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--- professoren_webseiten:rebholz:emv-labor [2026/04/22 09:12] – [Allgemeiner Messablauf] hrebholz
+++ professoren_webseiten:rebholz:emv-labor [2026/04/22 09:14] (aktuell) – [Aufgabe 11] hrebholz
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 ==== Entstörung ====
-In unserem Beispiel gilt es die Grenzwerte der leitungsgebundenen Emissionen einzuhalten. Da in modernen Fahrzeugen, und dabei vor allem im Innenraum, sehr viel Elektronikkomponenten
+In unserem Beispiel müssen die Grenzwerte für leitungsgebundene Emissionen eingehalten werden. In modernen Fahrzeugen – insbesondere im Innenraum – ist eine hohe Dichte an elektronischen Komponenten vorhanden. Daher ist davon auszugehen, dass sehr strenge Grenzwerte an unsere Komponente gestellt werden.
-verbaut sind, müssen wir davon ausgehen, dass unsere Kunden die schärfsten Grenzwerte an unsere Komponente anlegen. Das bedeutet, wir müssen die Komponente entstören. Bisher haben wir den Eingangsfilter außen vorgelassen und ohne
-jegliche Filterschaltung in den Versorgungsleitungen gemessen. In der Realität kommt keine Komponente ohne solche Filter am Eingang aus, womit diese immer im Design berücksichtigt werden müssen. Die Kunst besteht nun darin
-die Filterschaltung so klein wie notwendig und natürlich auch so günstig wie möglich darzustellen. Daher ist es immer schlauer die Entstehung hochfrequenter Emissionen zu verhindern, also die Störquelle zu reduzieren, als später deren
-Auswirkungen zu unterdrücken. \\
-Die wichtigsten Layoutregeln lauten hier:
-  * Masse stets so niederohmig wie möglich gestalten
-  * Rückstrompfade nicht dem Zufall überlassen und dafür sorgen, dass diese nahe der Zuleitung verlaufen können
-  * Strompfade bzw. Schleifen so klein wie möglich halten
-Während der Entwicklung der Platine in einem studentischen Projekt wurden einige Punkte bereits berücksichtigt. Da die Grenzwerte noch nicht ganz eingehalten werden können müssen wir nun eine geeignete Filterschaltung wählen.
+Dies bedeutet, dass eine gezielte Entstörung erforderlich ist. Bisher wurde der Eingangsfilter bewusst weggelassen, sodass Messungen ohne jegliche Filterung in den Versorgungsleitungen durchgeführt wurden. In der Praxis kommt jedoch keine elektronische Baugruppe ohne geeignete Eingangsfilter aus. Diese müssen daher bereits im Design berücksichtigt werden.
-Nachfolgende Abbildung zeigt die möglichen Filterschaltungen die auf der Platine umgesetzt werden können:
+Die Herausforderung besteht darin, die Filterschaltung so klein und kostengünstig wie möglich auszulegen. Grundsätzlich gilt: Es ist immer effektiver, die Entstehung von Störungen zu minimieren, als deren Auswirkungen nachträglich zu unterdrücken. \\
+Wichtige Layoutregeln sind:
+  * Masseverbindungen möglichst niederohmig ausführen
+  * Rückstrompfade gezielt führen und möglichst nahe an den zugehörigen Hinleitungen halten
+  * Stromschleifen möglichst klein halten
+Im Rahmen der bisherigen Entwicklung wurden bereits einige dieser Punkte berücksichtigt. Da die Grenzwerte jedoch noch nicht vollständig eingehalten werden, ist nun eine geeignete Filterschaltung zu implementieren.
+Die folgende Abbildung zeigt mögliche Filtertopologien, die auf der Platine realisiert werden können:
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:filterschaltung.jpg?800 |}}
-Die Gleichtaktspule und die Filterinduktivität sind fest vorgegeben. Die Bauteile der Kondensatoren können Sie nach belieben wählen. Es muss lediglich der Footprint auf der Platine mit Ihrer Auswahl übereinstimmen.
+Die Gleichtaktdrossel (L1) und die Filterinduktivität (L2) sind vorgegeben. Die Kondensatoren können frei gewählt werden, sofern ihre Bauform (Footprint) mit dem Layout kompatibel ist. Die im Schaltplan angegebenen Werte dienen lediglich als Richtwerte.
