Worin besteht der Unterschied zwischen EMI und EMV bei Netzteilen?
28. Januar 2020 von Bruce Rose – Lesezeit: 5 Minuten
In Diskussionen über elektrische Störungen im Zusammenhang mit dem Produktdesign werden oft elektromagnetische Störungen (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erwähnt. Häufig gibt es Verwirrung bei: „Was ist der Unterschied zwischen EMI und EMV?“ Eine einfache Antwort ist, dass es keine universelle Übereinstimmung hinsichtlich der genauen Bedeutung beider Begriffe gibt und daher beide Begriffe verwendet werden können, um ähnliche Konzepte zu beschreiben.
Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) definiert EMV als die „Fähigkeit von Geräten oder Systemen, in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne dass in dieser Umgebung unerträgliche elektromagnetische Störungen auftreten“. Vereinfacht ausgedrückt: „Störungen von außen werden toleriert und die Außenwelt wird nicht gestört.“
Die IEC definiert EMI als die „Verschlechterung der Leistung von Geräten oder Übertragungskanälen oder eines Systems aufgrund einer elektromagnetischen Störung“. Dieser Ausdruck, der die elektromagnetische Verträglichkeit definiert, bedeutet vereinfacht: „Leistungseinbußen aufgrund von Störungen von außen.“
Während die IEC die oben beschriebenen Definitionen bereitstellt, gibt es auch Anbieter von Netzteilen, die EMI als das Konzept definieren, wie sich ein Produkt auf die Umgebung auswirkt, in der es betrieben wird, während sich EMV darauf bezieht, wie sich die Umgebung um ein Produkt auf den Betrieb des Produkts auswirkt . Da keine Einigung über die Definitionen erzielt wurde, werden die Aktivitäten in diesem Dokument entweder als „keinen Schaden anrichten“ oder als „Störungen von außen tolerieren“ eingestuft.
Keinen Schaden anrichten
Im Folgenden werden drei häufige Störungen erörtert, die durch Netzteile und zugehörige Systemkonstruktionen verursacht werden: Leitungsemissionen, Strahlungsemissionen und Oberschwingungen. Diese Störungen können die Funktionalität elektronischer Geräte beeinträchtigen oder deaktivieren, die in der Nähe der betreffenden Geräte betrieben werden.
Leitungsemissionen
Das häufigste Problem in Bezug auf „keinen Schaden anrichten“ sind Emissionen, die sowohl leitungsgebunden sind als auch abgestrahlt werden. Die Leitungsemissionen wirken sich auf die Umgebung aus, in der das Produkt betrieben wird, indem Energie die Stromleiter entlang an die Stromquelle zurückgesendet wird. Die Aufsichtsbehörden haben Höchstwerte für zulässige geleitete Energie im Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz festgelegt. Bei der Messung der Leitungsemissionen wird ein Netz zur Stabilisierung der Leitungsimpedanz (Line Impedance Stabilization Network, LISN) zwischen dem zu prüfenden Gerät (Device under Test, DUT) und der Stromquelle platziert. Das LISN bietet eine standardisierte Isolation zwischen der Stromquelle und dem zu prüfenden Gerät sowie eine standardisierte Last, über die die geleitete Energie gemessen wird.
Die meisten Stromversorgungen enthalten interne Filterkomponenten am Eingang, um Leitungsemissionen zu unterdrücken, die durch die Stromversorgung erzeugt werden. Wenn das Netzteil an eine Systemlast angeschlossen ist, werden möglicherweise unbeabsichtigte Signale von der Systemlast über das Netzteil zurückgeleitet und erscheinen am Eingang des Netzteils. Wenn in der Systemkonfiguration nicht akzeptable Leitungsemissionen gemessen werden, muss der Systemingenieur Komponenten hinzufügen, um die nicht akzeptablen Emissionen zu dämpfen.
