Elektromagnetische Verträglichkeit

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) kennzeichnet den üblicherweise erwünschten Zustand, dass technische Geräte einander nicht wechselseitig mittels ungewollter elektrischer oder elektromagnetischer Effekte störend beeinflussen. Sie behandelt technische und rechtliche Fragen der ungewollten wechselseitigen Beeinflussung in der Elektrotechnik.

Grundlage

Die Nutzung elektrischer Energie ist immer mit der Umwandlung elektromagnetischer Feldenergie in andere Energieformen, z. B. in Wärme (Glühlampe) oder mechanische Energie (Motor) verbunden. Wärmeenergie kann als Strahlung oder Wärmeübertrag stattfinden. Dabei bleiben die Felder nicht zwingend innerhalb der elektrischen Betriebsmittel, sondern können sich auch außerhalb des Betriebsmittels ausbreiten. Felder, die sich frei ausbreiten, können in elektrische Betriebsmittel eindringen und die Funktion des Betriebsmittels beeinflussen. Betriebsmittel, die der Funkkommunikation dienen, wie z. B. Mobiltelefone oder Radioempfangsgeräte, zeichnen sich durch gewollte Aussendung (Mobiltelefon) oder gewolltes Eindringenlassen (Radioempfangsgeräte, Mobiltelefon) von Feldern aus.

Die elektromagnetische Verträglichkeit umfasst alle ungewollten oder gewollten Funktionsstörungen elektrischer oder elektronischer Betriebsmittel durch z. B. elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder und Vorgänge. Darin sind Beeinflussungen durch Ströme oder Spannungen bereits eingeschlossen.

Wesentlich zur Sicherstellung der elektromagnetisch verträglichen Funktion elektrischer Betriebsmittel sind deren sachgerechter Aufbau und Gestaltung. Nachweis und Bestätigung von Störunempfindlichkeit und hinreichend geringer Störaussendung sind durch EMV-Richtlinien und EMV-Normen geregelt.

Die Europäische EMV-Richtlinie definiert elektromagnetische Verträglichkeit wie folgt:

die Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines Systems, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für alle in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen oder Systeme unannehmbar wären.

Daraus werden die grundlegenden Schutzanforderungen abgeleitet, die jedes elektrische Betriebsmittel, das in Verkehr gebracht wird, einhalten muss. Die Schutzanforderungen legen fest, dass einerseits die Störaussendungen des Betriebsmittels so gering sein müssen, dass z. B. Rundfunkempfänger oder andere Betriebsmittel in der Störumgebung nicht unzulässig beeinflusst werden. Dabei handelt es sich um eine Begrenzung der Störquellen. Andererseits sollen die zu erwartenden auf das Betriebsmittel einwirkenden Störgrößen (Felder, Störströme oder Störspannungen) dessen Funktion nicht beeinträchtigen. Das Betriebsmittel muss also hinreichend störfest aufgebaut werden.

Für Betriebsmittel, die die einschlägigen EMV-Normen einhalten, darf vermutet werden, dass die Schutzanforderungen eingehalten sind. Der VDE bzw. die DKE ist in Deutschland zuständig für die Erstellung und Bearbeitung der Normen. In letzter Zeit werden die Normen zunehmend auf internationaler Ebene angeglichen. Daher spielen auch für Deutschland internationale Normungsorganisationen wie IEC, CENELEC und CISPR eine immer stärkere Rolle.

Theorie

Verschiedene Kopplungsarten

Das übliche Störkopplungsmodell geht von den Begriffen Störquelle, Kopplungspfad und Störsenke aus. Das Störungen erzeugende Betriebsmittel wird als Störquelle (engl. source oder culprit), das beeinflusste Betriebsmittel wird als Störsenke (engl. load) bezeichnet. Damit es zu einer Beeinflussung der Senke durch die Quelle kommen kann, muss die Störung zur Senke gelangen, um dort als Störgröße wirken zu können. Den Weg zwischen Quelle und Senke nennt man Kopplung oder Kopplungspfad. Kriterium der Güte einer Signalübertragung ist in der EMV der Störabstand.

Man unterscheidet zwischen natürlichen und technischen Störquellen und Störsenken. Als Beispiel für eine natürliche Störquelle gilt ein Blitz, natürliche Senken können Lebewesen sein. Typische technische Störquellen sind z. B. Frequenzumrichter, typische technische Störsenken sind z. B. Funkempfangsgeräte.