-Die im Schaltplan angegebenen Werte sind Richtwerte und müssen nicht übernommen werden. In einem realen Projekt wäre die Schaltung vorgegeben und Sie als EMV- Ingenieur müssen nun mit dem vorhandenen Filerdesign das Beste Ergebnis erzielen.
-Schauen Sie sich doch einfach mal die Datenblätter der Gleichtaktspule L1 {{ :professoren_webseiten:rebholz:744290121-1721527.pdf |}} und der Filterinduktivität L2 {{ :professoren_webseiten:rebholz:7447709220.pdf |}}im Datenblatt an.
+In einem realen Projekt ist das Filterdesign häufig vorgegeben, und die Aufgabe besteht darin, mit den vorhandenen Komponenten das bestmögliche Ergebnis zu erzielen.
-Dabei sind vor allem die Impedanzverläufe über der Frequenz interessant. Eine Spule soll ja hochfrequenten Strömen blockieren. Das bedeutet natürlich je höher die Impedanz, desto besser für uns. Auffällig ist natürlich jeweils, dass die Impedanz oberhalb
-der Resonanzfrequenz drastisch abfällt.\\
-==== Impedanzanalysator ====
+Betrachten Sie hierzu die Datenblätter der Gleichtaktdrossel L1
+{{ :professoren_webseiten:rebholz:744290121-1721527.pdf |}}
+und der Filterinduktivität L2
+{{ :professoren_webseiten:rebholz:7447709220.pdf |}}.
-Die verfügbaren Kondensatoren (X-Kondensatoren) können wir selber nachmessen mit unserem Impedanzanalysator. \\
+Besonders relevant ist der Impedanzverlauf über der Frequenz. Ziel ist es, hochfrequente Störströme zu blockieren, was einer möglichst hohen Impedanz entspricht. Auffällig ist jedoch, dass die Impedanz oberhalb der Eigenresonanzfrequenz der Bauteile stark abfällt. Dies muss bei der Auslegung der Filter berücksichtigt werden.
+==== Impedanzanalysator ====
+Die verfügbaren Kondensatoren (X-Kondensatoren) können mit dem Impedanzanalysator vermessen werden. \\
+Der Impedanzanalysator dient zur Bestimmung der frequenzabhängigen Impedanz sowie der Phasenverschiebung eines Bauteils. In diesem Fall können Messungen im Bereich von 20 Hz bis 120 MHz durchgeführt werden. Die folgende Anleitung beschreibt die grundlegende Inbetriebnahme des Geräts.
-Der Impedanzanalysator dient dazu die Impedanz und die Phasenverschiebung eines beliebigen Bauteils zu ermitteln. In diesem Fall sind mit dem Gerät die Verläufe von 20Hz bis 120MHz darstellbar. Die folgende Einweisung soll helfen den Impedanzanalysator bis zur Betriebsfähigkeit einzustellen.
 {{ :professoren_webseiten:rebholz:impedanzanalysator_emv_lavor.jpg?600 |}}
-  - Nach dem Hochfahren zeigt der Impedanzanalysator die Impedanz und die Phasenverschiebung in einem bestimmten Frequenzbereich an. Nun muss die verwendete Messeinrichtung kalibriert werden. Dazu wird zuerst mit der Taste „Cal“ das Kalibrierungsmenü geöffnet. Daraufhin muss mit dem Menüpunkt „Accessory“ die verwendete Messeinrichtung ausgewählt werden.
+  * Nach dem Einschalten zeigt der Impedanzanalysator die Impedanz und die Phasenverschiebung über einen bestimmten Frequenzbereich an. Zunächst muss die verwendete Messeinrichtung kalibriert werden. Öffnen Sie dazu mit der Taste „Cal“ das Kalibriermenü und wählen Sie unter „Accessory“ den verwendeten Messadapter aus.
-  - In diesem Beispiel wurde der Messadapter „16047E“ verwendet. In dem Untermenü „Fixture Compen“ wird die Kalibrierung gestartet. Zuerst wird der Messadapter „offen“ kalibriert. Dabei darf kein Bauteil eingespannt sein. Mit dem Button „open“ wird die Kalibrierung gestartet. Mit einem Piepsen ist der Vorgang abgeschlossen.
-  - Für den nächsten Schritt wird ein definiertes Bauteil in den Adapter eingespannt (Kurzschlussbügel). Dieses „goldene Plättchen“ ist mit an gerändelten Schraube an dem Messadapter befestigt. Das Plättchen ist zu lösen und in den Messadapter einzuspannen.
