Um einen weitestgehend störungsfreien bzw. -armen Betrieb elektrischer und elektronischer Erzeugnisse auch wirtschaftlich zu gewährleisten, ist es notwendig die physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) in jeder Stufe des "live-cycle" eines Betriebsmittels zu beachten und hieraus notwendige Maßnahmen abzuleiten und einzuplanen.

"Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufrieden stellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere Betriebsmittel in derselben Umgebung unannehmbar wären" (Artikel 2 (d) der europäischen Richtlinie 2004/108/EG). Die EMV beinhaltet somit zwei Hauptaspekte.

Die Aussendung von Störungen muss auf der einen Seite auf ein Minimum begrenzt werden. Auf der anderen Seite muss jedes Betriebsmittel so störfest sein, dass es auch bei, für seine Umgebung üblichen, Störungen weiter fehlerfrei funktioniert. Dies kann nur erreicht werden, wenn neben der EMV-gerechten Gestaltung der Geräte und Anlagen auch die Elektroinstallation den physikalischen Forderungen der EMV genügt. Ist dies nicht der Fall, so wird es mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit zu elektromagnetischen Unverträglichkeiten kommen, selbst wenn die angeschlossenen Anlagen beste Voraussetzungen für einen störungsfreien Betrieb bieten. Hierbei hat insbesondere die Elektrofachkraft eine hohe Verantwortung, der sie nur gerecht werden kann, wenn sie die physikalischen Gesetzmäßigkeiten von Störbeeinflussungen sowie mögliche Maßnahmen zu deren Reduzierung kennt und Erfahrungen auf diesem Gebiet gesammelt hat.

Zur administrativen Sicherstellung beeinflussungsarmer Verhältnisse wurden in fast allen Staaten der Welt Gesetze erlassen.

Im Folgenden sollen wesentliche Aspekte der EMV in kurzer und komprimierter Form aus physikalischer Sicht überblicksmäßig behandelt werden. Dies soll dem Leser eine vielleicht neue Betrachtungsweise elektromagnetischer Vorgänge eröffnen und ihm mögliche Maßnahmen beim Auftreten elektromagnetischer Beeinflussungen aufzeigen. Einzelne der aufgeführten Schwerpunkte werden im Laufe der Zeit durch separate Artikel in diesem Online-Portal vertieft und praxisrelevant dargestellt.

Wie gelangt die Störung an ihr Ziel?
Damit es zu Beeinflussungen kommen kann, müssen drei Voraussetzungen vorhanden sein:

1. eine Störquelle
2. eine Störsenke und
3. ein Übertragungsweg.

In der Störquelle wird die Störung generiert. Hierbei kann es sich einerseits um ein Nutzsignal in anderen Systemen (z.B. Steuersignale, die über eine Leitung an eine fremde Anlage übertragen werden oder das elektromagnetische Feld eines Rundfunksenders), andererseits aber auch um ein unerwünschtes Signal, welches beispielsweise auf Grund der Schaltungstechnik entsteht (z.B. Oberschwingungen eines Schaltnetzteils) handeln.

Die Störsenke ist das Betriebsmittel, dessen Funktion nicht mehr fehlerfrei ist oder welches häufig auch zerstört wurde.
Die Störung gelangt auf dem Übertragungsweg (Kabel, Leitungen, metallische Strukturen oder Luft) von der Quelle zur Senke. Die Quellen können unter Umständen auch sehr weit vom beeinflussten Betriebsmittel entfernt sein (z.B. eine mehrere 100 Meter entfernte Bahnlinie).

Elektromagnetische Störungen

Elektromagnetische Störungen können unterschiedlichste Charakteristiken bezüglich Signalform, Frequenzbereich und Amplitude aufweisen. Ebenso unterschiedlich kann auch ihr zeitliches Auftreten sein (Kurzzeitstörungen, z.B. Abschaltimpulse; Dauerstörungen, z.B. durch Computer oder Rundfunksender).

