EMV - poti-kabel.de

Auszug aus
Joachim Franz
EMV
Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen
3., erweiterte und überarbeitete Auflage
Mit 225 Abbildungen und 16 Fallbeispielen
Studium
Vieweg + Teubner Verlag 2008
Vorwort
Hersteller elektronischer Schaltungen müssen seit dem 1.1.1996 die elektromagnetische
Verträglichkeit (EMV) ihrer Geräte nachweisen. Auch vorher gab es EMV-Probleme. Und die
Schaltungen, die unter EMV-Gesichtspunkten entwickelt wurden, liefen stabiler bei
geringerem Schaltungs- und Entwicklungsaufwand. Aus dieser Erkenntnis ging ich bereits in
den 60er Jahren als Schaltungsentwickler in der Industrie den EMV-Problemen nach und
änderte meine Entwurfsmethodik. Eine solche Vorgehensweise zahlte sich schon damals aus.
Trotzdem waren die meisten Entwickler - wie heute - der Ansicht, für eine Analyse der
“Schmutzeffekte” keine Zeit zu haben. Auch die in diesem Buch dargestellte Stromanalyse
wurde in den 60er Jahren im Ansatz schon mit Erfolg eingesetzt; ihre große Bedeutung für die
EMV-Analyse war aber noch nicht erkannt worden. Die Einrichtung eines Laboratoriumsversuchs
an der Universität Hannover zum Thema EMV im Jahre 1975 (!) wurde von Vielen
noch mit Verwunderung aufgenommen. Die Vorteile der Berücksichtigung der EMV bei der
Planung wurden aber sehr schnell bei praktischen Aufbauten in Studien- und Diplomarbeiten
deutlich: Obwohl häufig sehr anspruchsvolle EMV-Probleme vorlagen, liefen die Schaltungen
auf Anhieb stabil. Für Redesigns wären auch weder Geld noch Zeit vorhanden gewesen - der
Etat des Instituts war zu begrenzt, und die Prüfungsarbeiten der Studenten sind zeitlich
terminiert. Eine Reihe unserer Absolventen trug die erlernte Arbeitsweise in die industrielle
Praxis. Dadurch kamen viele Industriekontakte und ein vom Bundesministerium für Forschung
und Technologie gefördertes EMV-Forschungsprojekt (“EMC-Simulationssystem für die
Aufbau- und Verbindungstechniken”) zustande. So konnte eine Vielzahl von
Anwendungsfällen auf ihren theoretischen Hintergrund untersucht werden. Die im Buch
dargestellten Verfahren wurden für das genannte Forschungsprojekt aufbereitet oder
entwickelt. Nach und nach wurde die grundlegende Bedeutung der Verfahren für die EMV-
Arbeit des Schaltungsentwicklers immer deutlicher.
Das vorliegende Buch ist sowohl aus der Praxis der Entwicklertätigkeit in der Industrie und an
der Universität als auch aus der theoretischen Arbeit über EMV-Probleme entstanden. Es
wurde aus der Absicht heraus geschrieben, dem Entwickler eine einfache und wirkungsvolle
Systematik für die EMV-Arbeit an die Hand zu geben, damit er aus dem Stadium einer
Entwicklung nach “Versuch und Irrtum” herausfindet. Voraussetzung dafür ist, dass die
Zusammenhänge nicht als Konglomerat aus beziehungslos nebeneinander stehenden
Einzelphänomenen dargestellt werden, sondern dass eine Denk- und Sichtweise (Theorie)
entwickelt wird, mit der die Phänomene zueinander in Beziehung gesetzt werden. So wurde
mit Hilfe der Stromanalyse für den gesamten Bereich der Impedanzkopplung und damit für
einen wesentlichen und wohl den unübersichtlichsten Bereich der EMV eine einfache, leicht zu
handhabende, durchgehende Methodik erarbeitet. Bei einer für den Praktiker bestimmten
Darstellung hat der mathematische Aufwand im Hintergrund zu bleiben. Die entwickelte
Systematik macht dies auch deutlich.
