternierende Störimpulsamplitudenentwicklung,

Fig. 7: Verlauf von Störimpulsbreite und Amplitude zur Ausmessung der äußeren Störschwelle,

Fig. 8: einen Killerkreis als Störgenerator in kapazitiv getrennter Ausführung.

Nach der in Fig. 1 dargestellten Meßstrategie erzeugt der Störgenerator 1 kontinuierlich oder in Zyklen Störimpulse konstanter Breite und mit unterschiedlicher Amplitude.

Die Häufigkeitsverteilung der Amplitude ist im betrachtetem Zeitabschnitt angenähert homogen. Zwischen einem Größtwert und einem Kleinstwert treten alle Amplitudenwerte etwa gleich wahrscheinlich auf, s. Fig. 2.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein spezieller Störgenerator 1 zusammen mit einer speziellen Meßanordnung nach Fig. 3 erforderlich. Der Störgenerator muß kontinuierlich Burstimpulse liefern, deren Amplituden unterschiedliche Höhe besitzen. Die Wahrscheinlichkeit

des Auftretens verschiedener Störimpulsamplituden muß möglichst gleichmäßig verteilt sein. Praktisch wird das bei einem speziellen Störgenerator zwischen einem kleinstund einem größtmöglichen Amplitudenwert mehr oder weniger gleichmäßig realisierbar sein.

Die Meßanordnung nach Fig. 3 besteht neben dem Störgenerator 1 und dem Prüfling 2 aus einem EMV-Sensor 6, der über einen Lichtwellenleiter 4 mit einem Empfänger 3 und einem Zählerfrequenzmesser 5 gekoppelt ist.

Pro Zeiteinheit überschreiten diejenigen Störimpulse die Störschwelle Ui, U2, U3 des Prüflings 2, die größer sind als die Störschwelle, s. Fig. 4.

Die Zahl der Überschreitungen der Störschwelle pro Zeiteinheit ist bei homogener Amplitudenverteilung konstant und wird von einem Zähler 5 als Zahlenwert pro Zeiteinheit angezeigt.

Dieser Zahlenwert ist ein Maß für die EMV. In Fig. 4 sind zu den eingetragenen Störschwellen Ui, II2, U3 die zugehörigen Impulszahlen am Zahlfrequenzmesser 5 mit &eegr; = 12, &eegr; = 6, &eegr; = 1 angegeben.

Wenn die Störschwelle des Prüflings 2 durch Manipulierung, beispielsweise in Ausführung der EMV-Dimensionierung verringert wird, erhöht sich der Zahlenwert und umgekehrt.

Je nachdem welche Höhe die Störschwelle hat, wird pro Zeitintervall eine bestimmte Impulszahl vom Sensor 6 registriert und an den Empfänger 3 weitergeleitet. Wenn der Empfänger 3 auf den Eingang eines Zählfrequenzmessers 5 aufgesteckt wird, s. Fig. 3, ist die Impulszahl pro Zeiteinheit (z.B. 1 see) sofort ablesbar, s, Fig. 4, Wenn die Störschwelle niedrig liegt, wird eine große , wenn sie hoch liegt, eine kleine Impulszahl registriert. Bei

diesem Verfahren ist die Impulszahl pro Zeiteinheit ein Wert für die Verträglichkeit des Prüflings 2. Eine durch Manipulieren am Prüfling entstandene Verträglichkeitsänderung kann sofort nach einer kurzen Meßzeit am Frequenzzähler 5 abgelesen werden.

Nach der bereits erläuterten ersten Verfahrensvariante weist die zeitliche Störimpulsamplitudenfolge eine statistische Verteilung auf, s. Fig. 1.1. Sie wirkt über eine ausreichend lange Zeit und führt damit zu einer homogenen Impulszahl, d.h. jede Störimpulshöhe ist dann etwa gleich oft vorhanden, s. Fig. 2.

Der Frequenzzähler 5 muß eine genügend große Meßzeit besitzen, so daß auch wirklich bei einer möglichst homogenen Verteilung gemessen wird. Oder umgekehrt, der Störgenerator 1 muß genügend schnell Impulse produzieren damit die Meßzeit klein genug gehalten werden kann.

Die Zahl der Störschwellenüberschreitungen hängt auch bei dieser Variante von der Höhe der Störschwelle und der Meßzeit ab.

Die Höhe der Störschwelle ist umgekehrt proportional der gezählten Impulszahl.

Die EMV-Meßgröße ist damit die Impulszahl.

Nach der zweiten Verfahrensvariante gemäß Fig. 1.2 ist die zeitliche Veränderung der Störimpulsamplitude des Generators eine stetige Funktion.

Die Amplitude der Störimpulse ändert sich monoton in kleinen Sprüngen nach dieser stetigen Funktion. Die zeitliche Änderung folgt damit einer bestimmten Funktion, z.B. einer linearen Funktion (Fig. 1.2) oder

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einer Sinus-Funktion nach Fig. 5.

Die Meßzeit muß mit dem Generatorzyklus synchronisiert sein oder aber ausreichend groß gegenüber dem Generatorzyklus sein.

Bei einer dritten Verfahrensvariante nach Fig. 6 können die Amplitudenfolgen nach Variante 1 (Fig. 6.1) und Variante 2 (Fig. 6.2) für beide Spannungspolaritäten alternierend verwendet werden.