Die folgende Aufzählung soll die für Elektrofachkräfte wichtigsten Gruppen möglicher Störungen benennen:

1. statische und niederfrequente Magnetfelder,
2. Oberschwingungen und Flicker,
3. transiente Störgrößen und
4. hochfrequente Störungen.

Monitor als Messgerät

Niederfrequente oder statische Magnetfelder treten vor allem an elektrifizierten Bahnstrecken, im Einflussbereich von Straßenbahnen, in Gebäuden (durch Elektroinstallationen!) oder auch in der Umgebung medizinischer Einrichtungen (Computertomographen) auf, um nur einige zu nennen.

Besonders empfindlich gegen diese Art von Störungen sind Computermonitore, Elektronenstrahlmikroskope, Audiosysteme und analoge Systeme.

Die Beseitigung derartiger Beeinflussungen gestaltet sich sehr schwierig, gerade in Bezug auf die Realisierung von Maßnahmen.

Auf der anderen Seite kann man sich diese unerwünschten Effekte aber auch zunutze machen, wenn man die physikalischen Gesetzmäßigkeiten verinnerlicht hat. Der Elektronenstrahl eines Computers erfährt durch die Störung eine zusätzliche Auslenkung im Winkel von 90° zum Feld. Die Auslenkung ist feldstärkeabhängig. Nun muss man wissen, dass beispielsweise ein 17`` Monitor bei etwa 1 µT Flussdichte sichtbare Beeinflussungen zeigt. Bei niederfrequenten Magnetfeldern äußert sich dies als „flimmern in der Geschwindigkeit der Störfrequenz“ (z.B. 50 Hz, 16 2/3 Hz), bei magnetischen Gleichfeldern als einmaligen Bildversatz, der erst wieder aufgehoben wird, wenn die Störung nicht mehr vorhanden ist. Dreht man den Monitor nacheinander in alle drei Raumrichtungen, so kann man analysieren, wie das Feld gerichtet ist, d.h. in welcher Richtung sich die Störquelle befindet. Beachtet man dabei zusätzlich, dass die Ausfallerscheinungen bei ca. 1 µT beginnen, bei höheren Feldstärken stärker werden und ab ca. 10 µT Farbverfälschungen zunächst an den Rändern hinzukommen (bei ca. 30 µT sind die Farben auf dem gesamten Bildschirm verfälscht), so hat man ebenfalls eine Aussage zur Größenordnung der Störung, was in den meisten Fällen bei der Störquellensuche zunächst ausreichend ist. Gerade auch unter dem Aspekt, dass EMV-Messtechnik sehr teuer und in den meisten Betrieben damit nicht verfügbar ist, stellt dies eine gute Alternative für erste Untersuchungen durch die Elektrofachkraft dar. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass sich LCD-Displays natürlich nicht für diese Untersuchungen eignen, da sie nicht mit einem Elektronenstrahl arbeiten.

Schwieriger Nachweis transienter Störgrößen

Wesentlich schwieriger gestaltet sich die „Fehlersuche“, wenn transiente Störgrößen auftreten. Hierbei handelt es sich um impulsförmige, nicht sinusförmige Störungen. Durch die Impulscharakteristik machen sich die Störungen in einem sehr weiten Frequenzbereich bemerkbar. Da in den meisten Betrieben Spektrumanalysatoren nicht vorhanden sind, sollte man mittels Oszilloskop versuchen, die Störimpulse „einzufangen“. Dies setzt einen recht hohen Frequenzbereich des Messgerätes und vor allem viel Geduld voraus, da transiente Störungen meist nicht ständig, sondern oftmals nur sporadisch zu unterschiedlichsten Zeitpunkten auftreten. Kennt man die Parameter (Amplitude, Impulsdauer, Anstiegs- und Abfallzeit) des Impulses dann endlich, kann man recht einfach näherungsweise ein sogenanntes Amplitudendichtespektrum für worst-case-Abschätzungen ermitteln. Ein Verfahren hierzu wird zu einem späteren Zeitpunkt vorgestellt. Es gilt die Regel: Je steiler der Impuls (d.h. je kürzer die Anstiegs- und Abfallzeiten), desto größer ist der Frequenzbereich, in dem Störungen auftreten. Aus Sicht der EMV sollten Impulsanstiege so langsam gestaltet werden, wie es gerade noch aus funktioneller Sicht vertretbar ist. Dies muss insbesondere auch bei der Auswahl von Schaltnetzteilen beachtet werden.

