EMV #001 Elektromagnetische Verträglichkeit

Elektromagnetismus – ein Begriff, der den meisten unter uns zumindest noch schwach aus dem Physikunterricht geläufig sein dürfte. Jedoch anders als noch vor fünfzig Jahren, spielt dieses spannende Phänomen längst eine weitaus tragendere Rolle in unser aller Leben.

Nicht wenige Menschen fürchten sich vor Elektromagnetismus und empfinden ihn als eine Bedrohung für ihre Gesundheit. Andere wiederum belächeln diese Ängste und gehen recht sorglos mit diesem Thema um. Wer hat nun Recht – derjenige der dem Umgang mit Elektromagnetismus meidet, wo es nur geht oder derjenige der sich hierüber keine Sorgen macht?

Nun, das kann man selbstverständlich nicht pauschal beantworten und wenn, dann würde ich sagen beide haben Recht.
Warum?

Wir unterscheiden bei diesem Thema grundsätzlich in natürliche und technisch – also durch uns Menschen – erzeugte Magnetfelder. Das uns wohl bekannteste natürliche Magnetfeld ist das der Erde, das Erdmagnetfeld, welches im Erdinneren erzeugt wird. Es ist von großer Bedeutung für das Leben auf der Erde, denn ohne es wären wir der kosmischen Strahlung schutzlos ausgeliefert. Das Erdmagnetfeld ist ein sogenanntes statisches Magnetfeld, da seine Feldkräfte über die Zeit konstant bleiben.

Eine andere Form stellen elektromagnetische Wechselfelder dar. Auch von ihnen sind wir auf natürliche Weise ständig umgeben, denken wir nur an die Licht- und Wärmestrahlung der Sonne.

Technisch erzeugte elektromagnetische Strahlung umgibt uns hingegen ständig – alleine aus unseren Stromnetzen. Nicht jede Form elektromagnetischer Strahlung ist nun für uns schädlich, im Gegenteil sie wird sogar gezielt im medizinischen Bereich zur Patientenbehandlung eingesetzt. So zum Beispiel in der Kurzwellen-Wärmetherapie. Und auch unser Körper erzeugt elektrische Felder, ohne sie würden unser Herz oder Gehirn nicht funktionieren. Aber es soll auch nicht verschwiegen werden, dass elektromagnetische Felder in bestimmten Frequenzbereichen sowie Feldstärken durchaus zu gesundheitlichen Schädigungen führen können. Aus diesem Grund gibt es Grenzwerte, die einzuhalten sind. Die Einhaltung dieser auch als Personenschutzgrenzwerte bezeichneten Vorgaben wird in der Bundesrepublik Deutschland durch die Bundesnetzagentur und das Bundesamt für Strahlenschutz streng überwacht. So muss ich als Funkamateur, der mit sehr hohen Sendeleistungen arbeiten darf, beispielsweise genaue Berechnungen anstellen, welche Stärke die elektromagnetischen Felder meiner Funkanlagen annehmen. Ich bin dafür verantwortlich, dass diese die Grenzwerte nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz und der Verordnung über das Nachweisverfahren zur Begrenzung elektromagnetischer Felder nicht überschritten werden.

Zwar soll es in diesem Podcast eigentlich um elektromagnetische Störungen gehen, ich erwähne diesen Umstand jedoch dennoch, da die Verpflichtung diese Prüfungen durchzuführen grundsätzlich dann gilt, wenn eine Funkanlage eine Sendeleitung von 10 W isotroper Strahlungsleistung und mehr erbringt. Auch Hersteller bzw. Benutzer von Produkten deren Funkanlagen (und damit sind nicht nur die klassischen Funkgeräte gemeint) diese Grenze erreichen, unterliegen den eben genannten Gesetzen und Verordnungen. In diesem Zusammenhang wäre der Begriff „Standortbescheinigung“ zu nennen und ich empfehle, hierzu auch die Website und Publikationen der Bundesnetzagentur zu Rate zu ziehen.

