Alles über EMV-Prüfung und -Zertifizierung für Ihr Produkt

Ich habe den größten Teil meiner Karriere in der Elektronikbranche für kleine Unternehmen und Start-ups gearbeitet. Ich habe ihnen unter anderem dabei geholfen, eine Idee in ein physisches Produkt zu verwandeln. Einige immer wiederkehrende Missverständnisse – mit denen ich bei fast jedem Kunden konfrontiert wurde – betrafen die Einhaltung der elektromagnetischen Kompatibilität. Viele hatten keine Ahnung, dass ihre Produkte eine EMV-Prüfung benötigen würden. Einige wiederum waren sich der Dauer und der Kosten der EMV-Zertifizierung nicht bewusst. Wieder andere wussten nicht, welche Anforderungen für ihre Produkte genau gelten.

Von denjenigen, die über die Zertifizierung Bescheid wussten, glaubten viele fälschlicherweise, dass ihr Produkt keinen HF-Test durchlaufen müsste, da es keinen WLAN-, Bluetooth-, Transceiver- oder anderen HF-Sender besäße. Andere waren der Meinung, dass sie als Unternehmen nicht zur Zertifizierung verpflichtet wären oder ohne Zertifizierung davonkommen könnten, da sie ja nur ein paar Dutzend oder hundert Leiterplatten herstellten. Mein Favorit war ein Unternehmen, das sich darauf spezialisiert hatte, handelsübliche Elektronikleiterplatten (z. B. Arduino und Breakout-Boards) zu verwenden und diese einfach in einem Gehäuse zusammenzuschalten, in der Annahme, dass sie ihr Gerät dann nicht zertifizieren müssten.

Dabei hat fast jedes Land seine eigenen EMV-Vorschriften und Zertifizierungsanforderungen. Ähnlichkeiten in den Vorschriften von Ländern können entstehen, wenn Länder gemeinsame Grenzen haben oder wenn die Zertifizierungs-/Regulierungsbehörde eines anderen Landes die Entwicklung der Vorschriften federführend leitet. Zum Beispiel haben Kanada und die USA sehr ähnliche Anforderungen. Auch die meisten Länder in Europa verlangen nur die Einhaltung der CE-Vorschriften.

Gemeinsame Anforderungen ermöglichen dabei einen einfacheren und kostengünstigeren Zertifizierungsprozess. Denn in diesem Fall müssen Sie Ihr Gerät nicht für jede Region einzeln zertifizieren lassen, in der Sie Ihr Produkt vermarkten möchten. Es gibt jedoch durchaus Länder, die verlangen, dass Sie Ihr Produkt gemäß den dort gültigen Vorschriften in einem Labor innerhalb der Landesgrenzen testen. Dies kann die Kosten und den Zeitaufwand für Ihre Zertifizierung erheblich erhöhen, da Geräte zum Testen an mehrere Labore geschickt werden müssen.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns speziell auf unbeabsichtigte „Strahler“ – also Geräte, die nicht absichtlich HF-Emissionen verursachen. Es ist nicht möglich, eine elektronische Schaltung ohne irgendeine Art von Emission zu bauen. Denn jedes Mal, wenn ein variabler Strom durch einen Leiter fließt, erzeugt dies ein Magnetfeld und elektromagnetische Energie wird abgestrahlt. Es gibt Verordnungen und Richtlinien, die gewährleisten, dass diese Emissionen andere Geräte oder Funksignale nicht stören. Dazu muss aber sichergestellt werden, dass diese unter bestimmten Grenzwerten liegen.

Warum EMV-Compliance wichtig ist

Gäbe es keine EMV-Vorschriften, könnten schlecht konstruierte Geräte eine Umgebung schaffen, in der eine Funkverbindung nicht möglich ist; auch könnte die Funktionsfähigkeit anderer angeschlossener oder in der Nähe befindlicher Geräte beschädigt oder gar zerstört werden. Ohne diese Vorschriften wäre etwa die Nutzung von Mobiltelefonen, die funkbasierte Flugsicherung, der Zugang zum Internet über WLAN oder etwa die Satellitenkommunikation nicht möglich – auch alle anderen Technologien, die auf elektromagnetischen Wellen basieren, könnten so beeinflusst werden.