-  - Als nächstes wird im gleichen „Fixture Compen“ Menü die Kalibrierungsoption „Short“ genutzt. Wieder wird mit einem Piepsen den Abschluss des Vorgang bestätigt. Damit ist die Kalibrierung des Messadapter abgeschlossen. Nun können die Bauteile vermessen werden. Das weitere Vorgehen wird Anhand von einem 10nF Keramikkondensator beschrieben. Zuerst wird das Bauteil in den Messadapter eingespannt.
-  - Nun sollte Anzeige eingestellt werden. Dies erfolgt im „Sweep Setup“ Menü. Mit der Einstellung „Sweep Type“ und dann auf „Log Freq“ wird der Frequenzbereich logarithmisch dargestellt.
-  - Im „Format“ Menü kann zusätzlich sie Y-Achsen Skalierung auf logarithmisch eingestellt werden.
-  - Um nun die Anzeigen hinreichend passend darzustellen, kann im Menü „Scale“ die Funktion „Auto Scale“ für eine Darstellung bzw. „Auto Scale All“ für alle Darstellungen verwendet werden.
-  - Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt im „Analysis“ Menü. Um nun die Werte von der Kapazität, der Induktivität und des Widerstandes zu ermitteln, muss das Untermenü „Equivalent Circut“ ausgewählt werden. Der Sinn dieses Menü ist es die realen Werte des Bauteils mit denen von einer bestimmten Ersatzschaltung zu vergleichen. Wenn die Verläufe der Ersatzschaltung mit denen des realen Bauteils übereinstimmen, sind die Werte des Bauteils gefunden. Um den Visuellen Vergleich zu starten, sollten die Einstellungen „Simulate“ und „Display“ auf „ON“ gestellt werden.
-  - Nun muss eine Ersatzschaltung für das Bauteil im Untermenü „Select Circut“ ausgewählt werden. Die Wahl der Ersatzschaltung hängt von der Art des Bauteils ab.
-  - Man sollte verschiedene Ersatzschaltungen verwenden und dann über die Plausibilität der berechneten Werte nachdenken. Um einen berühmten Professor zu zitieren:„ Wenn die Bauteilwerte negativ sind, ist das schonmal schlecht“. Mit der Wahl des Ersatzschaltbild, kann nun im „Equivalent Circut“ Menü der Button „Calculate“ verwendet werden.
-  - Jetzt versucht das Programm Bauteilwerte zu bestimmen, welche einen Verlauf der Ergebnisse ergeben, die den realen Verläufen möglichst nahe kommen. Bei einfachen Bauteilen, wie diesem Kondensator, ist dies sehr zuverlässig. Wenn die Verläufe übereinstimmen, sind die Bauteilwerte bestimmt. Bei komplexeren Bauteilen kann es vorkommen, dass die Verläufe nicht sofort übereinstimmen. Dann können die Bauteilwerte der Ersatzschaltung angewählt und mit dem Stellrad oder mit den Nummerntasten nachkorrigiert werden.
-==== Aufgabe 11 ====
+  * In diesem Beispiel wird der Messadapter „16047E“ verwendet. Im Menü „Fixture Compen“ wird die Kalibrierung gestartet. Zunächst erfolgt eine „Open“-Kalibrierung, bei der kein Bauteil eingespannt sein darf. Starten Sie den Vorgang mit „Open“. Ein akustisches Signal bestätigt den Abschluss.
-Bei der Auswahl der Filterelemente geht man üblicherweise wie folgt vor:
+  * Für den nächsten Schritt wird ein definierter Kurzschluss (Kurzschlussbügel) in den Adapter eingespannt. Dieses Bauteil ist meist als kleines metallisches Plättchen am Adapter befestigt.
-**Schritt 1:**\\
+  * Anschließend wird im selben Menü die „Short“-Kalibrierung durchgeführt. Auch hier signalisiert ein Ton den erfolgreichen Abschluss. Damit ist die Kalibrierung abgeschlossen.