Zum Thema Funk verweise ich an dieser Stelle auf meine dreiteilige Podcastreihe zur Funkanlagenrichtlinie, die entsprechenden Links habe ich in den Shownotes hinterlegt.

RED #001 Funkanlagenrichtlinie – Eine Einführung

RED #002 Funkanlagenrichtlinie – Eine Einführung Teil 2

RED #003 Funkanlagenrichtlinie – Die Kombination einer Nicht-Funkanlage mit einer Funkanlage

Kommen wir nun aber zu den elektromagnetischen Störungen und damit zur EMV-Richtlinie.

Im Jahre 1989 wurde mit der EMV-Richtlinie 89/336/EWG die erste Regelung zur Einhaltung der Störfestigkeit gegenüber äußeren Störungen gesetzlich festgelegt. Nach diversen Änderungen und Anpassungen ist nun seit 2014 die EMV-Richtlinie 2014/30/EU gültig und mit dem „Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG)“ in bundesdeutsches Recht umgesetzt.

Der Anwendungsbereich der EMV-Richtlinie bezieht sich auf elektrische und elektronische Betriebsmittel. Betriebsmittel können dabei sowohl ortsfeste Anlagen als auch mobile Komponenten wie Geräte oder Kombinationen aus Endgeräten, Bauteile und Baugruppen die zum Einbau in Geräte durch den Endnutzer bestimmt sind als auch bewegliche Anlagen sein. Hinsichtlich der eben genannten Gruppierung der Betriebsmittel sollte man sich in jedem Fall die Begriffsbestimmungen in Artikel 3 der EMV-Richtlinie anschauen.

Auch die EMV-Richtlinie kennt Ausschlüsse, wie zum Beispiel bestimmte luftfahrttechnische Erzeugnisse, bestimmte Funkgeräte, die von Funkamateuren genutzt werden, Betriebsmittel die nur sehr geringe elektromagnetische Emissionen aufweisen oder ohne zumutbare Beeinträchtigungen betrieben werden können, wenn sie elektromagnetischen Einflüssen ausgesetzt sind oder Komponenten die zur Erprobung ausschließlich in Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen eingesetzt werden (siehe hierzu Artikel 2).

Nun ist die Einstufung ob ein Produkt von der Anwendung der EMV-Richtlinie betroffen ist nicht immer ganz einfach. Grundsätzlich kann man aber wohl sagen, dass jedes Produkt, das mit elektrischer Energie betrieben wird in jedem Fall u. a. auch auf die Anwendbarkeit der EMV-Richtlinie zu überprüfen ist. Für die weitere Prüfung der Einstufung empfehle ich Ihnen, sich den EMC Guide – den Leitfaden zur Anwendung der EMV-Richtlinie – zuzulegen. Dieser enthält unter anderem verschiedene Ablaufdiagramme beispielsweise zur Prüfung auf Anwendungsbereich, der Geräteeinstufung oder des Konformitätsbewertungsverfahrens.

Was verlangt nun die EMV-Richtlinie hinsichtlich der Betriebsmittel?

Dies ist in Anhang I, Abs. 1 festgelegt, Zitat:

Betriebsmittel müssen nach dem Stand der Technik so entworfen und gefertigt sein, dass

a) die von ihnen verursachten elektromagnetischen Störungen keinen Pegel erreichen, bei dem ein bestimmungsgemäßer Betrieb von Funk- und Telekommunikationsgeräten oder anderen Betriebsmitteln nicht möglich ist;

b) sie gegen die bei bestimmungsgemäßem Betrieb zu erwartenden elektromagnetischen Störungen hinreichend unempfindlich sind, um ohne unzumutbare Beeinträchtigung bestimmungsgemäß arbeiten zu können.

Dies bedeutet im Klartext, dass der Hersteller sein Produkt so zu konzipieren hat, dass es keine Störungen verursacht, die geeignet sind beispielsweise eine Telefonanlage oder ein EDV-System oder auch nur ein einfaches Radio zu stören.