Mit dieser beschriebenen Methodik wurden in einer Reihe von Firmen, die sie konsequent
einsetzen und nun für ihre Prototypen eine exzellente EMV ohne Redesigns erreichen,
Entwicklungszeiten und Kosten drastisch reduziert. Ihre Anwendung führte auch bei der
Entwicklung einer CCD-Stereo-Fernsehkamera für Weltraumeinsätze im Max-Planck-Institut
für Aeronomie in Katlenburg-Lindau (Harz) erst zum gewünschten Ziel. Die Kamera war im
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Jahre 1997 mit der Mars-Pathfinder-Sonde auf dem Mars gelandet und hatte die bekannten
herrlichen und eindrucksvollen Bilder von der Marsoberfläche aufgenommen. Ihre
Zuverlässigkeit wurde in den Medien besonders hervorgehoben - mit Sicherheit auch eine
Ergebnis einer exzellenten EMV.
Die ersten Kapitel dieses Buches umfassen die Grundlagen; sie sind in einigen wesentlichen
Punkten anders als üblich dargestellt. Da gerade diese Unterschiede zum Verständnis der
nachfolgenden Kapitel wichtig sind, wird empfohlen, diese Kapitel zuerst zu studieren. Der
Aufbau des Buches lässt neben einem Studium unter Einhaltung der Reihenfolge auch die
Benutzung als Nachschlagewerk zu. Zahlreiche Querverweise sowie das Sachwortverzeichnis
helfen, alle notwendigen Zusammenhänge zu erhalten.
Dank gebührt den Professoren, vielen Kollegen und Studenten am Institut für Grundlagen der
Elektrotechnik und Messtechnik der Universität Hannover für die Unterstützung dieser Arbeit,
für Anregungen, Diskussionen und Korrekturen. Besonderer Dank gilt den Herren Dipl. Ing.
Axel Knobloch und Dr. Ing. Robert Kebel für ihre aufopferungsvolle Tätigkeit des
Korrekturlesens, ihre Kritik und die vielen Anregungen für Verbesserungen. Gedankt sei an
dieser Stelle denjenigen Studenten, die den Wagemut hatten, in ihren Studien- und
Diplomarbeiten zu diesem Thema zu neuen Ufern aufzubrechen. Sie wurden dafür immer mit
wichtigen, neuen Ergebnissen und Einsichten belohnt. Und schließlich danke ich meiner Frau
für ihre große Geduld, die sie mir bei der Arbeit an diesem Buch entgegenbrachte. Ihr sei
dieses Buch gewidmet.
Hannover, Frühjahr 2002 Joachim Franz
Abschließende Betrachtungen
Die langjährige Beobachtung der EMV-Arbeit, selbst der von erfahrenen Entwicklern, führt zu
dem Ergebnis, dass der EMV-Problematik in der Regel viel zu spät die notwendige Beachtung
geschenkt wird. Der Grund für dieses Verhaltensmuster liegt nicht nur in einer gewissen
Ungeduld, die Schaltung erst einmal zu Laufen zu bringen, meist auch nicht in einem
Unwissen um die EMV-Probleme, sondern er liegt einfach in der Unkenntnis geeigneter
Techniken in der EMV-Planung. Dies führt zu der Fehleinschätzung, man könne die EMV-
Qualität noch oder gar besser am aufgebauten Prototypen erreichen. Sie wird dann am
Labortisch oder in EMV-Messkabinen zurechtgebastelt, bis die Grenzwerte gerade
eingehalten werden. Wenn dann noch in einer Abteilung der vorhandene Existenzdruck nur
von oben durchgereicht wird und einziger Motor ist, wird der Einzelne nie seine Fähigkeiten
ausbauen können und nie seine volle Leistungsfähigkeit erreichen. Das Ziel muss verfehlt
werden!
