EMV - Technische Information - R&M

Technische Information
EMV
Einführung

EMV – Einführung
INHALTSVERZEICHNIS
1. Einführung ................................................................................................................................................... 3
2. elektromagnetische Verträglichkeit EMV .................................................................................................... 3
3. EMV in der Norm ......................................................................................................................................... 3
4. Störquellen .................................................................................................................................................. 5
4.1. Störquellen im Betrieb (Beispiele) ....................................................................................................... 5
4.2. Einflussgrösse / E-Klassifizierung gemäss ISO/IEC 24702 ................................................................ 6
5. Komponenten im Datenlink ......................................................................................................................... 7
5.1. Aktivgerät ............................................................................................................................................ 7
5.2. Installationskabel ................................................................................................................................. 7
5.3. Verbinder ............................................................................................................................................. 7
6. Schutz gegen elektromagnetische Störungen (passive Verkabelung) ....................................................... 7
6.1. EFT, ESD: schnelle, hochfrequente und energiearme Überspannungen .......................................... 7
6.2. Radiowellen (hochfrequent) ................................................................................................................ 8
6.3. Magnetfelder (niederfrequent) ............................................................................................................ 8
7. Sortiment R&M ............................................................................................................................................ 8
7.1. Lichtwellenleiter ................................................................................................................................... 8
7.2. ungeschirmte Kabel: U/UTP, ungeschirmte Stecker .......................................................................... 8
7.3. einfach geschirmte Kabel: U/FTP, F/UTP, SF/UTP ............................................................................ 8
7.4. doppelt geschirmte Kabel: S/FTP, geschirmte Stecker ...................................................................... 8
8. Zusammenfassung ...................................................................................................................................... 9
9. weiterführende Dokumentationen ............................................................................................................... 9
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1. Einführung
In der ISO/IEC 24702 und anderen Normen und Standardwerken, die auf ISO/IEC 24702 referenzieren, sind
in der MICE Tabelle Werte aufgeführt, welchen elektromagnetischen Einflüssen in belasteten Umgebungen
eingesetzte Kommunikationssysteme zu widerstehen haben.
Grundsätzlich ist fest zu halten, dass primär die aktiven Kommunikationsgeräte (z.B. ein Switch) gegen die
auftretenden Störungen geeignet sein muss. Die zum Gerät führende Verkabelung, vor allem die kupferbasierte
Datenverkabelung und die Stromversorgungsleitung, kann jedoch Störgrössen zum Endgerät leiten.
2. Elektromagnetische Verträglichkeit EMV
Elektromagnetische Störungen beeinflussen das gesammte Kommunikationssystem. Da die Verkabelung als
passives System durch EMV kaum selbst beeinträchtigt wird konzentrieren sich die Beeinträchtigungen fast
ausschliesslich auf die Empfänger- und Sendegeräte. Die Qualität der EMV eines Systemes wird darum
massgeblich durch das Aktivgerät definiert.
Unterschiedliche Stör-Quellen können unterschiedliche Störungen erzeugen.
Quellen für elektromagnetische Störungen sind:
• Sendemasten von Funkdiensten
• Fluoreszenzlampen (z.B. „Neonlampen“, Energiesparlampen)
• elektrisch betriebene Motoren
• Starkstromleiter
• Elektroschweissanlagen
• Lichtschalter, Schaltrelais
• …
Die Grösse des Einflusses hängt von der Stärke der Quelle, dem Abstand des beeinflussten Kommunikationssystems
dazu und der Qualität von allfälligen Schutzmassnahmen ab.
Bei kupfergebundener Datenverkabelung können die Störungen zusätzlich zur Stromversorgung noch durch
den Datan-Leiter aufgefangen und zum Aktivgerät geleitet werden. Kupfergebundene Datenübertragung
reagiert sensitiver auf Störungen, je höher die Datenrate, resp. die Übertragungsfrequenz ist.
Die passive Verkabelung selber ist gegen elektromagnetische Einflüsse inert, nimmt also keinen Schaden
irgendwelcher Art.
3. EMV in der Norm
Viele Länder haben für sich verbindliche Richtlinien erlassen, wie hoch die zulässigen Emissionen von Geräten
und Systemen sein dürfen und wie widerstandsfähig diese gegenüber Störungen von aussen sein müssen.
In der EU regelt dies beispielsweise die EMV-Richtlinie 2004/108/EG.
Zusätzlich zu diesen gesetzlichen Minimalanforderungen können Normen diese präzisieren oder zusätzliche
Anforderungen für bestimmte Anwendungsumgebungen definieren.