Hochfrequenzstörungen

Hochfrequente Störungen können sowohl leitungsgebunden als auch gestrahlt an die Umgebung abgegeben werden. Im unteren HF-Bereich bis etwa 30 MHz ... 50 MHz werden die Störungen über die angeschlossenen Leitungen (z.B. Stromversorgungsleitungen) an die Umwelt abgegeben. Im Frequenzbereich darüber erfolgt dies meist durch „Abstrahlung“ elektromagnetischer Felder von Gehäusen oder Kabeln. Der Grund dieses Verhaltens liegt zum einen in den Impedanzverhältnissen, zum anderen in erforderlichen Antennenstrukturen begründet.

Auch dieses Phänomen wird zu einem späteren Zeitpunkt ausführlicher untersucht.

Elektromagnetische Kopplungen

Die auftretenden Störgrößen gelangen über elektromagnetische Kopplungen zur entsprechenden Störsenke, d.h. zum beeinflussten Gerät. Die relevanten Kopplungen kann man wie folgt einteilen:

1. galvanische Kopplung (über eine gemeinsame Impedanz),
2. induktive Kopplungen,
3. kapazitive Kopplungen und
4. Strahlungskopplungen.

Zur Reduzierung der galvanischen Kopplung sollte auf eine asymmetrische Signalübertragung verzichtet und Rückleiterstrukturen großflächig und sternförmig ausgeführt werden. Die induktive und die kapazitive Kopplung lassen sich durch möglichst kurze Leitungslängen sowie größtmögliche Abstände zwischen den Leitern reduzieren. Ebenso führt eine Leitungsverlegung direkt über der metallischen Kabelpritsche zu einer Reduzierung der beiden Kopplungsarten, vorausgesetzt, der Kabelträger wurde hochfrequenzmäßig in den Potentialausgleich einbezogen. Der Strahlungskopplung wirkt man am Besten dadurch entgegen, dass man auftretende Antennenstrukturen erkennt und „vernichtet“.

EMV-Maßnahmen

Mögliche Maßnahmen zur Schaffung günstiger EMV-Verhältnisse lassen sich in die nachfolgend genannten Gruppen einteilen:

1. Massung,
2. Verkabelung,
3. Filterung und Überspannungsschutz sowie
4. Schirmung.

Massung nie mit Erdung gleichsetzen

Die Begriffe „Erdung“ und „Massung“ dürfen niemals und unter keinen Umständen gleichgesetzt werden, da es sich um völlig unterschiedliche Maßnahmen handelt!
Beide haben das Ziel eines Potentialausgleichs. Dies ist aber auch fast die einzige Gemeinsamtkeit! Erdung dient vorrangig der Personensicherheit. Daraus resultiert in erster Näherung, dass Erdungsmaßnahmen im Netzfrequenzbereich (z.B. 50 Hz) wirken müssen.

Massungsmaßnahmen müssen in einem sehr weiten Frequenzbereich (bis zu mehreren GHz) wirksam sein. Auf Grund dieser Tatsache werden für ein Massungssystem andere Aufbauten und Strukturen benötigt als bei einem Erdungssystem.

Erdung kann die Aufgaben der Massung nicht übernehmen!

Erdung stellt, im Gegensatz zur Massung, keine EMV-Maßnahme dar, beeinflusst aber die elektromagnetischen Verhältnisse in einem bestimmten Gebäude in starkem Maße.
Betrachtungen zu EMV-günstigen Erdungssystemen und der Herangehensweise bei der Konzipierung von Massungssystemen erfolgen ebenfalls zu einem späteren Zeitpunkt.

Mehr Artikel zum Thema EMV, Elektromagnetische Verträglichkeit, Erdung.

Autor: Dipl.-Ing. Gerd Zschau