Auswirkungen der Blitze auf Elektroniksysteme (IEC 61000-4-5 ED3) Martin Lutz, EMC PARTNER Abstrakt

Die Häufigkeit der Blitze und deren Intensität nimmt infolge der globalen Erwärmung zu, und damit auch die Auswirkungen der Blitze auf Elektroniksysteme. Nach einer kurzen Einführung in das Phänomen Blitz wird auf die indirekte Blitzsimulation in verschiedenen Bereichen wie: Flugzeugelektronik, Verbraucher in Industrienetzen und Hauhaltgeräten eingegangen. Es werden die Änderungen in der Surge Norm IEC 61000-4-5 Ed.3 besprochen. Diese Störfestigkeitsprüfung, definiert in der IEC/EN61000-4-5, wird weltweit angewendet für die indirekte Blitzsimulation an Elektronikgeräten im Haushalt und im Industriebereich. Die dritte Ausgabe (Status FDIS) ist eine inhaltlich komplett überarbeitete Norm, die zu Beginn des Jahres 2014 veröffentlicht wird. Im Vortrag wird aufgezeigt, wo die wesentlichen Änderungen zwischen ED2 und ED3 liegen und welche Verbesserungen für den Anwender das Dokument enthält. Verantwortlich für diese Norm ist TC77B Arbeitsgruppe MT12 Sprache des Vortrages

Deutsch, Folien Englisch Vortragender

Name: Lutz Vorname: Martin Firma: EMC-PARTNER AG e-mail: management@emc-partner.ch Zur Person:

Martin Lutz ist Gründer und Inhaber von EMC PARTNER AG. Er ist seit über 30 Jahren in der EMV-Standardisierung von IEC TC77A und TC77B tätig. Für die Arbeit in dem Bereich der Elektromagnetischen Verträglichkeit in der IEC wurde er mit dem 1906 AWARD ausgezeichnet. Weltweit hat er Seminare abgehalten, an Symposien Fachbeiträge beigesteuert und Bücher zur EMV Prüfthematik veröffentlicht. Abstract EMC PARTNER

EMC PARTNER AG ist eine 20-jährige Firma mit Sitz in Laufen Schweiz. Das Ziel der Firma ist die Entwicklung von qualitativ, hochstehenden Impulsgeneratoren, deren Fertigung und weltweiten Vertrieb. Das Kerngeschäft sind Impulsgeneratoren im Bereich von einigen Volt bis 200kV und Impulsströme im Bereich von einigen A bis zu 100kA. Zwei-Drittel der Belegschaft von 35 Personen sind Ingenieure und Fachkräfte. Alle namhaften Firmen in den Industrie Bereichen: Elektrische Energieversorgung, Flugzeugelektronik, Automobilelektronik, Telekommunikation, Militär, usw. sind Kunden von EMC PARTNER AG.

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Als Einleitung zu meinem Referat, zeige ich die Entstehung des Blitzes in Zeitlupe. Auf diesem Video ist sehr schön ersichtlich, wie der Blitzkanal langsam vorwächst, bis die Hauptentladung erfolgt. Bei jedem Schritt des Blitzkanals werden Störungen ausgesandt, die Elektronik Kreise stören können. Auch ist sehr schön ersichtlich, wie von den Gebäuden Entladungen ausgehen, wenn die Einsatzfeldstärke überschritten wird. Zu Beginn der Entstehung des Blitzkanales ist nicht absehbar, in welches Gebäude der Blitz einschlagen wird. Das mehrmalige Aufleuchten des Blitzkanals zeigt, dass der Blitz meistens nicht aus einer Einzelentladung sondern aus mehreren Entladungen besteht. Die IEC 61000-4-5 ED3 definiert die Prüfung als Einzelentladung des

Blitzanteils über verschiedene Koppelwege in Gebäuden und Industrieanlagen im Prüflabor. Andere Normen wie RTCA/DO160 oder EUROCAE definieren die indirekte Blitzeinwirkung in Flugzeugelektronik mit Einzel- und Mehrfachimpulsen. Aus den gesammelten Daten von Flugzeugen kann ermittelt werden, dass in etwa alle 1000 Flugstunden ein Flugzeug von einem Blitz beeinflusst wird.