Elektromagnetische Störungen können in nieder- oder hochfrequenter und sowohl leitungsgebundener als auch freier Abstrahlungsform vorkommen. Ihre Ursache sind elektromagnetische Felder die z. B. dann auftreten, wenn ein Leiter, also beispielsweise ein einfacher Draht, oder auch eine andere elektrisch leitende Komponente wie die Leiterbahnen einer Leiterplatte, von Wechselstrom durchflossen wird. Diese Felder bestehen aus einem magnetischen und einem elektrischen Teil und umgeben den Leiter nach Außen wodurch sie sich auch in den an den Leiter angrenzenden freien Raum ausbreiten können.

Und hier beginnen dann oftmals die Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen Störungen. Während die Abstrahlung eines starken elektromagnetischen Feldes in der Funktechnik erwünscht ist, kann diese in anderen Anwendungen zu erheblichem Ärger führen. Nun werden Sie sagen, ja bei Funkanwendungen werden schließlich auch Antennen eingesetzt. Das ist selbstverständlich richtig, eine Antenne ist aber im Grunde genommen nichts anderes als ein elektrisch leitendes Gebilde. Und dass die Antenne – anders als ein Draht – manchmal nur an einem Ende mit dem Stromkreis verbunden ist, und trotzdem ein elektromagnetisches Feld abstrahlt, macht das Verständnis der Angelegenheit nicht einfacher. Aber ich will sie in diesem Podcast nicht mit zu viel technischen Details belasten, deshalb sehen Sie es mir bitte nach, dass ich das Funktionsprinzip einer Antenne hier nicht erkläre – es ist ohnehin ohne Belang für das Thema EMV.

Wir sollten uns merken, dass jeder elektrische Leiter in einem elektrisch betriebenen Gerät grundsätzlich elektromagnetische Felder abstrahlen kann. Aber nicht nur der Draht in einem Gerät, auch seine elektronischen Bauteile können an der Abstrahlung beteiligt sein. Nun, an dieser Stelle werden sie vermutlich sagen: Gut, dann umgeben wir das Gerät einfach mit einem soliden Metallgehäuse und das Problem ist keines mehr. Leider nicht ganz: Die meisten Geräte haben mindestens eine Leitung, die nach draußen führt – die Netzleitung zur Stromversorgung. Oftmals sind es aber noch mehr: so z. B. Netzwerkkabel oder Datenkabel für serielle Busse und andere Schnittstellenleitungen zu weiteren Komponenten. Sie alle können, wenn die Konstruktionsabteilung nicht aufpasst, die elektromagnetischen Felder trotz einer sonst guten Geräteabschirmung nach außen transportieren und so zur Störung anderer Geräte beitragen.

Und was in der einen Richtung funktioniert, klappt auch in der anderen. Soll heißen: Können elektromagnetische Felder über ein Gehäuse oder verbindende Leitungen ein Gerät nach außen verlassen, können elektromagnetische Felder ebenso leicht in das Gerät eindringen. Ein Gerät, das nicht gegen den Einfluss elektromagnetischer Felder ausreichend abgeschirmt ist, kann in seiner Funktion gestört oder gar zerstört werden. Damit wären wir dann beim Punkt b) aus Anhang I, Abs. 2 der EMV-Richtlinie.

Die Liste, wie Störungen durch elektromagnetische Felder entstehen können ist lang. Allerdings auch die Liste der Möglichkeiten, dies zu verhindern.

Nun sagte ich, dass zur Entstehung elektromagnetischer Felder eine Wechselspannung erforderlich ist. Können wir also daraus folgern, dass nur Geräte Störungen erzeugen, die mit dem Stromnetz verbunden sind? Leider nein!