Bei der Beeinflussung von Lebewesen durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Größen spricht man auch von elektromagnetischer Umweltverträglichkeit oder EMVU. Der Schutz gegenüber Blitzen wird unter dem Begriff Blitzschutz behandelt. Der Schutz gegenüber elektrostatischen Entladungen wird häufig ebenfalls gesondert betrachtet.

Folgende Kopplungsmechanismen werden unterschieden:

• Die Galvanische Kopplung, technisch genauer Impedanzkopplung, entsteht an gemeinsamen Impedanzen des Störstromkreises mit dem Stromkreis der Störsenke. Dies können gemeinsame Bauelemente oder Leitungsabschnitte beider Stromkreise sein, über die z. B. Ausgleichsströme fließen, die über die Impedanz des gemeinsamen Leitungsabschnitts Spannungen einkoppeln. Bei Leiterplatten entsteht eine Impedanzkopplung ggf. auch über nicht ausreichend dimensionierte Massebahnen und Stützkondensatoren. Anmerkung: Spätestens an dieser Stelle ist der Begriff Impedanzkopplung technisch dem üblichen Begriff galvanische Kopplung vorzuziehen, da ein Kondensator keine galvanische Verbindung bietet.

• Kapazitive Kopplung bezeichnet die Beeinflussung durch ein elektrisches Feld, z. B. Überkopplung auf parallel geführte Leiter in einem Kabel oder Kabelkanal oder parallel geführte Leiterbahnen auf einer Leiterplatte. Dieser Effekt kann z. B. zwischen parallelgeführten Leitungen mit hochohmigen Abschlussimpedanzen auftreten.

• Induktive Kopplung bezeichnet die Beeinflussung einer Störsenke durch ein Magnetfeld. Die Induktive Verkopplung entsteht durch Magnetfeldeinkopplung, üblicherweise in Leiterschleifen, z. B. zwischen parallelgeführten Leiterschleifen, die jeweils niederohmige Abschlussimpedanzen aufweisen.

• Von Strahlungskopplung spricht man, wenn ein elektromagnetisches Feld auf eine Störsenke einwirkt. Elektrische Leiter eines Kabels oder auf Platinen können als Antenne wirken und z. B. Radio- oder Funksignale empfangen die auf dem Leiter als Störsignale entstehen.

Arten von Störungen

In der EMV wird zwischen leitungsgebundenen und feldgebundenen Störungen unterschieden.

• Die leitungsgebundenen Störungen werden von der Störquelle direkt über Versorgungs- oder Signalleitungen zur Störsenke übertragen.

Ein Knacken im Radio kann zum Beispiel durch das Abschalten eines Kühlschranks verursacht werden, das Abschalten der Versorgungsspannung mithilfe eines Temperaturschalters erzeugt Spannungspulse mit einem Spektrum im hörbaren Frequenzbereich. Wenn diese Spannungspulse über die Versorgungsleitung zum Radiogerät geführt und dort demoduliert werden, kommt es zu einer Knackstörung. Abhilfe schafft häufig Filterung.

• Die feldgebundenen Störungen werden zum Beispiel als elektromagnetisches Feld auf die Störsenke übertragen und dort beispielsweise von einem als Antenne fungierenden Leiter empfangen. Auch kapazitive und induktive Beeinflussungen elektrischer bzw. magnetischer Felder werden als feldgebundene Störungen bezeichnet.

Ein Beispiel für eine feldgebundene Störung ist die Einkopplung einer GSM-Mobiltelefon-Übertragung in eine Audioeinrichtung, z. B. in ein Autoradio oder in ein Festnetztelefon. Grund dafür kann ein nicht ausreichend geschirmter Lautsprecher oder Kabel sein.

Die typischen Störgeräusche werden zum Beispiel durch GSM-Mobiltelefone verursacht, da diese den HF-Träger (GSM-Signal) niederfrequent, im hörbaren Frequenzbereich, nach einem Zeitmultiplexverfahren ein- und ausschalten. In Lautsprechern kann es durch Induktion zu einer Spannung und in Folge dessen zu Störgeräuschen kommen.