Das nächste Video zeigt einen Blitzeinschlag in ein Flugzeug beim Start auf einem japanischen Flugplatz. Das Flugzeug wird zu einem Teil des Blitzkanals. Der Blitz trifft das Flugzeug an der Nase und tritt am Ende des Flugzeuges wieder aus. Die Flugzeuge sind so konstruiert, dass der Blitzstrom in definierten Bahnen über das Flugzeug fliesst. Die Erfahrung der Vergangenheit zeigt, dass noch kein Flugzeug nach einer Blitzeinwirkung abgestürzt ist. Die ist auf die komplexe Blitzprüfung bei Flugzeugelektronik zurückzuführen. Die Prüfung der Flugzeugelektronik erfolgt mit Einzelimpulsen, Mehrfachimpulsen und Bursts, sowie verschiedenen Impulsformen je nach Kopplung und verwendetem Material (Aluminium oder Kohlenfaserstoffe). Diese beiden Beispiele zeigen, dass die indirekte Blitzprüfung der Umgebung, dem Prüfling und den möglichen Folgeschäden angepasst wird. Die

Erfahrung der Praxis zeigt, dass die Kompromisse in beiden Normen ausreichend sind, da einmal im Labor geprüfte Geräte in der Praxis störfest sind gegen induzierte oder indirekte Blitzeinwirkungen. Die Historie der „SURGE“ Norm hat mit der IEC 801-5 in den 70-Jahren begonnen und wurde in den 80-Jahren in die IEC 61000-4-5 überführt. Im nachfolgenden werden die Unterschiede zwischen der Ausgabe 2 und der bevorstehenden Ausgabe 3 aufgezeigt.

Bevor auf die technischen Änderungen der ED3 eingegangen wird, sei die Frage erlaubt, wie viel so eine Überarbeitung einer Basisnorm kostet Wenn man die notwendigen Sitzungen mit den Anzahl Teilnehmern und einen Stundenansatz von 100 CHF multipliziert und die Reisekosten miteinbezieht, so hat die Überarbeitung von der IEC 61000-4-5 von ED2 auf ED3 etwas mehr als 650 KCHF gekostet. Die einzelnen, durchgeführten Schritte können der nebenstehenden Folie entnommen werden. Für eine neue Norm wird etwa 5 Jahre und für eine Überarbeitung etwa 3 Jahre gebraucht. Nach einer Veröffentlichung bleibt der technische Inhalt für meistens 5 Jahre unverändert gültig. Die Ausgabe 3 beinhaltet eine grosse Anzahl Veränderungen, basiert aus den Erfahrungen mit der Ausgabe 2.

3 Kapitel 1

Diese Veränderungen werden nachstehend im Detail aufgezeigt. Die nachstehende Folie listet die Punkte auf, die verändert wurden. In den folgenden Folien werden die einzelnen Punkte detailliert beleuchtet und besprochen.

In der Ausgabe 2 waren zwei Impulsform-definitionen nach IEC 60060 und IEC 60499 vorhanden. Je nach Anwendung der beiden Definitionen haben die Prüflinge in akkreditieren Labors die Prüfungen bestanden oder eben auch nicht bestanden. In der Ausgabe 3 sind die beiden Definitionen durch eine einzige Impulsformdefinition, spezifisch für IEC 61000-4-5 ersetzt worden. Die neue Definition kann sehr einfach mit den heutigen Messgeräten wie DSO angewendet und die Impulsform automatisch ausgewertet werden. Bei der Spannung wird die Frontzeit weiterhin zwischen 30 und 90% x 1.67 ermittelt. Für die Rückenzeit wird neu nur noch 50/50% zugelassen. Die Zeiten der Impulsform sind gleich geblieben „SURGE“ 1.2/50 µs.