In den internationalen Normen IEC 60512-4-x / -23-x und -26-100 sind die Testmethoden beschrieben, wie
die Eignung der Aktivgeräte gegen verschiedene elektromagnetische Einflüsse zu prüfen sind.
Normen wie die ISO/IEC 24702 definieren die Werte, welche die normkonformen Geräte und Systeme erfüllen
müssen. Die in dieser Norm spezifizierten Werte werden durch verschiedene andere Normen und Richtlinien
1:1 übernommen.
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Die in der ISO/IEC 24702 beschriebenen Einflüsse und Grössen sind:
Einfluss Wert Klasse E1 Wert Klasse E2 Wert Klasse E3 Quelle(n)
elektrische Entladung 4 kV 4 kV 4 kV elektrostatisch gela-
bei Berührung
dene Objekte (z.B.
elektrische Entladung 8 kV 8 kV 8 kV
Bedienpersonal),
über Luft (0,132 μC)
Werkzeuge
elektromagnetische 3 V/m
3 V/m
10 V/m
Sendesignale Radio ,
HF-Felder
(80 – 1000 MHz) (80 – 1000 MHz) (80 – 1000 MHz) Telefon und Funk
(1400 – 2000 MHz) (1400 – 2000 MHz) (1400 – 2000 MHz)
1 V/m (2000 – 2700 1 V/m (2000 – 2700 1 V/m (2000 – 2700
MHz)
MHz)
MHz)
geleitete, hochfre- 3V @ 150kHz – 80 3V @ 150kHz – 80 10V @ 150kHz – 80 Funk, Radio
quente HF Strahlung MHz)
MHz)
MHz)
EFT/B:
hochfrequente Störtransienten
500 V 1000 V 1000 V Schalter, Schaltrelais
Surge:
Energiereiche Störtransienten
500 V 1000 V 1000 V Blitz und Kurzschluss
Magnetfeld (50/60 1 A/m 3 A/m 30 A/m Starkstromkabel
Hz)
Transformatoren
Magnetfeld (60 Hz - - - - Starkstromkabel
20'000 Hz
Transformatoren
geregelte Motoren
Energieregler
Eine Betrachtung der Komponenten eines Übertragungskanales (ohne Aktivgeräte, nur Kabel und Stecker)
zeigt, dass die elektromagnetischen Einflüsse verschieden wirken und eindringen können:
Einfluss Darstellung
elektrische Entladung bei Berührung
elektrische Entladung über Luft (0,132
μC)
elektromagnetische HF-Felder
geleitete, hochfrequente HF Strahlung
EFT/B:
hochfrequente Störtransienten
Surge:
Energiereiche Störtransienten
Magnetfeld (50/60 Hz)
Magnetfeld (60 Hz -20'000 Hz
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elektrische Entladung:
Kabel sind mit Kunststoff ummantelt, welcher Stromüberschläge hindert, durch den Mantel auf die leitenden
Teile des Kables vor zu dringen und dort als Störung zur aktiven Komponente geleitet zu werden.
Der geschirmte Stecker weist aussenseitig metallische Bestandteile auf, der einen Uberschlag auf das Erdpotential
ableitet. Bei einem ungeschirmten Stecker hingegen, kann ein Überschlag auf die ungeschützten
Signalkontakte erfolgen, welche die eine elektrische Entladung 1:1 in die aktive Komponente leiten.
Strahlungen und Magnetfelder:
Strahlungen durchdringen auch den Kunststoff und wirken auf die leitenden Teile von Kabel und Stecker.
Von dort wird die Störung direkt durch den Schirm zur Erde abgeleitet oder sie fliesst als Gleichtaktstörung in
den Transformer der aktiven Komponente.
4. Störquellen
Grundsätzlich ist jede elektrisch betriebene Komponente und alle Arten von Radiostrahlung eine potentielle
Störquelle. Die Stärke der Störung nimmt im Quadrat der Entfernung des „Störopfers“ zur Quelle ab.
4.1. Störquellen im Betrieb (Beispiele)
Eine Aufstellung, entnommen aus der ISO/IEC 24702 zeigt einige Störquellen, deren Störfrequenz und die
Art der erzeugten Störung auf:
Störquelle Störfrequenz Störungsart Wirkmechanismus
Bemerkungen
oder
Effekt Schirmung
Elektromotoren 100 bis 10'000 Hz Surge / EFT Erdung, geleitet Surge: gering
Drive Controlers
EFT: gut
Relays und Schalter n.a. EFT Strahlung, geleited gut
Elektroschweissen um 14 MHz Magnetfelder / EFT Magnetfelder, geleitet Magnetfelder: gering
EFT: gut
Hochfrequenzschweissen
/ -heizen
100 Hz bis 70 MHz EFT, Induktion Magnetfelder gering
Handling mit Papier n.a. ESD Durchschlag gut (bei guter Er-
oder Kunststoffen
dung)
Heizen - EFT Erdung, geleitet,
Strahlung
gut
Funk, Mobiltelefonie 5 MHz bis 15 GHz Radiowellen Strahlung gut
Die Tabelle zeigt, dass die meisten Störgrössen durch eine geschirmte, kupferbasierte Datenkommunikation
geschwächt werden.