Störungsvermeidung

Zur Vermeidung von Störungen dient eine EMV-gerechte Auslegung von Anlagen oder Geräten. Zu den bekannten Maßnahmen zählen die Schirmung, die Filterung elektrischer Schaltungen, das Verdrillen, die Verwendung symmetrischer Signale und einige weitere Maßnahmen. Häufig lassen sich Störungen durch eine geeignete Massegebung und die Vermeidung weitläufiger Störstromschleifen vermeiden. Wirksam sind je nach Störsituation entweder das Unterbrechen oder das Zusammenschließen elektrischer Massen, etwa zur Vermeidung der o.g. galvanischen oder Impedanzkopplung. Durch die Auswahl geeigneter Taktfrequenzen lassen sich Störeinflüsse auf naheliegende bandbegrenzte Funkempfänger vermeiden.

Technische Konsequenzen

Die elektromagnetischen Wellen können zum Beispiel in Schaltungen Spannungen bzw. Ströme erzeugen. Diese können im einfachsten Fall zu einem Rauschen im Fernseher, im schlimmsten Fall zum Ausfall der Elektronik führen.
Die elektromagnetische Verträglichkeit stellt sicher, dass zum Beispiel Herzschrittmacher oder die Steuerelektronik von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen nicht ausfallen. In Flugzeugen ist der Betrieb von Mobiltelefonen unter bestimmten Auflagen möglich, aber im Allgemeinen noch nicht flächendeckend gestattet (vgl. LuftEBV). Zu den Auflagen in der Luftfahrt gehört ein Nachweis der elektromagnetischen Verträglichkeit des Flugzeugs mit dem Mobilfunkstandard.
Besondere Aufmerksamkeit beansprucht die elektromagnetische Verträglichkeit auch im industriellen Maschinen- und Anlagenbau. Hier müssen häufig leistungsstarke elektromechanische Aktoren und empfindliche Sensoren auf engem Raum störungsfrei zusammenarbeiten.

Auswirkungen auf die Umwelt

Elektromagnetische Wellen haben auch Einfluss auf Menschen und die natürliche Umwelt. Das Teilgebiet der elektromagnetischen Umweltverträglichkeit (EMVU) befasst sich mit den Auswirkungen auf Umwelt und lebende Organismen.

Gesetzliche Bestimmungen

Die Energieversorgungsunternehmen und der Gesetzgeber schreiben in der EU den Herstellern von Elektrogeräten vor, in Deutschland durch das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln, entsprechende Schutzanforderungen einzuhalten, die durch Grenzwerte zur Störfestigkeit oder zur Störaussendung in einschlägigen Normen niedergelegt sind.

Mehr zu diesem Thema findet sich unter dem Stichwort CE-Kennzeichnung mit Informationen zur EMV-Richtlinie, die oft zusammen mit der Niederspannungsrichtlinie angewendet werden muss.

Im Regelfall wird die Einhaltung der Schutzanforderungen vermutet, wenn die auf das Gerät anwendbaren harmonisierten europäischen Normen eingehalten werden, um allen Kunden und Bürgern einen störungsfreien Betrieb von Elektrogeräten zu gewährleisten. Dies führt oft dazu, dass derjenige, der ein Gerät auf dem Europäischen Markt anbietet, EMV-Prüfungen oder gleichwertige Nachweisverfahren anwendet, um die EMV nachzuweisen. Als gleichwertige Nachweisverfahren eignen sich, je nach Komplexität des Geräts, bereits einfache Plausibilitätsbetrachtungen. So wird zum Beispiel eine Glühlampe, die außer dem Glühfaden keine elektrischen oder elektronischen Bauteile enthält, für sich genommen im Betrieb keine Grenzwerte für Hochfrequenzemissionen überschreiten.

Während der letzten Jahre wurden innerhalb Europas Versuche unternommen, die Grenzwerte und Rahmenbedingungen verschiedener Länder einander anzugleichen, z. B. im Rahmen der EMV-Richtlinie.

In Deutschland kümmern sich die Bundesnetzagentur (ehemals Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post), das Bundesamt für Strahlenschutz und die Bundeswehr im Rahmen der Verordnung über das Nachweisverfahren zur Begrenzung elektromagnetischer Felder um die Einhaltung der Schutzanforderungen oder der Grenzwerte.

