Hallo Stephan, hallo Werner,
es hat zwar etwas gedauert, bis ich nach den Messungen am Donnerstag die Messungen jetzt hier präsentiere. Ich hatte aber einfach momentan zu wenig Zeit, um die Messungen zusammenzustellen und zu erläutern.
Nun, folgende Messungen habe ich inzwischen durchgeführt:
- Hochfrequente Störaussendung des EMI-Meters über den Stromanschluss
- Abweichung der Anzeige des EMI-Meters von dem tatsächlich vorhandenen Störpegel
- Linearität der Anzeige des EMI-Meters
Jetzt die Messungen im Einzelnen. Genauere Erläuterungen einiger Hintergründe und zu den Blockschaltbilder habe ich weiter unten beschrieben. Ich denke, für die meisten Leser sind die Hintergründe nicht so interessant, so dass es für diese Leser einfacher ist, sich nur die Ergebnisse anzuschauen.
Hochfrequente Störaussendung des EMI-Meters über den Stromanschluss
Das Blockschaltbild stellt nur den prinzipiellen Aufbau dar:
Die Messung erfolgte an Anlehnung an die Messung, wie sie auch in einem EMV-Labor durchgeführt wird. Daher wurden die Störaussendungen auch über eine Netznachbildung gemessen und in dem Ergebnisdiagramm wurden die Grenzwerte der für das EMI-Meter zutreffenden Norm eingeblendet.
Die blaue Kurve zeigt den Spitzenwert der Störungen und die grüne Kurve den Mittelwert.
Die Kurven oben zeigen die für das EMI-Meter gültigen Grenzwertkurven da, die obere für den Spitzenwert und die untere für den Mittelwert. Dass die Grenzwertlinien erst bei 150 kHz beginnen, liegt daran, dass es unterhalb von 150 kHz keinen Grenzwert gibt.
Die Störungen unterhalb von100 kHz kommen im Wesentlichen nicht vom EMI-Meter.
Die hier gezeigte Messung ist nicht die, die schon vor ein paar Tagen gezeigt habe. Ich habe die Messungen wiederholt und bei der jetztigen ist die Filterung vor der Netznachbildung verbessert worden und die Empfindlichkeit des Messaufbaus wurde verbessert.
Es zeigt sich, dass das EMI-Meter zwar Störungen über die Anschlussleitung abgibt, aber diese so gering sind, dass sie die Anzeige des EMI-Meters kaum beeinflussen. Das sieht man auch daran, dass das EMI-Meter selbst nur einen Wert von 15 mV anzeigt.
Abweichung der Anzeige des EMI-Meters von dem tatsächlich vorhandenen Störpegel
Um zu testen, wie genau die Anzeige des EMI-Meters ist, wurde mit Hilfe eine HF-Generators auf verschiedenen Frequenzen ein definiertes HF-Signal eingespeist. Mit einem Tastkopf wurde an der Steckdose der Netznachbildung zwischen L und PE der tatsächlich vorhandene Pegel des HF-Signals gemessen. Das EMI-Meter war ebenso zwischen L und PE angeschlossen, so dass die Anzeige des EMI-Meters mit dem vom Tastkopf gemessene Pegel verglichen werden konnte.
Hier als Beispiel zwei durchgeführte Messungen:
Die Ergebnisse habe ich in einer Tabelle zusammengetragen:
Die erste Spalte zeigt die Frequenz, auf der das Signal eingespeist wurde, die zweite Spalte den eingestellten Generatorpegel, die dritte Spalte den Pegel gemessen mit dem Tastkopf, die vierte Spalte den Pegel umgerechnet in mV, die vierte Spalte den angezeigten Wert des EMI-Meters und die letzte Spalte die Abweichung des EMI-Meters.
Teilweise liegt der gemessene Pegel höher als der eingestellte Generatorpegel. Das ist korrekt so, weil der Generatorpegel für Leistungsanpassung gilt, also wenn 50 Ohm angeschlossen sind. Die Impedanz des EMI-Meter ist aber höher als 50 Ohm und somit ergibt sich ein höherer gemessener Pegel.
