Die Messung leitungsgebundener Störaussendungen ist stark von der Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit abhängig. Auch in Laboren, die Schaltnetzteile, elektronische Geräte, industrielle Steuerungen, medizinische Systeme und Automobilmodule prüfen, hängt die Messqualität nicht nur von der Qualität des Empfängers ab, sondern auch von der Hardware in der Prüfkette. Zu diesen unterstützenden Systemen gehören unter anderem: EMI-Messgeräte Insbesondere das künstliche Netzwerk, das zur Leitungsimpedanzregelung eingesetzt werden soll. Sobald die Leistung abweicht oder nicht mehr gewährleistet ist, werden die Ergebnisse irreführend und führen zu falschen Fehlern, fälschlicherweise bestandenen Prüfungen, verzögerten Zertifizierungszyklen und falschen Entscheidungen zur Designverbesserung.
Der Begriff „künstliches Netzwerk“ beschreibt ein Netzwerk, das eine reproduzierbare Impedanz zwischen einer Stromquelle und einem Prüfling gewährleisten soll. Ohne eine stabile Impedanz variiert das leitungsgebundene Emissionsverhalten erheblich.

Problem im Zusammenhang mit Impedanzdrift

Um eine vorgegebene Impedanz von 50 Ohm über den Frequenzbereich der leitungsgebundenen Störaussendungsmessung (üblicherweise 150 kHz bis 30 MHz) abzubilden, ist ein künstliches Netzwerk erforderlich. Mit der Zeit verändern sich die internen Bauteile aufgrund von Alterungsprozessen der Kondensatoren, veränderter Toleranz der Widerstände, Temperaturschwankungen und Oxidation der internen Anschlüsse. Diese Veränderung ist nicht gleichmäßig, und meist verschieben sich zunächst die niedrigen oder mittleren Frequenzbereiche. Dies führt zu unregelmäßigen Messkurven.
Sollte dies eintreten, sind die bei den Vorabprüfungen gemessenen Rauschspitzen höher oder niedriger als bei den vollständigen Zertifizierungsprüfungen, was zu unnötigen technischen Nachbesserungen führen kann. Um dies zu beheben, ist eine Kalibrierung erforderlich, um Amplitude und Phase der Impedanz bei verschiedenen Frequenzen innerhalb eines Frequenzbandes zu überprüfen. Professionelle Systeme verwenden Kalibriervorrichtungen, die eine Impedanzmessung an den LISN-Anschlüssen durchführen. Überschreitet die Abweichung den zulässigen Wert, werden die Komponentenblöcke ausgetauscht, anstatt die Korrektur per Software vorzunehmen.
Hersteller von EMV-Messgeräten empfehlen, Geräte, die in Testlaboren im Dauerbetrieb laufen, regelmäßig auszutauschen, da längere Temperatureinwirkung zu Drift führt. Die Anstiegsrate des ESR von Kondensatoren wird zu einer signifikanten Abweichung, wenn die Bauteile mit sehr hohen Spannungen betrieben werden.

Häufige Fehler bei der Signalerdung

Eine unzureichende Erdung zwischen der Kammererdung und der künstlichen Netzwerkerdung ist eine der häufigsten Ursachen für Messwertabweichungen. Kleine Diskontinuitäten im Erdungsfeld führen zu Stromableitungen durch Unterschiede in den alternierenden Leitern, wodurch unerwünschte Störungen verstärkt oder aufgehoben werden. Dieses Problem tritt typischerweise dann auf, wenn sich das LISN auf einem beweglichen Tisch befindet oder über Verlängerungskabel anstatt über geerdete Platten angeschlossen ist.
Dieses Problem lässt sich beheben, indem man einen Erdungswiderstand zwischen dem Gehäuse des künstlichen Netzwerks, dem Erdungsbezugspunkt des EMI-Empfängers und der Erdungsebene sicherstellt. Allerdings können bei EMI-Frequenzen Resonanzen aufgrund geringfügiger Impedanzänderungen die Emissionsspitzen verändern. Abhilfe schafft hier die Verbindung des LISN mittels induktivitätsarmer Bänder, das Anbringen mechanischer Kontakte und das Entfernen loser Rackpositionen.