-Bestimmen der dominierenden Störgröße (Gleich- oder Gegentaktstörung). Diese Aufgabe haben wir bereits erledigt. Wir kennen nun die Größe gegen die wir hauptsächlich etwas unternehmen müssen. Typischerweise sind Gegentaktstörungen für tiefe Frequenzen dominant, Gleichtaktstörungen für Frequenzen ab ca. 10 MHz. Der Übergang zwischen den dominanten Störgrößen hängt hauptsächlich vom Aufbau ab, wobei es keinen allgemeine Regel gibt in welchem Frquenzbereich eine Störgröße dominiert.\\
-**Schritt 2:**\\
-Mit dem Wissen über die dominante Störgröße suchen wir uns nun ein geeignetes Filterelement aus und überprüfen in einer erneuten Messung die Wirkung. Da die Grenzwerte stets auf "nodale" Größen, also gegen Referenzmasse bezogen sind müssen wir nun noch überprüfen ob durch das
-Filterelement auch eine Wirkung gegenüber den Grenzwerten erzielt werden kann.
-Bei der Bewertung der Filterelemente stellen wir stets Messungen gegenüber mit / ohne Filterelement sowohl für Gleich-/ Gegentaktwirkung, als auch für die nodalen Größen.
-\\
-**Schritt 3:**\\
-Wir wiederholen die Schritte mit verschiedenen Filterelementen bis wir die Grenzwerte einhalten oder uns die Ideen ausgehen :-(\\
-Sollte das der Fall sein bleibt nur noch die Möglichkeit die Filterstruktur zu ändern (also alles von Vorne) oder nach der Quelle der Störungen zu suchen. Ist die Störquelle bekannt ist es vielleicht möglich durch eine Layoutänderung die EMV-Eigenschaften zu verbessern oder lokale
-Filter einzufügen. In vielen Fällen kann ein weiteres Hardwaremuster jetzt nicht mehr abgewendet werden. Für den Projektzeitplan hat dies ggf. fatale Folgen.
-**Glück des Tüchtigen:**\\
+  * Nun kann das zu vermessende Bauteil (z. B. ein 10 nF Keramikkondensator) in den Messadapter eingesetzt werden.
-Auch Lösungen die auf den ersten Blick nichts mit den Versorgungsleitungen zu tun haben können helfen. \\
-Probieren Sie es doch einfach aus:\\
-  * Filter im Ausgangspfad (an der Last)
-  * Ferrite auf der Zuleitung (können zur Not auch noch spät im Projekt angebracht werden)
-  * Ferrit im Ausgangspfad (Heizelement)
+  - Die Darstellung wird im Menü „Sweep Setup“ konfiguriert. Wählen Sie unter „Sweep Type“ die Option „Log Freq“, um den Frequenzbereich logarithmisch darzustellen.
-**Fazit:**\\
+  * Im Menü „Format“ kann zusätzlich die Y-Achse auf eine logarithmische Darstellung eingestellt werden.
-EMV-Optimierungen in einer späten Musterphase (C-Muster bzw. Vorserie) sind viel zu spät. Treten Grenzwertüberscheitungen auf die durch reine Bauteilanpassungen nicht mehr behebbar sind muss ein neuer Musterstand eingeplant werden.
+  * Für eine optimale Darstellung wählen Sie im Menü „Scale“ die Funktion „Auto Scale“ bzw. „Auto Scale All“.
+  * Die Auswertung erfolgt im Menü „Analysis“. Um die Bauteilparameter zu bestimmen, wählen Sie das Untermenü „Equivalent Circuit“. Ziel ist es, die Messkurven mit einem geeigneten Ersatzschaltbild zu vergleichen.
+  * Aktivieren Sie dazu die Optionen „Simulate“ und „Display“. Anschließend wählen Sie im Untermenü „Select Circuit“ ein passendes Ersatzschaltbild aus. Die Wahl hängt vom Bauteiltyp ab.
+  * Es empfiehlt sich, verschiedene Ersatzschaltungen zu testen und die Plausibilität der berechneten Werte zu prüfen. Ein praktischer Hinweis: Sind berechnete Bauteilwerte negativ, ist das Ergebnis physikalisch nicht sinnvoll.
+  * Mit dem Button „Calculate“ wird eine Anpassung durchgeführt. Das Gerät bestimmt Bauteilwerte, deren simulierte Kennlinie möglichst gut mit den gemessenen Daten übereinstimmt.
+  * Bei einfachen Bauteilen wie Kondensatoren gelingt diese Anpassung in der Regel sehr zuverlässig. Bei komplexeren Bauteilen kann eine manuelle Nachjustierung erforderlich sein. In diesem Fall können die Parameter im Ersatzschaltbild gezielt angepasst werden.