Für die Definition des Stromes gestaltet sich die Definition etwas schwieriger, da die Rückenzeit bei der 50/50% Auswertung von der Frontzeit beeinflusst wird. Der Strom ist auch abhängig von der Kopplungsimpedanz. Die Faktoren 1.18 und 1.04 wurden durch Simulation und durch ausgiebige Messungen in einem ersten Schritt bei allen namhaften Generatorherstellern ermittelt. Anschliessend wurden die Faktoren auch bei Kalibrationen bei Kunden an schon ausgelieferten Generatoren überprüft und akzeptiert.

One clear Definition no longer IEC 60060 and IEC 60469

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Ein weiteres Problem der Ausgabe 2 besteht beim Kurzschlussstrom, gemessen am direkten Ausgang des Generators ohne 18 µF Koppel-kapazität und gekoppelt auf eine Netzleitung mit einem 18µF Kondensator. Das nebenstehende Diagramm zeigt den Unterschied: rote Kurve ohne 18µF und grüne Stromkurve mit 18µF. Die Dimensionierung des SURGE Kreises konnte nie auf „Nominal“ 20 µs ausgelegt werden. Ohne CDN war die Rückenzeit an der oberen Toleranzgrenze und mit dem 18µF Kondensator an der unteren Toleranzgrenze. Die Lösung besteht nun darin für die Kalibration der unterschiedlichen Generatorausgänge die gleichen Kalibration - Bedingungen anzuwenden. Dies wird erreicht indem immer mit einem 18µF Kondensator kalibriert wird. Bei den CDN wurden die Anwendungsbereiche erweitert:

CDN für SURGE Überlagerung auf Netze mit Phasenströmen bis 200A

CDN für Datenübertragungen bis 1Gb/s für symmetrisch betriebene Datenleitungen

Damit die Prüflinge mit höheren Einschaltströmen eingeschaltet werden können, muss die serielle Induktivität des Entkopplungsfilters reduziert werden. Die Reduktion der seriellen Induktivität wirkt sich auf die Spannungsamplitude und die Rückenzeit aus. Dieser Einfluss der CDN könnte mit einer jeweiligen Anpassung des SURGE Generators kompensiert werden. Um den gleichen SURGE Generator mit allen CDN verwenden zu können, wurden die Toleranzen für die Kalibration angepasst. Die Stromobergrenze für die SURGE Prüfung liegt bei etwa 200A pro Phase. Beim Koppelpfad 9µF +10 Ohm musste die Rückenzeit mit 50 µs -45µs Toleranz definiert werden. Die 5 µs reichen aus um eine Spannungsamplitude am Prüfling zu generieren, die ausreichend ist, die Schutz-schaltungen zu zünden und den 8/20µs Strom fliessen zu lassen..

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Dieser Paragraph wurde komplett überarbeitet. Neben den Hinweisen welche Kopplungs- und Entkopplungs- Elemente in den Netzwerken eingesetzt werden können, wurde eine limitierte Anzahl von CDN ausgewählt. Für alle vorgeschlagenen CDN Kopplungs- und Entkopplungs- Netzwerke wurde eine Kalibration mit Impulsformen und entsprechenden Toleranzen definiert. Grundsätzlich wird zwischen asymmetrisch betriebenen Verbindungsleitungen (unsymmetrical operated interconnection lines) und symmetrisch betriebenen Verbindungsleitungen ( symmetrical operated interconnection lines ) unterschieden. Mit den nachstehenden Bildern werden die Unterschiede der CDN sowie deren Limiten in der Anwendung aufgezeigt und im Vortrag erklärt.