Eine Ursache der üblichen regel-orientierten Arbeitsweise mag auch auf der Möglichkeit
beruhen, Verantwortung abschieben zu können auf diejenigen, die die Regeln entwickelt
haben. Wenn man in seiner Meinung im Konsens mit der Allgemeinheit liegt, ist ein Stück
Verantwortung von einem genommen, selbst wenn die Anwendung einer Regel nicht das
erhoffte Ergebnis bringt - es geht ja allen so. Der Weg, die EMV-Zusammenhänge verstehen
zu wollen, erfordert als erstes den Entschluss, Verantwortung für eigene Analysen zu
übernehmen. Damit wird man angreifbar. Man sollte keine noch so logisch klingende EMV-
Empfehlung - auch nicht aus diesem Buch - glauben, bis man weiß, warum sie richtig (oder
falsch!) ist. Sich dazu zu entschließen, erfordert nicht nur Mut und Selbstbewusstsein sondern
auch eine verständnisvolle, ja würdigende Umgebung. Ein Klima der Ermutigung und des
Vertrauens entstehen zu lassen, muss ziel aller Beteiligten, insbesondere des Managements
sein. Nach einer Ausbildung in der vorgestellten EMV-Arbeit könnte die Umsetzung in die
praktische Arbeit folgendermaßen erfolgen:
Alle an einem Projekt Beteiligten erstellen zunächst getrennt Analysen und Vorschläge zur
EMV-Planung.
An den folgenden Gruppenbesprechungen zur EMV-Planung des Projektes sollten
möglichst alle auch Mitarbeiter teilnehmen, die nicht an dem Projekt arbeiten; sie besitzen
wie ein externer Berater den Vorteil, weniger betriebsblind zu sein.
In solchen Gruppenbesprechungen werden alle Analysen und Vorschläge diskutiert. Die
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ersten Vorschläge werden noch unausgereift sein. Aber sie sind notwendig, um
spielerisch Widerspruch und bessere, vielleicht ungewohnte Lösungsideen auszulösen.
Dies wäre auch in größeren Firmen die Gelegenheit, bei der die EMV-Abteilung die
Entwicklungsabteilungen in der EMV-Planung unterstützen und begleiten könnte.
Dies benötigt Zeit und verursacht Kosten. Aber es wird sich so nicht nur der Wissensstand
aller Beteiligten erhöhen; auch neue Mitarbeiter erlernen diese Technik gleich mit und sind
von Anfang an integriert. Eine solche Vorgehensweise muss geübt und vervollkommnet
werden. Zusammen mit einem hohen Maß an Engagiertheit und gegenseitigem Verständnis
wird eine Arbeitsgruppe so eine hohe Leistungsfähigkeit erlangen, weil jeder Einzelne dann
seine Fähigkeiten ganz einbringen kann und wird!
EMV-Arbeit ist sehr komplex und erfordert eine ganzheitliche Vorgehensweise. Konstruktive,
schaltungs- und layouttechnische Möglichkeiten und Maßnahmen müssen in ihrem
Zusammenwirken gesehen werden. Dies ist eine hohe Kunst. Deshalb kann EMV-Arbeit auch
kaum regelbasiert durchgeführt werden. Regeln können zwar sehr hilfreich sein und die EMV-
Arbeit unterstützen, sie können sie aber nicht ersetzen und schränken - als Nebenwirkung -
die Bereitschaft zur Kreativität ein. Dies gilt auch für heuristisches Wissen (aus Erfahrung
gewonnenes Wissen), da aus Phänomenen leicht falsche oder nicht hinreichend umfassende
Schlüsse gezogen werden. Regeln und heuristisches Wissen können nur hilfreich sein, wenn
die Zusammenhänge, aus denen sie entstanden, verstanden wurden und die
Randbedingungen, unter denen sie gelten, angegeben werden. Aber dann kann man dieses
Wissen nicht mehr als heuristisch bezeichnen. Bei einer guten Schaltungsentwicklung, die die
EMV-Belange von Anfang an einschließt, ist eine Vielzahl von Zusammenhängen und
gegenseitigen Abhängigkeiten zu bedenken. Wegen der deshalb notwendigen ganzheitlichen
Betrachtung der Schaltung ist der oben gebrauchte Begriff “Kunst” gerechtfertigt. Der Begriff
“Technik” (aus dem griechischen: Kunst, Kunstwerk, Geschicklichkeit, List) beinhaltet vom
Ursprung her diese Bedeutung. Die ganzheitliche Arbeitsweise eines Ingenieurs unterscheidet
sich prinzipiell nicht von der des Künstlers. Erst sie macht eine hohe Qualität des zu
schaffenden Produktes möglich. Und wenn man es recht bedenkt, kann es sich keiner leisten,
auf diese “Kunst” zu verzichten.