Jedenfalls zeigt die Tabelle, dass das EMI-Meter bei vielen Frequenzen mindestens um Faktor 10 zu hohe Werte anzeigt, im schlimmsten Fall sogar einen um Faktor 45 zu hohen Wert.
Linearität der Anzeige des EMI-Meters
Zuletzt habe ich noch die Linearität der EMI-Meters bestimmt. Hier zu habe ich auf der Frequenz von 500 kHz den Pegel reduziert und kontrolliert, wie die Anzeige des EMI-Meters dem folgt:
Die vorletzte Spalte zeigt die Sollwerte und die letzte Spalte die gemessene Linearität. Wie man sieht stimmen die Werte recht gut überein.
Zusammenfassung
Die Vermutung, dass das EMI-Meter seine eigenen ausgesendeten HF-Störungen misst, hat sich nicht bestätigt.
Die Anzeige des EMI-Meters ist extrem ungenau und beträgt bei den meisten Frequenzen mindestens Faktor 10 und geht bis zu dem Extremwert Faktor 45.
Aus meiner Sicht ist das EMI-Meter kaum zu gebrauchen, gerade weil die Abweichung auch stark frequenzabhängig ist. Somit lässt sich Anzeige auch nicht unter Berücksichtigung eines Korrekturfaktors auf den richtigen Wert schließen, da ja die Frequenz der gemessenen HF-Störung nicht bekannt ist.
Dass das Gerät nur 70,- € kostet, ist aus meiner Sicht kein Argument, denn für den Frequenzbereich von 50 kHz bis 5 MHz hätte ein Spannungsteiler zur Pegelanpassung im EMI-Meter nur korrekt dimensioniert sein müssen. Die Pegelüberhöhung mit dem Maximum bei 20 kHz kommt vermutlich durch einen Tiefpass höherer Ordnung. Anders dimensioniert, wäre das Problem nicht vorhanden. Selbst, wenn man dazu den Frequenzbereich hätte einschränken müssen (z.B. von 50 kHz bis 5 MHz), wäre das besser gewesen als das, was man jetzt hat.
Das EMI-Meter mit passendem Tiefpass und korrekten Spannungsteiler wäre dann echt zu gebrauchen gewesen.
Was man jetzt hat, ein Gerät, welches irgendwelche Werte anzeigt. Aufgrund der frequenzabhängigen Anzeige werden unkritische Störungen überbewertet und kritische Störungen nicht erkannt (wenn sie durch Überbewertung der unkritischen Störungen überdeckt werden).
Sehr zu bemängeln ist der wesentlich zu hohe Anzeigewert. Dies führt dazu, dass der Benutzer des EMI-Meters Probleme mit HF-Störungen sieht, wo vermutlich keine Probleme sind und eventuell unnötige Maßnahmen ergreift.
Noch offene Messungen
Offen ist aus meiner Sicht noch die Messung des EMI-Meters, wenn die Stromversorgung über eine mit oberwellenverseuchten Netzsinus erfolgt. Es stellt sich die Frage, ob der Tiefpassfilter steil genug ist, dass die Netzoberwellen zu keiner Anzeige führen. Eine zweite Fragestellung ist, ob durch die Netzoberwellen das EMI-Meter nicht selbst erhöhte HF-Störungen produziert. Details dazu siehe nächsten Abschnitt.
Aktuell sind diese Messungen nicht möglich, sondern erst in frühesten 4 Wochen, weil der dann erst eine AC-Source zur Verfügung steht, die zusätzlich zu dem reinen Netzsinus auch Oberwellen generieren kann.
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Zusätzliche Erläuterungen
Netznachbildung
Um reproduzierbare Messungen durchzuführen, wird in der Regel bei Funkstörspannung eine Netznachbildung verwendet. In unserem Fall muss sie die Impedanz des Hausstromnetzes betrachtet werden.
Bekannt ist vielfach, dass der L-Leiter eine Impedanz von
RL = 0,24 Ω + jXL = 0,15 Ω bei 50 Hz
und der N-Leiter von
RL = 0,15 Ω + jXL = 0,10 Ω bei 50 Hz
aufweist.