+==== Aufgabe 11 ====
+Bei der Auswahl geeigneter Filterelemente wird üblicherweise wie folgt vorgegangen:
+**Schritt 1:** \\
+Bestimmung der dominierenden Störgröße (Gleich- oder Gegentaktstörung). Diese Aufgabe wurde bereits durchgeführt. Es ist bekannt, gegen welche Störgröße primär Maßnahmen erforderlich sind. Typischerweise dominieren Gegentaktstörungen im niedrigen Frequenzbereich, während Gleichtaktstörungen häufig ab etwa 10 MHz relevant werden. Der genaue Übergangsbereich hängt jedoch stark vom konkreten Aufbau ab und lässt sich nicht allgemeingültig festlegen. \\
+**Schritt 2:** \\
+Basierend auf der dominierenden Störgröße wird ein geeignetes Filterelement ausgewählt und dessen Wirkung durch erneute Messungen überprüft. Da die Grenzwerte auf nodale Größen (Bezug zur Referenzmasse) bezogen sind, muss zusätzlich bewertet werden, ob das Filter auch in Bezug auf die Grenzwerte wirksam ist.
+Zur Bewertung werden stets Vergleichsmessungen durchgeführt:
+  * mit und ohne Filterelement
+  * für Gleich- und Gegentaktanteile
+  * sowie für die resultierenden nodalen Größen \\
+**Schritt 3:** \\
+Die Schritte werden mit unterschiedlichen Filterelementen wiederholt, bis die Grenzwerte eingehalten werden oder keine weiteren Optimierungsmöglichkeiten ersichtlich sind.
+Falls dies nicht zum Erfolg führt, bleibt nur:
+  * eine Anpassung der Filterstruktur (Neudesign),
+  * oder die gezielte Analyse und Reduktion der Störquelle.
+Ist die Störquelle identifiziert, kann diese oft durch Layoutoptimierungen oder lokale Filtermaßnahmen reduziert werden. In vielen Fällen ist jedoch ein neuer Hardwarestand erforderlich, was Auswirkungen auf den Projektzeitplan haben kann.
+**Glück des Tüchtigen:** \\
+Auch Maßnahmen außerhalb der direkten Versorgungspfade können wirksam sein. Beispiele:
+  * Filter im Ausgangspfad (an der Last)
+  * Ferrite auf den Versorgungsleitungen
+  * Ferrite im Ausgangspfad (z. B. am Heizelement)
+**Fazit:** \\
+EMV-Optimierungen in späten Entwicklungsphasen (z. B. C-Muster oder Vorserie) sind kritisch. Können Grenzwertüberschreitungen nicht mehr durch einfache Bauteilanpassungen behoben werden, ist in der Regel ein neuer Hardwarestand erforderlich.
 <WRAP center round todo 60%>
-  - Messen Sie den Betrag der Impedanz verschiedener Kondensatoren und überlegen Sie ob diese als X-Kondensatorelement zum Einsatz kommen können. Stellen Sie den Impedanzverlauf verschiedener Kondensatoren gegenüber.
+  - Messen Sie den Betrag der Impedanz verschiedener Kondensatoren und bewerten Sie deren Eignung als X-Kondensatoren. Vergleichen Sie die Impedanzverläufe.
-  - Suchen Sie nach der besten Filterlösung für unser Produkt
+  - Finden Sie die optimale Filterlösung für das gegebene System.
-  - Erklären Sie warum in unserem Beispiel keine Y-Kondensatoren zum Einsatz kommen können.
+  - Erklären Sie, warum in diesem Aufbau keine Y-Kondensatoren eingesetzt werden können.
-  - Erstellen Sie einen EMV-Prüfbericht mit dem Fazit und Endergebnis
+  - Erstellen Sie einen EMV-Prüfbericht mit Fazit und Endergebnis.
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-Hinweis: Die von uns hier entwickelte Sitzheizung reicht nur für einen kleinen Sitz. Die Sitzheizung in modernen Fahrzeugen hat eine Leistung von mehreren hundert Watt.
+Hinweis: Die hier entwickelte Sitzheizung ist für Demonstrationszwecke ausgelegt. In realen Anwendungen erreichen Sitzheizungen Leistungen von mehreren hundert Watt.