Fig. 7 zeigt eine weitere Verfahrensvariante, mit der durch Variation der Störimpulsbreite T bei jeweils steigender Amplitudenhöhe der Generatorspannung für eine bestimmte Zahl von Meßpunkten die Ausmessung der äußeren Störschwelle erfolgen kann.

Nach Fig. 7 wird für zwei Impulsbreiten T 1 und T 2 die Amplitude der Generatorspannung U bis zum Erreichen der Störschwelle erhöht.

Die Zahl der für den Meßvorgang vorzusehenden Störimpulsbreiten T wird von der gewünschten Zahl der Meßpunkte und der Dimensionierung des Störgenerators bestimmt.

Nachfolgend noch einige Erläuterungen zur Meßanordnung gemäß Fig. 3.

Ein EMV-Geräte- oder Schaltungsmodell 2 ist als Prüfling über seine Koppelorte mit einem Störgenerator 1 verbunden. Im Modell ist der EMV-Sensor 6 adaptiert. Das Schaltungsmodell stellt eine EMV-Nachbildung der Geräteschaltung dar. Die wichtigsten Bestandteile sind die auf eine Trägerplatte aufgebrachte Massefläche, die Versorgungsleiterzüge und die Koppelorte. Die Trägerplatte besteht in ihrer einfachsten Form aus beschichtetem Leiterplattenmaterial. Die Konturen der Masse- und Versor-

gungsleiterzüge können geätzt oder ausgeschnitten sein. Für orientierende Experimente genügt es, nur die Schaltungsmasse angenähert nachzubilden, z.B. in stark vereinfachter Form als rechteckige Kupferfläche.

Im Allgemeinen sind mindestens zwei Koppelorte sinnvoll, einer über den der Störstrom einfließt und einer über den er ausfließt. Ein Koppelort kann eine Schnittstelle sein, oder z.B. eine parasitäre Kopplung zur Umgebung. Es ist meist nicht sinnvoll, Schnittstellennachbildungen zu verwenden, da die originalen Bauelemente wie übertrager, Relais und Optokoppler einfacher zu handhaben sind. Wenn jedoch viele Schnittstellenbauelemente parallel geschaltet werden müssen, ist es besser deren parasitären Kapazitäten mit einer Ersatzkapazität nachzubilden.

Um den Einfluß von Modellveränderungen auf die Verträglichkeit zu studieren, werden schrittweise Maßnahmen geändert. Die zu jeder Veränderung ermittelte Höhe der Störschwelle ermöglicht einen Vergleich der Maßnahmen. Auf Grund der gesammelten Erfahrungen läßt sich das Modell zielgerichtet in optimierender Weise verbessern.

Ein kostengünstige Alternative für die technische Ausführung eines Störgenerators ist der Killerkreis. Fig. 8 zeigt einen Killerkreis in kapazitiv getrennter Ausführung.

Er wird mit Wechsel- bzw. Gleichspannung beispielsweise über einen Trenntrafo betrieben; dargestellt ist eine selbstgetaktete Anordnung,

Ein solcher Killerkreis zur Erzeugung von Störimpulsen ist ausreichend, um einen überblick über die Wirksamkeit von EMV-Maßnahmen zu erreichen.

Die Wirksamkeit der erzeugten Störimpulse steht in proportionaler Abhängigkeit zur Speisespannung. Wenn für den Killerkreis ein Relais 7 mit 220 V Nennspannung und ca. 2W Spulenleistung verwendet wird, erzeugt die Anordnung extrem wirksame Störimpulse.

Die Größe der Kondensatoren Ck beträgt beispielsweise 1 bis 100 nF.

Zur Erzeugung einer bestimmten Impulsfolge und -formung kann das Relais 7 durch ein weiteres Relais oder geeignete bekannte Schaltmittel gesteuert werden.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist die zügige Durchführbarkeit von Verträglichkeitsänderungen und die Verwendbarkeit kostengünstiger Killerkreise als Störgeneratoren.

Claims (4)

Schutzansprüche

1. Anordnung zur Bestimmung der Prüflingsstörschwelle und Bewertung von EMV-Maßnahmen am Prüfling, dadurch gekennzeichnet, daß ein EMV-Prüfling (2) in Form eines Gerätes, Gerätemodells, einer Schaltung oder eines Schaltungsmodells mit einem Störgenerator (1) verbunden ist, wobei im EMV-Prüfling (2) ein EMV-Sensor (6) adaptiert ist, der vorzugsweise über einen Lichtwellenleiter (4) mit einer Auswerteeinheit (5) gekoppelt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinheit (5) zur Erfassung/Registrierung der Störschwellenüberschreitungen einen Impuls- bzw. Frequenzzähler aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Killerkreis als Störgenerator (1) eingesetzt- ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Killerkreis mit Wechsel- bzw. Gleichspannung, als selbst- oder fremdgetaktete Anordnung und als kapazitiv getrennte Ausführung betrieben wird, wobei zur Erzeugung einer bestimmten Impulsfolge und -form das Relais (7) durch ein weiteres Relais bzw. geeignete Schaltmittel gesteuert ist.