Strahlungsemissionen
Wie der Name schon sagt, wirken sich Strahlungsemissionen durch die Abstrahlung elektromagnetischer Energie auf die Umgebung aus, in der ein Produkt betrieben wird. Strahlungsemissionen werden im Frequenzbereich von 30 MHz bis 1 GHz (und manchmal höhere Frequenzen) geregelt. Zusätzlich zur Systemlast können Strahlungsemissionen durch die Stromversorgung oder durch die Wechselwirkung zwischen der Stromversorgung und der Systemlast verursacht werden. Leiter in die Stromversorgung oder aus der Stromversorgung können als unbeabsichtigte Antennen zur Abstrahlung der Energie dienen. Inakzeptable Strahlungsemissionen von der Stromversorgung oder von der Wechselwirkung zwischen der Stromversorgung und der Systemlast werden normalerweise dadurch behoben, dass Filterkomponenten auf den Leitern zwischen der Stromversorgung und der Systemlast platziert werden. Diese Filterkomponenten dienen zur Dämpfung der verfügbaren Energie, die von den externen Stromversorgungsleitern abgestrahlt wird. Horizontal und vertikal polarisierte Breitbandantennen, die in einer schalltoten Kammer betrieben werden, werden verwendet, um Strahlungsemissionen zu erfassen und zu messen.
Oberschwingungen
Im Fall von Oberschwingungen besteht die Sorge, dass viele Lasten von Wechselstromquellen nicht rein ohmsch sind, und obwohl die Quellenspannung sinusförmig ist, ist der Laststrom es nicht. Ein einfaches Beispiel für dieses Konzept ist die Last, die eine Stromversorgung aufgrund des Eingangsbrückengleichrichters und des Filterkondensators darstellt. Der Brückengleichrichter zieht Strom und lädt den Hauptkondensator nur während der Spannungsphase auf, während der die Eingangsspannung größer als die Spannung am Hauptkondensator ist. Die resultierende Laststromwellenform am Eingang des Brückengleichrichters ist eine Reihe von Impulsen mit niedrigem Tastverhältnis, die mit der doppelten Frequenz der Netzspannung auftreten. Dieser gepulste Laststrom mit niedrigem Tastverhältnis verbraucht bei Oberschwingungen der Netzspannung eine große Menge Energie. Weder die Quelle noch das Übertragungssystem der Netzspannung sind für die Abgabe von Energie bei diesen Oberschwingungen optimiert. Daher arbeitet das System nicht optimal. In einigen Netzteilen sind PFC-Schaltungen (PFC: Power Factor Correction, Leistungsfaktorkorrektur) erforderlich, um die vom Netzteil aufgenommene Oberschwingungsenergie zu reduzieren. Die Oberschwingungsstromspezifikationen nach IEC 61000-3-2 betreffen die 2. bis 40. Oberschwingung und gelten für Geräte mit einem Nennstrom bis 16 A.
Die intern erzeugte Oberschwingungsstörung gilt nur für Wechselstromversorgungen im leitungsgebundenen Zustand und Strahlungsemissionen gelten sowohl für Wechselstromversorgungen als auch für Gleichstromversorgungen.
Störungen von außen tolerieren
Es gibt viele Arten von Störungen, die durch gesetzliche Vorschriften geregelt werden und deren Opfer die Stromversorgung und die zugehörigen Systeme sind. Einige von ihnen umfassen elektrostatische Entladung, elektrische schnelle Störsignale, Spannungsspitzen, Spannungseinbrüche und Kurzschlüsse. Diese externen Störungen können die Leistung eines Netzteils oder des zugehörigen Systems beeinträchtigen. Das Design und die Tests werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Netzteil und das System bei diesen Störungen ordnungsgemäß funktionieren. Die aufgelisteten Störungen – die elektrischen schnellen Störsignale, Spannungsspitzen, Spannungseinbrüche und Kurzschlüsse – hängen mit der Qualität der am Eingang der Stromversorgung anliegenden Spannung zusammen. Externe Störungen aufgrund von elektrostatischer Entladung werden durch die Interaktion mit der Betriebsumgebung erzeugt.
Zusammenfassung
Die Konzepte von EMV und EMI sind eng miteinander verbunden und die gängigen Definitionen der Begriffe können sich auf beide beziehen. Eine lockere Definition, die alle Konzepte umfasst, lautet „Störungen von außen tolerieren und die Außenwelt nicht stören“. Obwohl die Definitionen nicht universell sind, werden die damit verbundenen Störungen von Compliance-Agenturen spezifiziert und geregelt. Anbieter von Stromversorgungen, wie z. B. CUI, kennen die regulatorischen Anforderungen und sind in der Lage, ihre Kunden bei der Herstellung konformer Produkte zu unterstützen.
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Bruce Rose
Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.