Auch Geräte die ausschließlich über Batterien – also über Gleichspannung betrieben werden, sind grundsätzlich in der Lage elektromagnetische Störungen zu erzeugen. Auch hier können wieder diverse Komponenten daran beteiligt sein, wie beispielsweise die die eine Gleichspannung einer bestimmten Höhe in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung umsetzen. Wie wir aus dem Physikunterricht vielleicht noch wissen ist so etwas eigentlich nur mit Hilfe eines Transformators möglich – und einer Wechselspannung. Eine Gleichspannung lässt sich über einen Transformator nun mal leider nicht umsetzen.

Nun, die Technik macht es trotzdem möglich und man bedient sich dazu beispielsweise sogenannter DC-DC-Wandler (DC steht für Direct Current also Gleichstrom). Je nach Richtung der Umsetzung werden sie als Buck- oder auch Step-Down-Converter bzw. Boost- oder Step-Up-Converter bezeichnet. Der eine oder andere unter Ihnen hat vielleicht schon einmal im Rahmen seiner Tätigkeit als technischer Redakteur in einer Produktbeschreibung von ihnen gelesen. Damit sie wie gewünscht funktionieren, müssen geeignete Schaltungen verwendet werden. Und diese können – passt der Entwickler nicht auf – ebenfalls zu einem EMV-Problem werden.

Ein weiterer Punkt hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit ist das Thema ESD. Dieses Kürzel steht für Electrostatic Discharge also für elektrostatische Entladung. Wir alle haben wohl schon auf die eine oder andere Weise schmerzhafte Bekanntschaft mit diesem Phänomen gemacht. Je nach Kleidung, Schuhwerk und Untergrund auf dem wir uns bewegen kommt es vor, dass wir beim Berühren metallischer Teile wir einem Türgriff oder einem Treppengeländer einen gehörigen elektrischen Schlag bekommen. Dieser bringt uns zwar i. d. R. nicht um, er ist aber durchaus geeignet, uns einen gehörigen Schrecken einzujagen. Das ist auch kein Wunder, schließlich können hier Spannungen bis zu 35 kV also 35.000 Volt auftreten – das tut schon gehörig weh.

Während wir bei diesem Ereignis meist mit einem Schrecken und kurzem Schmerz davonkommen, kann eine solche Entladung durchaus zu einer Funktionsstörung eines Gerätes oder im schlimmsten Fall zur Zerstörung seiner elektronischen Komponenten führen. Insbesondere bestimmte Halbleiter sind hierbei besonders gefährdet. Im Rahmen der Prüfung auf elektromagnetische Verträglichkeit ist also auch zu prüfen, ob ein Produkt durch derartige Vorkommnisse in seiner Funktion beeinträchtigt oder zerstört werden kann. Wir hatten jüngst einen solchen Fall, bei dem ein mikrocontrollergesteuertes Gerät laut Prüflabor bei einer Entladung von nur 4 kV also 4.000 Volt den Dienst quittierte. Das Gerät oder seine Komponenten wurden zwar nicht zerstört, aber die Entladung sorgte bei den Tests dafür, dass der Mikrocontroller seine Programmabarbeitung abbrach und sich „aufhängte“ wie man im IT-Jargon gerne sagt. Bei diesem Produkt folgten zwar daraus keine weiteren Konsequenzen bzw. Gefährdungen, werden jedoch bei einem solchen Ereignis sicherheitsrelevante Bereiche in Mitleidenschaft gezogen, kann so etwas zu ernsthaften Problemen führen.

Nun komme ich noch zu einer weiteren Form elektromagnetischer Störungen. Die Liste ist zwar noch lange nicht vollständig, aber keine Angst damit will ich es dann auch bewenden lassen. Ich möchte Sie nur ein wenig sensibilisieren, welche Bandbreite an Möglichkeiten elektromagnetischer Störpotenziale in unserer technischen Welt lauern. Zwar ist das in erster Linie ein Problem der Produktentwickler und der Prüflabore, aber auch wir technischen Redakteure sollten ein wenig Wissen zu diesem Thema im Hinterkopf haben, denn es kommt leider gar nicht so selten vor, dass erst der Technische Redakteur die Entwicklungsabteilung darauf hinweist, dass hier möglicherweise ein Problem im Raum steht.