Überlastung des Empfängers

Das Prüfobjekt (DUT) darf dem EMV-Empfänger keine direkten Schaltstörungen oberhalb der spezifizierten Grenzwerte zuführen. Falls die Entstörabschnitte des künstlichen Netzwerks ausfallen, gelangen hochenergetische Transienten direkt zum Empfängereingang und führen zu einer unbeabsichtigten Überlastung. Bei einer Überlastung steigen die Messwerte nicht an, sondern die Impulsspitzen verschwinden. Dies wird von Ingenieuren fälschlicherweise als Verbesserung der Störfestigkeit interpretiert.
Dies muss mittels eines dynamischen Überlasttests geklärt werden. Anstatt nur einen einzelnen Lastzustand zu messen, sollten die Ergebnisse unter Last und im Leerlauf verglichen werden. Wenn die gemessenen Kurven nicht zusammenfallen, können die Dämpfungsstufen im künstlichen Netzwerk geschwächt sein.
Moderne EMV-Messgeräte verfügen zudem über Überlastungsdiagnosefunktionen, mit denen Anwender Messfehler vermeiden können. Andere Netzwerke besitzen austauschbare Überspannungsschutzbauteile, um sicherzustellen, dass der Verschleiß die übrigen Systemkomponenten nicht beeinträchtigt.

Tabelle: Typische Fehlersymptome und Ursachenanalyse für künstliche Netzwerke

Testsymptom	Wahrscheinliche Grundursache	Wirksamste Lösung
Abrupte Abflachung der Rauschspitzen oberhalb von 15 MHz	Überlastung am Empfänger aufgrund eines Ausfalls der LISN-Dämpfung	Ersetzen Sie den Entstörabschnitt oder die Kondensatorbank in der ersten Reihe.
Die Frequenzspitzen verschieben sich zwischen den Messungen wiederholt.	Inkonsistente Erdung oder schwebendes Chassis	Verstärkung der Massebänder mit niedriger Induktivität
Zunehmendes Rauschen über das gesamte Frequenzspektrum bei längerer Nutzung	Alterung des Kondensator-ESR im LISN-Eingangsbereich	Ersetzen Sie alternde Kondensatorblöcke
Die Emissionen im niedrigen Frequenzbereich ändern sich drastisch mit der Last.	Impedanzänderung aufgrund von Toleranzverschiebungen des Widerstands	Impedanzkalibrierung erneut überprüfen

Falsche Kabelführung

Bei den durchgeführten Emissionsmessungen beeinflusst die Kabelführung die strahlungsbedingte Einkopplung als leitungsgebundene Störung. Werden die Kabel zum Prüfling zu nah an Kammerwänden, metallischen Bauteilen oder in Betrieb befindlichen Schaltreglern verlegt, verändern sich die EMV-Muster erheblich. Schattenbereiche auf dem Kabel führen zu niedrigen Messwerten, während unbedeckte Bereiche des Kabels zu erhöhten Messwerten führen.
Die Kabelführung ist bei der Verwendung von EMV-Messgeräten mit standardisierten Kabeltrassen stets gleich. Die meisten Fehler entstehen dadurch, dass Bediener die Kabel zwischen den Messzyklen umstecken, ohne die Änderungen zu dokumentieren. Abhilfe schafft die Erstellung von Kabelverlegeplänen in der Testdokumentation, deren Verlegung in allen Messreihen beibehalten wird.
Künstliche Netzwerke, die zu weit von den Eingangsleitungen entfernt liegen, führen zu unkontrollierten Kabelbewegungen und damit zu einer großen Schwankungsbreite.

Thermische Instabilität bei Langzeittests

Bei längeren Laufzeiten und häufigem Umschalten der Stromversorgung erhöht die Innentemperatur des Prüflings das Emissionsprofil. Die Ingenieure vermuten fälschlicherweise einen Defekt des LISN oder des Empfängers. Dieses wärmebedingte Verhalten ist jedoch normal. Ein Testproblem, das dazu führt, ist die Überhitzung des künstlichen Netzwerks, die insbesondere bei hohen Lasten die interne Impedanz verändert.
Um dieses Problem zu lösen, sollte die Belüftung nicht nur direkt um das Prüfobjekt (DUT) herum, sondern auch um das künstliche Netzwerk herum erfolgen. Bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer LISNs an dreiphasigen Lasten lässt sich die Wärme nicht abführen. Professionelle Testumgebungen verfügen über isolierte Luftkanäle, die eine konstante Temperatur um die EMV-Elemente gewährleisten.