Resultierend ergibt sich somit für die Impedanz zwischen L und N eine Impedanz von:
R = 0,39 + jXL = 0,25 Ω bei 50 Hz
Diese Impedanz setzt sich aber nur aus einem Widerstand und einer Induktivität zusammen. Der jX-Wert resultiert aus einer Induktivität und somit lässt sich der jX Wert auch für andere Frequenzen berechnen
Kabel (auch Stromkabel) haben aber auch einen Kapazitätsbelag, der aber erst bei höheren Frequenzen wirksam wird. Insofern sind die oben genannten Impedanzen nur für niedrige Frequenzen gültig und finden somit nicht in der Netznachbildung für die Messung von HF-Störungen Anwendung.
Aber auch für diesen Frequenzbereich (9 kHz bis 30 MHz) ist eine Netzimpedanz definiert. Sie besteht aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes von 50 Ohm und einer Induktivität von 50 µH der ein weiterer Widerstand von 5 Ohm in Reihe geschaltet ist. Die Netznachbildung ist in der CISPR 16-1-2 bzw. EN 55016-1-2 bzw. VDE 0876-16-1-2 definiert
AC-Source
Man könnte meinen, diese ist nicht notwendig, denn man hätte auch die normale Stromversorgung nehmen können, denn Steckdosen sind überall vorhanden. Diese Annahme ist nicht korrekt. Leider kommt es vor (wenn auch nicht häufig), dass Netzteile in der Form auf Netzoberwellen reagieren, dass sie deutlich erhöhte hochfrequente Störungen aussenden. Bei der normalen Hausstromversorgung ist das selten der Fall, weil der Netz-Sinus in der Spitze nur abgeflacht ist. Das Problem tritt erst auf, wenn auf der Sinusspitze Schwankungen z.B. Rippel sind. Ein unkritischer nur abgeflachter Sinus kann aber kritisch werden, wenn hochwirksame Netzfilter eingesetzt werden, denn die bewirken bereits eine Phasenverschiebung der höheren Netzoberwellen, so dass dann ein Rippel auf dem Netzsinus entsteht. Gerade aber solche hochwirksamen Netzfilter werden in EMV-Laboren verwendet oder wenn man die Funkstörspannung von Geräten messen möchte.
Dies ist nun nicht reine Theorie, sondern wir haben vor einigen Jahren ein Steckernetzteil für eines unserer Produkte in einem EMV-Labor vermessen lassen. Da es sich um ein Weitbereichspannungsnetzteil handelte, erfolgte die Messung bei 110 VAC und 230 VAC. Während bei 230 V die Versorgung einfach über eine Steckdose erfolgte, musste bei 110 VAC Versorgung über eine AC-Source erfolgen.
Mit den 110 V hielt das Netzteil die Anforderungen ein, während bei 230 V erhebliche Grenzwertüberschreitungen auftragen. Nachdem auch bei 230 V die Stromversorgung auch über die AC-Source erfolgte, war das Netzteil in Ordnung.
Eine verseuche Stromversorgung konnte nicht die Ursache sein, weil in dem EMV-Labor selbstverständlich die Stromversorgung über einen hochwirksamen Netzfilter in die Schirmkabine geführt wurde, in der die Messung erfolgte.
Spätere Untersuchungen haben dann gezeigt, dass diese Überhöhung der Störaussendung immer dann auftrat, wenn auf der Sinusspitze Schwankungen (Rippel) waren, also im Prinzip, wenn die Gleichrichterdioden im Netzteil durchgeschaltet waren.
Basierend auf diese Erfahrungen habe ich auch für meine Messung die Stromversorgung über einen AC-Source realisiert, die einen reinen Netzsinus abgibt.
Versorgung des EMI-Meters und Messung mit dem Tastkopf zwischen L und PE
Eigentlich hätte das EMI-Meter zwischen L und N angeschlossen werden müssen. Da mir aber kein Differentialtastkopf zur Verfügung stand, hätte ich dann nicht direkt an den Anschlüssen des EMI-Meters messen können. Daher habe ich das EMI-Meter zwischen L und PE betrieben.
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Uff, dass war jetzt doch etwas Arbeit. Ich hoffe, dass es sich gelohnt hat.
Gruß
Uwe