Wie bei den Netzversorgungs- CDN wird auch bei den unsymmetrischen Verbindungen jede einzelner Leiter gegen Erde oder gegen andere Leiter geprüft. Bei einer gemeinsamen Prüfung von mehreren Leitungen, wie z.B. in IEEE Std 62.45 gefordert, kann nicht mit Sicherheit eine Aussage gemacht werden, dass alle Schutz-schaltungen richtig funktionieren und der Prüfling (EUT) störfest ist. Immer muss auch die Prüfung an einzelnen Leitern durchgeführt werden. Mit den Schalterpositionen von S1 und S2 werden die Koppelpfade angewählt. Bei der Koppelimpedanz R und CD mussten zwei Werte berücksichtigt werden: 40 Ohm und 0.5µF und 40 Ohm und GDT In vielen Produktnormen wird die Kopplung 0.5 µF und 40 Ohm verwendet, die in der Ausgabe 2 aufgeführt ist, darum konnte diese Koppelimpedanz nicht vollständig wegelassen werden.

In der Ausgabe ED2 war keine Kalibration für die Datenübertragung CDN definiert. Um die schon in der Praxis vorhandenen CDN weiterzuverwenden wurden die Werte für die Kalibration so angepasst und mit vielen Messungen überprüft, dass ältere CDN bei der Kalibration innerhalb der Toleranz bleiben. Dies hat zur Folge, dass vier Sets von Impulsformwerten für die Kalibration nötig wurden.

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Ebenfalls wurden die Bedingungen bei der Kalibration für alle Ports klar definiert. Nur in diesen definierten Bedingungen der Ein- und Ausgängen können die Toleranzen des vorstehenden Bildes erreicht werden.

Bei den symmetrisch betriebenen Verbindungs-leitungen wird die SURGE Prüfung nur zwischen einem Leiterpaar und der Erde durchgeführt. Bei der Entkopplung sind die Drosseln pro Leiterpaar magnetisch gekoppelt, um die Datenübertragung bis zu einem Gb/s zu ermöglichen. Mit der definierten Kalibration wurden auch alle Angaben der Werte von Komponenten wie z.B. L entfernt. Damit wird die bei Akkreditierungen immer wieder geforderte Messung von Komponenten hinfällig. Hier noch ein Hinweis zu den Limiten der CDN bezüglich Datenübertragung. Die Datenübertragung ist abhängig von der Kabellänge und den verwendeten Anzahl Paaren. Die angestrebte Übertragungsrate von1Gb/s kann nur erreicht werden mit 8 Paaren und Kabellängen < 100 m. Bei Kabellängen von <10m wird sowohl in der Generic Norm, als auch in der IEC 61000-4-5 ED keine SURGE Prüfung mehr verlangt. Es wäre auch nicht sinnvoll, bei Kabel-verbindungen von Servern in geschützten Räumen noch SURGE Prüfungen durchzuführen.

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Ein weiteres Beispiel eines CDN wurde in der IEC 61000.4.5 ED3 aufgenommen. Die Verwendung von GDT (Gas Discharge Tubes) hat viele Vorteile, jedoch auch Nachteile. Ein Nachteil ist die relativ hohe Zündspannung und damit die hohe Spannung am AE Gerät. Die hohe Zündspannung verhindert auch eine Einkopplung einer SURGE Spannung unter etwa 1 kV. Wenn in der Praxis eine dieser Prüfanforderungen besteht, können für die SURGE Einkopplung anstelle von GDT, lineare Elemente eingesetzt werden wie im nebenstehenden Bild gezeigt. Die Nachteile dieser Schaltung sind jedoch:

Keine Anwendung des CDN für 10/700µs Impulse

Die Spannung am AE steigt mit der SURGE Spannung, und damit die Energie auf das AE Gerät.

Eine Anwendung mit Frequenzen von <10MHz ist nicht möglich, infolge der Impedanz zwischen den Leitern und die Belastung des Übertragungssignales.

Im nächsten Bild wird auch der Unterschied der Rückwirkung auf das AE Gerät gezeigt. Der Anwender muss entscheiden, welche Kopplungsart notwendig ist.

Das Kriterium für die Entscheidung liegt im Schutz des AE Gerätes und ist sicher selbstredend aus dem nebenstehenden Diagramm ersichtlich. Mit den GDT ist die Energie in das AE viel kleiner als mit den linearen Elementen.