Ziel des vorliegenden Buches ist es aufzuzeigen, dass und wie EMV-Arbeit schon in einem
möglichst frühen Stadium der Geräteentwicklung stattfinden könnte, also bereits in der
Planungs- und Entwicklungsphase. Denn nach dem Aufbau des Prototypen sind üblicherweise
Festlegungen konstruktiver, schaltungs- und layouttechnischer Art getroffen worden, die unter
Berücksichtigung der EMV-Belange ganz anders aussehen würden.
In diesem Buch wurde versucht, für den Bereich der Planung von Anlagen, Geräten und
Baugruppen sowie den Schaltungsaufbau auf Leiterplatten die wichtigen Zusammenhänge
methodisch geschlossen darzustellen. Die dargestellten Verfahren sind als ein Ansatz zur
Entwicklung einer systematischen Vorgehensweise im EMV-Bereich zu sehen. Mit ihnen ist
die Grundlage für eine ganzheitliche, konsequente EMV-Planung schon in der Projektierungs-
und Entwicklungsphase geschaffen. Es kann nun in diesen Phasen geprüft werden, ob
konstruktive, schaltungs- oder layouttechnische Entwurfsmaßnahmen aus EMV-Sicht günstig
zusammenwirken. Ungünstige Lösungen können so sicher vermieden werden. Diese Methode
fördert erfahrungsgemäß die Kreativität und das Verständnis für die im konkreten Fall
vorliegenden EMV-Verhältnisse.
Das Arbeit mit der dargestellten Methode hat im Universitätsbetrieb und in der industriellen
Entwicklung viel Zeit gespart. Entwickler formulieren beim Kennen lernen dieser EMV-Arbeit
und ihres Erfolges immer wieder den Grund dafür so: ”Früher kämpften wir gegen einen
unsichtbaren Gegner. Jetzt können wir die Störungen in dem Gerät sehen.” Tatsächlich wird
eine gute, systematische EMV-Arbeit die gesamte Entwicklungszeit - und damit die Time To
Market - drastisch senken. In einem praktischen Fall industrieller Entwicklung wurde dies
nachgeprüft: Durch die Einführung dieser systematischen EMV-Arbeit wurde mit einem
geringen Aufwand an Ausbildung die Anzahl der Redesigns pro Projekt im Mittel von 4-5 auf
eins gesenkt; und dieses eine war nicht mehr aus EMV-Gründen nötig. In dieser und anderen
Entwicklungsabteilungen gab es weit über 10 Jahre lang kein einziges Redesign aus EMV-
Gründen! Auf Anhieb wurde eine bis dahin nicht für erreichbar gehaltene EMV-Qualität erzielt.
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Der Aufwand wird sich also sehr schnell bezahlt machen durch viel niedrigere
Entwicklungskosten und durch billigere und besser funktionierende Lösungen. Man sollte aber
auch einmal darüber nachdenken, dass der übliche Ärger mit der EMV und die daraus
entstehende Entmutigung die Leistungsfähigkeit der Entwickler stark einschränken. Dies führt
zu erheblichen Arbeitskosten! Und wie viel Vertrauensverlust beim Kunden könnte vermieden
werden! Die infolge einer effektiveren EMV-Arbeit eingesparten direkten und indirekten Kosten
tragen gerade auch bei Firmen mit einem sehr hohen Entwicklungsanteil an den
Produktkosten zu einer entscheidenden Kostendämpfung bei. Die Sicherung der EMV-
Qualität muss vielmehr als bisher als ein Teilgebiet der Qualitätssicherung verstanden werden
und ist damit eine entscheidende Aufgabe des Managements. Sie ist nicht mit Druck zu lösen,
sondern mit Wissen und Verstehen der Zusammenhänge.
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