Sie denken vielleicht, dass ich die Beispiele auf die Spitze treibe, aber ich habe schon erlebt, dass nicht zugelassene Geräte frei empfangbare Fernsehsignale so stark störten, dass einige Sender ihre Signalqualität verloren und im selben Gebäude, in dem sich das Gerät befand, nicht mehr empfangen werden konnten, oder dass CB-Funkgeräte in der Nähe nicht mehr funktionierten. Ein extremes Beispiel: Bei einer Maker-Veranstaltung habe ich miterlebt, wie ein Roboter mit Hochfrequenz- und Hochstrommotoren, der nicht zuvor getestet worden war, einem älteren Herrn mit Herzschrittmacher Schwierigkeiten bereitete – der Roboter musste schließlich sogar ausgeschaltet werden.

Was hat das mit Ihnen und Ihrem Produkt zu tun? Was wäre, wenn Sie eine einzelne Einheit für die Installation in einer Industrieanlage herstellen würden? Was wäre, wenn Sie Breakout-Boards herstellen würden, um sie auf Tindie zu verkaufen? Um die Website der Richtlinie zur elektromagnetischen Verträglichkeit der Europäischen Kommission zu zitieren: „Betriebsmittel (Geräte und ortsfeste Installationen) müssen den EMV-Anforderungen entsprechen, wenn sie auf den Markt gebracht und/oder in Betrieb genommen werden.”

Unabhängig davon, ob Sie ein einzelnes Gerät für einen einmaligen Gebrauch verkaufen oder eine große Anzahl an Geräten für den Vertrieb herstellen; Sie sind gesetzlich dazu verpflichtet, das Gerät zu zertifizieren. Diese Anforderung gilt auch dann, wenn Sie mehrere handelsübliche Leiterplatten zu einem Gehäuse zusammenbauen, anstatt nur eine einzelne Leiterplatte herzustellen. Dieselben Anforderungen gelten für die USA (FCC-Regeln), Kanada (ISED-Anforderungen) und alle anderen Länder.

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Vielleicht denken Sie, dass Sie unter dem Radar fliegen können, wenn es um Vorschriften geht. Ich habe schon mit Kunden zusammengearbeitet, die nur geringe Stückzahlen herstellten und trotzdem kontrolliert wurden. Diese hatten dann nicht die nötigen Compliance-Dokumente für ihre Produkte und musste sie nachliefern. Eines davon war ein amerikanisches Ein-Mann-Unternehmen, das sogar nur ein Verkaufsvolumen von mehreren hundert Einheiten pro Jahr hatte. Hier war eine Bestellung an einen Händler in Europa geschickt worden. Der Zoll im Zielland hielt die Lieferung zurück, bis CE-Dokumente vorgelegt werden konnten.

Ein anderer verkaufte „Intentional Radiators“, also Betriebsmittel und Anlagen, die beabsichtigt Hochfrequenzen erzeugen (ein HF-Produkt), ebenfalls nur in geringen Mengen. Er wurde von der FCC mit einer Geldstrafe von mehreren hunderttausend Dollar für den Verkauf eines nicht zertifizierten Produkts belegt. Ein geringes Verkaufsvolumen allein wird Sie also nicht retten, sollte eine Aufsichtsbehörde auf Ihr Produkt aufmerksam werden.

Die Zertifizierung Ihres Produkts wird mit Sicherheit weitaus günstiger sein, als eine Sendung wegen Nichteinhaltung der Vorschriften vernichten lassen zu müssen oder eine Geldstrafe zu zahlen.

So erhalten Sie die EMV-Zertifizierung für Ihr Produkt

Letztendlich muss Ihr Produkt an ein Zertifizierungslabor gehen. Dieses Labor muss dabei von den Aufsichtsbehörden, für die Sie Ihr Produkt zertifizieren möchten, befürwortet oder zugelassen sein. Ein Labor zu finden, das in Ihr Budget passt und die von Ihnen gewünschten Dienstleistungen anbietet, kann eine Herausforderung darstellen. Wenn es Ihr Zeitplan zulässt, ist die Reise zu einer Elektronikmesse (falls es in Ihrer Stadt keine gibt) eine gute Möglichkeit, um sich mit Elektronikentwicklern aus verschiedenen Laboren zu unterhalten. Selbst auf relativ kleinen Messen, die sich auf die Herstellung/Montage von Elektronik konzentrieren, sind wahrscheinlich mehrere Vertreter oder Vertreterinnen von verschiedenen Laboren anwesend.

Obacht: Das Unternehmen mit dem günstigsten Angebot ist dabei nicht immer unbedingt das beste Unternehmen für den Test. Denn Sie müssen während des Zertifizierungsprozesses ziemlich eng mit dem Labor zusammenarbeiten; vor allem dann, wenn Sie das Verfahren zum ersten Mal durchlaufen. Idealerweise begleitet Sie das Labor durch den gesamten Entwicklungsprozess Ihres Produkts. Wenn Sie Prototypen entwickeln, können Sie beispielsweise mit der Hardware ins Labor gehen oder jene dem Labor zusenden. So können Vorab-Konformitätstests am Prototypen durchgeführt werden.