Generell kann die Aussage gemacht werden, dass eine Schirmung der passiven Verkabelungskomponenten
eine gute Abwehrmassnahme gegen alle Arten von hochfrequenten Strahlungen (EFT, Radiowellen) darstellt,
bei niederfrequenten Strahlungen (Magnetfelder) jedoch wenig Schutzeffekt erwirkt.
Der zugrundeliegende Mechanismus hierbei ist, dass die Schirmung die Störung aufnimmt, sich also „opfert“
und diese so von der empfindlichen Aktivkomponente fernhält.
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4.2. Einflussgrösse / E-Klassifizierung gemäss ISO/IEC 24702
In der IEC 61918 (Verkabelungsstandard für Netzwerke in der Automation) sind in Tabellenform die häufigsten
Störquellen und deren Entsprechung gemäss der E-Klassifizierung in ISO/IEC 24702 aufgeführt:
Quelle: IEC 61918
Anhand der Tabelle kann eine Abschätzung gemacht werden, welcher E-Klassifizierung eine Störgrösse
zugeordnet werden kann.
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5. Komponenten im Datenlink
5.1. Aktivgerät
Es muss an dieser Stelle nochmals klipp und klar gesagt sein, dass das AKTIVGERÄT GRUNDSÄTZLICH
DEN ZU ERWARTENDEN STÖRGRÖSSEN WIDERSTEHEN UND WEITERFUNKTIONIEREN MUSS! Die
Störungen machen sich dort und nur dort negativ bemerkbar. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Datenübertragung
kupferbasiert oder LWL-basiert ist.
Das Aktivgerät ist für alle Störgrössen „empfänglich“. Stromspitzen können auch das Innenleben der Komponente
ganz oder teilweise zerstören.
5.2. Installationskabel
Die Qualität der Verkabelung „verbessert“ die Eignung des Aktivgerätes nicht. Sie hat jedoch grossen Einfluss
darauf, ob Störungen, die sich z.B. aufgrund der Entfernung nicht auf das Aktivgerät auswirken würden
zum Aktivgerät geleitet werden und dort die Signalqualität beeinflussen.
Die Verkabelung kann auch als „Kollektor für allen möglichen Störgrössen unterwegs“ betrachtet werden.
Somit ist die vordringliche Aufgabe der Verkabelung betreffend elektromagnetischen Störgrössen nicht deren
„Abwehr“, sondern die Verhinderung, dass diese Störungen als Störsignal zum Aktivgerät geleitet werden.
Dies kann durch Schirmung des Kabels erfolgen oder durch das verhindern der Umwandlung von
Gleichtaktstörung in ein Gegentaktsignal (Symmetrie)
Die Verkabelung kann somit Störeinflüsse, die aufgrund ihrer Stärke oder Entfernung vom Aktivgerät dieses
nicht stören würden, verschleppen.
Kabel sind aufgrund ihres Kunststoffmantels unempfindlich gegen elektrische Entladungen. Zudem könnten
die Energiearmen ESD-Impulse den Leitern keinen Schaden zufügen. Strahlende Störungen (etwa ein
Funksignal) werden durch den Kunststoffmantel nicht aufgehalten und koppeln auf die leitenden Teile des
Kabelinnern und so auf die Aktivkomponente. Beim ungeschirmten Kabel sind das die Signaldrähte!
5.3. Verbinder
Da Verbinder in der Regel (im IP 20 Anwendungsbereich) nicht durch eine Kunststoffhülle komplett verpackt
sind, können beim ungeschirmten Stecksystemen neben den strahlenden Störungen auch elektrische Entladevorgänge
via Steckerkontakten in das Datenübertragungssystem eindringen.
6. Schutz gegen elektromagnetische Störungen (passive Verkabelung)
6.1. EFT, ESD: schnelle, hochfrequente und energiearme Überspannungen
Diese Art von Störungen erreichen das Aktivgerät entweder direkt oder über verbundene, leitende Bestandteile
der Verkabelung.
Das Kabel selber ist unempfindlich gegenüber diesen Störungen, weil es durch einen isolierenden Kunststoffmantel
geschützt ist.