Falsche Referenzorientierung beim Vergleich mehrerer Geräte

Andere Labore vergleichen die Ergebnisse verschiedener Systeme mit unterschiedlichen Empfängern, Netzwerken und Kabelführungen. Dieser Vergleich ohne Bezugspunkt ist irreführend. Alle Vergleichsmessungen müssen am selben Bezugspunkt, dem künstlichen Netzwerk, durchgeführt werden.
Dieses Problem muss durch die Zuweisung eines kalibrierten LISN als Referenznetzwerk behoben werden. Die Messdaten sollten Zeitstempel, Kalibrierungsverlauf und Referenzkennung enthalten. Hersteller von EMV-Messgeräten fügen den Softwareprotokollen eine serielle Protokollierung hinzu, um Verwechslungen der Messquellen auszuschließen. LISUN bietet die beste Ausrüstung zur Messung elektromagnetischer Störungen.

Fehlinterpretation von Schaltrauschharmonischen

Die durch die Schaltfrequenz hervorgerufenen Oberschwingungen treten zusammen mit netzfrequentem Rauschen auf, das von der Leistungselektronik erzeugt wird. Bei einer Resonanz des internen Filters des künstlichen Netzwerks mit der Schaltfrequenz ändert sich die Amplitude der Oberschwingungen. Dies sind keine Fehler des Prüflings, sondern eine Resonanz des LISN (Linear Interconnection Network). Ingenieure sollten in der Lage sein, Artefakte des Prüflings von Netzwerkresonanzen zu unterscheiden.
Die Lösung liegt im Vergleich der Messwerte zweier LISNs und deren Wiederholbarkeit. Resonanzabweichungen treten auf, wenn das zweite LISN leicht unterschiedliche Profile erzeugt. Abhilfe schafft die Wahl eines Netzwerks, dessen interne Resonanzfrequenz nicht mit der Schaltfrequenz des Prüflings übereinstimmt.

Alterung der Eingangsanschlussplattierung und Oxidation

Der Widerstand an Kontaktstellen steigt bei mechanischer Oxidation. Die dadurch bedingte Stromkonzentration führt zu einer leichten Impedanzverschiebung bei höheren Frequenzen. Oxidierte Anschlüsse erzeugen zudem Mikrolichtbögen an den Kontaktpunkten, die sich bei EMV-Messungen als Breitbandimpulse äußern.
Zu den Lösungsansätzen für dieses Problem gehören die Überholung der Anschlüsse und der Austausch der Flechtbänder. Andere verwenden Oberflächenbehandlungspaste, wobei auch hier die Hersteller Vorkehrungen treffen müssen, um Rückstände zu vermeiden.

Fazit

Defekte am Prüfling sind selten eine Fehlerquelle bei der Emissionsvalidierung. In Fällen, in denen die Labore auf gültige Prüflinge angewiesen sind, … EMI-MessgeräteDas künstliche Netzwerk dient als Referenzelement. Häufige Ursachen für unzuverlässige Messwerte sind Impedanzdrift, mangelhafte Erdung, Überhitzung, oxidierte Anschlüsse, Fehler bei der Kabelverlegung und Verschlechterung der Dämpfungsstufe. Die Fehlersuche umfasst die Ermittlung der Ursache für die Auffälligkeiten: Empfänger, LISN, Erdungsanschluss, Schaltresonanz oder thermische Effekte.
Künstliche Netzwerke können ihre Funktionsfähigkeit in kontrollierten Impedanzreferenzen wiederherstellen, wenn Korrekturmaßnahmen sachgemäß durchgeführt werden. Das tatsächliche Produktverhalten spiegelt sich dann in den Testentscheidungen wider und nicht etwa Gerätefehler. Zuverlässig durchgeführte Emissionsprüfungen ermöglichen rechtzeitige Anpassungen oder Modifikationen im Design, eine ordnungsgemäße Zertifizierung und ein vorhersehbares Verhalten unter den realen Bedingungen von Stromverteilungssystemen.

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