Nun also zu meinem letzten Beispiel: Es geht um Funk. Dieses Medium hat heute ein breites Anwendungsspektrum im technischen Bereich, so kennen wir alle beispielsweise WLAN, Bluetooth, NFC & Co. Sie alle haben eines gemeinsam: Die Übertragung erfolgt drahtlos mittels elektromagnetischer Wellen.

Möchte ein Hersteller seine Maschine um eine Funkschnittstelle erweitern, wird er vermutlich meist auf entsprechende industriell gefertigte und zertifizierte Grundkomponenten setzen. Es ist aber auch denkbar, dass er aus einem bestimmten Grund eine Funkschnittstelle mit einer ganz bestimmten Frequenz und einem ganz bestimmten Modulationsverfahren benötigt und gezwungen ist diese Komponente selbst zu entwickeln.

Geht er hierbei nicht in allen Bereichen sorgfältig vor, kann es passieren, dass die Funkschnittstelle zwar hervorragend funktioniert und seine Maschine, in der dieses Teil eingebaut ist, bestens gegen elektromagnetische Einflüsse von Außen gewappnet ist, aber dennoch für erheblichen Ärger sorgt. So können Fehler bei der Entwicklung und Produktion der Funkschnittstelle beispielsweise dazu führen, dass dieses Modul nicht nur auf der eigentlich vorgesehenen Frequenz, sondern noch auf einigen anderen, höheren Frequenzen sendet. Die technischen Hintergründe, warum so etwas ganz schnell möglich ist, erspare ich Ihnen.

Dies wiederum kann dann führen, dass sehr schnell Mitarbeiter der Bundesnetzagentur im Unternehmen des Maschinenbetreibers vorstellig werden und gerne eine festgestellte Störungsquelle näher untersuchen möchten, weil ein benachbarter Betrieb seit geraumer Zeit beträchtliche Störungen des betriebsinternen Funkverkehrs verzeichnet. Derartige Störungen, besonders wenn sie sicherheitsrelevante Funkdienste betreffen, können erhebliche Konsequenzen nach sich ziehen. So beispielsweise im Jahr 2019 als ein illegaler Rundfunksender nicht nur auf seiner eigentlichen Sendefrequenz, sondern auch im Flugfunk eines benachbarten Flughafens zu empfangen war. Die Folge war ein Ordnungswidrigkeitenverfahren, was mit einer Geldbuße von bis zu 500.000 Euro geahndet werden kann, und die sofortige Abschaltung und Beschlagnahme des Senders.

Auch wenn ich mich in diesem Podcast nur relativ dicht unter der Oberfläche des Themas elektromagnetische Verträglichkeit bewegt habe, hoffe ich, dass es mir dennoch gelungen ist, Ihnen dieses ebenso spannende wie auch herausfordernde Thema etwas näher zu bringen.

In einem zweiten Teil zum Thema elektromagnetische Verträglichkeit werden wir uns damit beschäftigen, welche Schnittmenge es zwischen der EMV-Richtlinie und der technischen Dokumentation gibt.

Hier folgen noch einige hilfreiche Links zu wichtigen Dokumenten:

Blue Guide

EMC Guide

EMV-Richtlinie

Halten wir also fest:

Das Thema elektromagnetische Störungen kann uns in vielfältiger Form begegnen. Die Bandbreite seiner Auswirkung reicht von harmlos bis höchst kritisch und gefährlich. Eine gewissenhafte Konstruktion des Produktes ist deshalb genauso unerlässlich wie eine gewissenhafte abschließende Prüfung gemäß den Vorgaben der Normen, Richtlinien und Gesetze.

Und: Hinsichtlich der Bewertung, ob ein Produkt die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit erfüllt, ist stets der Hersteller in der Verantwortung.