Normen

Fachgrundnormen	Thema
EN 61000-6-1:2007	Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe
EN 61000-6-2:2005	Störfestigkeit für Industriebereiche
EN 61000-6-3:2007	Störaussendung für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereiche sowie Kleinbetriebe
EN 61000-6-4:2007	Störaussendung für Industriebereiche

Produktenormen (nicht abschließend)	Thema
EN 50121-3-2:2006	Bahnfahrzeuge – Geräte
EN 50370-1:2005	Werkzeugmaschinen, Teil 1, Störaussendung
EN 50370-2:2003	Werkzeugmaschinen, Teil 2, Störfestigkeit
EN 60601-1-2:2007	Medizinische elektrische Geräte
EN 61800-3:2004	Drehzahlveränderbare elektrische Antriebe – Teil 3: EMV-Produktnorm einschließlich spezieller Prüfverfahren
EN 61326-1:2006	Elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte
EN 61326-2-3:2006	Elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte – Messgrößenumformer
EN 301489-1 V1.8.1	Funkeinrichtungen - Gemeinsame Technische Anforderungen
GL 2003 VI Part 7	Prüfanforderungen an elektrische/elektronische Geräte und Systeme

Prüfnormen: (nicht abschließend)	Thema
EN 55011:2009	Störaussendung: ISM-Geräte – Grenzwerte und Messverfahren
EN 55014-1:2006 +A1:2009	Störaussendung: Diskontinuierliche Störungen (Knack)
EN 55015:2006 +A1:2007 +A1:2009	Störaussendung: elektrische Beleuchtungseinrichtungen
EN 55016-2-1:2004 +A1:2005	Störaussendung: Störspannung – Messung der leitungsgeführten Störaussendung
EN 55016-2-3:2006	Störaussendung: Störfeldstärke – Messung der gestrahlten Störaussendung
EN 55022:2006 +A1:2007	Störaussendung: Einrichtungen der Informationstechnik – Grenzwerte und Messverfahren
EN 55022:2006	Störaussendung: Einrichtungen der Informationstechnik – Grenzwerte und Messverfahren
EN 61000-4-2:1995 +A1:1998 +A2:2001	Störfestigkeit gegen die Entladung statischer Elektrizität (ESD)
EN 61000-4-3:2006 +A1:2008	Störfestigkeit gegen hochfrequente elektromagnetische Felder
EN 61000-4-4:2004	Störfestigkeit gegen schnelle transiente elektrische Störgrößen (Burst)
EN 61000-4-5:2006	Störfestigkeit gegen Stoßspannungen (Surge)
EN 61000-4-6:2007	Störfestigkeit gegen leitungsgeführte Störgrößen, induziert durch hochfrequente Felder
EN 61000-4-8:1993 + A1:2001	Störfestigkeit gegen Magnetfelder mit energietechn. Frequenz
EN 61000-4-11:2004	Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen
EN 61000-4-20:2003	Störfestigkeit gegen hochfrequente elektrom. Felder (TEM)

Literatur

• Adolf J. Schwab, Wolfgang Kürner: Elektromagnetische Verträglichkeit. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-42004-0.
• Georg Durcansky: EMV-gerechtes Gerätedesign. Franzis Verlag, Poing 1999, ISBN 978-3-772-35385-7.
• Tim Williams: EMC – Richtlinien und deren Umsetzung. Elektor-Verlag GmbH, Aachen 2000, ISBN 3-89576-103-6.
• Joachim Franz: EMV, Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen. Teubner, Stuttgart Leipzig Wiesbaden 2002, ISBN 3-519-00397-X.
• Dr. Thomas Brander, Alexander Gerfer, Bernhard Rall, Heinz Zenker: Trilogie der induktiven Bauelemente – Applikationshandbuch für EMV-Filter, getaktete Stromversorgungen und HF-Schaltungen, 4. überarbeitete und erweiterte Auflage. Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, Waldenburg 2008, ISBN 978-3-89929-151-3.
• Hasse, E. U. Landers, J. Wiesinger, P. Zahlmann: VDE-Schriftenreihe Band 185. EMV – Blitzschutz von elektrischen und elektronischen Systemen in baulichen Anlagen – Risiko-Management, Planen und Ausführen nach den neuen Normen der Reihe VDE 0185-305. 2. vollst. überarb. und erw. Auflage. VDE Verlag GmbH, Berlin 2007, ISBN 978-3-8007-3001-8.

Weblinks

• EMV leicht erreicht – Pocket Guide (PDF-Datei; 1,1 MB, Publikation des ZVEI zur EMV-gerechten Gestaltung von industriellen Anlagen
• EMV-Richtlinie (deutsch)
• EMV Prüfanlage der ESA (englisch)
• White Paper – Automotive EMI Shielding, Leitfaden zur EMV-gerechten Gestaltung von Automotive Applikationen