Bei einem 90 V GDT ist die Ansprechspannung bei einem 1µs Anstieg etwa 600V. = schwarzer Balken zu Beginn des Impulses. Die Spannung ist etwa 600V und die Zeit etwa 0.1µs. 600V x 01µs = 60Vs Bei der linearen Lösung = rote Kurve e.g. SURGE 2 kV Vmax 75V bei einer Zeit von >500 µs -> V x t = 37'500 Vµs

e.g. SURGE 4 kV Vmax 150V bei einer Zeit von > 500 µs -> V x t =75'000 Vµs

Die Vorteile sind: Die GDT kann auch angewendet werden für die 10/700 µs Impulsform, und Vmax 600V ist unabhängig von der SURGE Amplitude Lineare Elemente: die Restspannung kommt unter < 600V zu liegen Die Nachteile sind: Linear: V max ist abhängig von der SURGE Amplitude

GDT die Restspannung kann nicht unter 600V gebracht werden. Es gibt keine GDT am Markt mit kleiner Zündspannung.

Residual voltage on AE side

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Da jedes einzelne Verbindungspaar kalibriert wird, ist nur ein Werte Set notwendig. Diese Werte müssen für beide Typen von CDN: GDT oder lineare Elemente nachgewiesen und die Toleranzen eingehalten werden.

Wie schon bei der unsymmetrischen betriebenen CDN sind auch hier die Bedingungen der Aus- und Eingänge am CDN für die Kalibration klar definiert.

In der Ausgabe 2 war der 10/700µs Impuls noch im normativen Hauptteil des Dokuments enthalten. In der ED3 ist nun der 10/700µs Impulse in den Annex A verschoben worden. Der Vorteil liegt nun darin, dass der Annex A einfacher mit der ITU K44 harmonisiert werden kann. Es soll zukünftig auch verhindert werden, das in den IEC und ITU Dokumenten unterschiedliche Prüfgeräte definiert sind, wie wir dies in der Vergangenheit hatten.

9 Kapitel 1

Alle CDN im ED3 Dokument sind Beispiele und keine Anleitungen für einen Eigenbau. Mit der definierten Kalibration aller aufgeführten CDN wird erreicht, dass in Zukunft die Prüfergebnisse verglichen werden können. Dies wird auch erreicht, dass für alle CDN die Impulsform an den Prüflings-Ausgängen (EUT) nachgewiesen werden muss.

Im Annex F sind alle für den SURGE MU (Messunsicherheit) notwendigen Abklärungen und notwendigen Berechnungen aufgeführt. Speziell sei noch darauf hingewiesen, dass sowohl in der IEC 61000-1-6 und IEC 61000-4-5 ED3 vermerkt ist, dass die Toleranz in den Basisdokumenten nicht mit der MU reduziert werden sollte, ansonsten würden viele Generatoren die Kalibrierung nicht bestehen. Für alle im Dokument definierten Impulsformen wurden die mathematischen Formeln mit den entsprechenden Auswertungen der nominellen Impulsformen in Diagrammen integriert. Zusätzlich wurde zu jeder Impulsform auch die Spektralkurve ermittelt und aufgeführt. Die Spektralkurven können nützlich sein, um im Frequenzbereich Fehleranalysen vornehmen zu können.

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Der letzte Hinweis im Annex H betrifft den eventuellen Bedarf, auch an Prüflingen mit höheren Netzströmen als 200A noch SURGE Prüfungen vorzunehmen. Praktische Beispiele mit höheren Strömen sind Solaranlagen mit Invertern oder Elektro-Automobile. Die heute im Einsatz befindlichen SURGE Generatoren mit Netz CDN sind meistens für max. 280V zwischen L und PE oder 440V L zu L ausgelegt. Bei einer Anwendung dieser Prüfsysteme mit Spannungen z.B. L zu L mit 690 V würde der Generator beschädigt.

Zuletzt noch einmal eine Auflistung aller Änderungen in der IEC 61000-4-5 ED3, die dieses Jahr veröffentlicht wird.