Der RJ45 Stecker leitet Entladungen über die Kontaktierungspins direkt in die Aktivkomponente. Bei geschirmten
Steckern „übernimmt“die Schirmung die Störung und leitet diese von den Pins weg, so dass ein
Vordringen der Störung ins Aktivgerät nicht möglich ist.
Ein mit einem Kunststoffgehäuse verpackter Stecker, etwa dem IP67 Typ 6 Stecker von R&M, wird ebenfalls
durch eine Kunststoffschicht komplett isoliert und schützt somit das Aktivgerät vor Stromüberschlägen.
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Eine weitere Variante, ein Aktivgerät vor Stromschlägen zu schützen, ist ein vorgeschalteter Netzwerkisolator,
der Stromschläge bis 4 kV sicher von der empfindlichen Elektronik fern hält.
Schutzmassnahmen:
• Kunststoffisolation
• Netzwerkisolator
6.2. Radiowellen (hochfrequent)
Hochfrequente Radiowellen durchdringen Kunststoffschichten ohne Probleme und dringen direkt auf die
leitenden Elemente von Kabeln und Steckern durch.
Hochfrequente Radiowellen können durch eine Schirmung davon abgehalten werden, zu den leitenden Elementen
vor zu dringen und die Störung auf die Aktivkomponente zu leiten.
Schutzmassnahmen:
• Schirmung
6.3. Magnetfelder (niederfrequent)
Gegen niederfrequente Magnetfelder gibt es keine Möglichkeiten zur Abschirmung.
Allerdings sind die LAN-Netzwerke gegenüber den häufigsten Magnetfeldern 50/60 Hz (Stromnetz) und 16
2/3 Hz (Bahnstromnetz) sehr unempfindlich
Schutzmassnahmen:
• Keine
• Induktionsschleifen arme Verlegung
7. Sortiment R&M
7.1. Lichtwellenleiter
Lichtwellenleiter sind gegenüber elektromagnetischen Störungen unempfindlich und leiten diese auch nicht
zur Aktivkomponente weiter.
Lichwellenleiterverkabelung kann darum ohne Bedenken in jedem Klasse E3 Umfeld eingesetzt werden.
7.2. ungeschirmte Kabel: U/UTP, ungeschirmte Stecker
U/UTP Komponenten bieten den kleinsten Schutz gegen elektromagnetische Störgrössen.
U/UTP Komponenten sind in Umfeldern, wo elektromagnetische Störungen ab Klasse E2 auftreten und hohe
Datenraten (>1Gbps) benötigt werden nicht zu empfehlen.
7.3. einfach geschirmte Kabel: U/FTP, F/UTP, SF/UTP
Einfach foliengeschirmte Kabel bieten einen Schutz gegen hochfrequente elektromagnetische Störungen.
(HF-Quellen oder EFT/B) Energiereiche Störtransienten (Surge) können den Folienschirm zerstören.
7.4. doppelt geschirmte Kabel: S/FTP, geschirmte Stecker
S/FTP Kabel und geschirmte Stecker können in jedem Fall im Klasse E2 Umfeld eingesetzt werden. Abhängig
von der Qualität der Erdung sind sie auch für Klasse E3 Umfelder geeignet. Für letzteren Einsatz ist die
Qualität der Installation massgeblich.
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8. Zusammenfassung
„Opfer“ von elektromagnetischen Störungen ist immer die Aktivkomponente. Diese muss grundsätzlich gegen
die zu erwartenden Einflüsse gerüstet sein und die Funktion auch unter Beeinträchtigung gewährleisten.
Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um eine Aktivkomponente für kupferbasierte oder LWL-basierte Datenverkabelung
handelt.
Die passive Verkabelung selber nimmt keinen Schaden durch elektromagnetische Störgrössen, kann diese
jedoch „sammeln“ und zur Aktivkomponente verschleppen.
Die grössten Beeinträchtigungspotentiale betreffend der Übertragungsqualität eines Datenchannels (Aktivgerät,
Kabel, Steckverbindungen) geht von den hochfrequenten, kurzzeitigen und energiearmen Störtransienten
aus (EFT/B) und hochfrequenten Radiowellen aus.
Gerade hier bildet die Schirmung eine ausgezeichnete Schutzmassnahme so dass auf die Verkabelung einwirkende
Störgrössen nicht auf das Aktivgerät geleitet werden.
Eine LWL Verkabelung transportiert keinerlei elektromagnetische Störungen, da in Kabel und Steckverbindung
keine leitenden Bestandteile verbaut sind.
9. weiterführende Dokumentationen
Präsentationen:
• Präsentation MICE
• Präsentation ISO/IEC 24702
• Präsentation EMI
technische Informationen:
• TI MICE
Quickreferenzen
• Quickreferenz MICE
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