Im Gegensatz zum Versand des fertiggestellten Artikels zum Testen ans Labor lediglich gegen Endes des Prozesses, können Sie durch frühzeitiges Testen von Prototypen rechtzeitig Änderungen an Ihrer Hardware vornehmen, falls Probleme festgestellt werden. Dadurch sparen Sie wertvolle Zeit und Geld. Wenn Sie auf Probleme stoßen, werden Ihnen die Entwickler eines guten Labors auf der Grundlage ihrer umfangreichen Erfahrung normalerweise direkt einige Ideen zur Lösung der Probleme geben können, anstatt Ihnen einfach nur mitzuteilen, dass es fehlgeschlagen ist. Noch besser: Wenn Sie persönlich an der Vorzertifizierung teilnehmen, können Sie einige dieser Vorschläge gleich vor Ort umsetzen und schnell erneut testen. So können Sie mit einer Liste der Änderungen in Ihr Büro zurückkehren, statt nur mit einer Liste von Problemen.

Welche Zertifizierungen Sie benötigen und zu welchem Preis

Wenn Sie planen, Ihre Produkte in Nordamerika und Europa zu verkaufen, ist es ein guter Anfang, die Einhaltung der FCC-Vorschriften der USA, der ISED-Anforderungen für Kanada und der Anforderungen der europäischen CE-EMV-Richtlinie zu prüfen. Dies wird wahrscheinlich die Mehrheit der potenziellen Kunden Ihres Produkts abdecken. Die von Regierungen auf der ganzen Welt festgelegten EMV-Vorschriften sind ähnlich, aber jedoch nicht alle gleich. Wenn Sie Ihr Produkt zum Beispiel in Australien oder Neuseeland vermarkten möchten, müssen Sie möglicherweise auch nach den AS/NZS-EMV-Normen prüfen. Australien und Neuseeland haben Abkommen über die gegenseitige Anerkennung geschlossen, die möglicherweise für die EU-EMV-Richtlinien gelten, nach denen Sie bereits testen.

Für einen einfachen, unbeabsichtigten Strahler mit einem Betriebsmodus, einem Netzanschluss und ohne Signal-/IO-Anschlüsse, müssen Sie mit ungefähr 2.000 US-Dollar für die EMV-Konformitätsprüfung gemäß FCC und ISED Canada rechnen. Wenn auch die CE-EMV-Richtlinie geprüft werden soll, kommen weitere Kosten in Höhe von etwa 4.500 US-Dollar auf Sie zu. Der Betrag, den Sie zahlen müssen, hängt dabei vom Labor ab, mit dem Sie zusammenarbeiten sowie vom Gerät, das Sie testen.

Bei batteriebetriebenen Geräten, die nicht aufgeladen werden können, wären die Kosten geringer, da die Prüfung des Stromnetzes entfällt. Bei Geräten mit mehreren Betriebsmodi oder Signal-/IO-Kabeln, die getestet werden müssen, wären die Kosten hingegen höher, da zusätzliche Tests durchgeführt werden müssen. Der Aufbau von Testeinrichtungen kostet Millionen von Dollar und wird von erfahrenen Elektronikentwicklern durchgeführt, die in der Regel einen hohen Stundensatz erhalten. Je komplexer oder langwieriger der Testplan für Ihr Gerät also ist, desto höher sind die Kosten.

Wenn das Gerät über drahtlose Funktionen verfügt, die kein vorab genehmigtes Funkmodul verwenden, oder wenn es ein vorab genehmigtes Modul verwendet, das nicht den Regeln für seine Verwendung entspricht, wie sie im Benutzerhandbuch und in der Zulassung angegeben sind, dann muss das Gerät gegen Aufpreis getestet und zertifiziert werden. Es ist wichtig, das Benutzerhandbuch und das Datenblatt jedes vorzertifizierten Moduls zu überprüfen, um sicherzustellen, dass Ihre Antenne (falls eine externe Antenne erforderlich oder zulässig ist) ausdrücklich erwähnt wird und dass Sie die Anforderungen an Stromversorgung und Layout ausdrücklich befolgt haben.

Achten Sie außerdem darauf, dass Sie das Modul nur für die im Handbuch angegebenen Betriebsarten und Leistungsstufen verwenden. Wenn Sie diese Anforderungen nicht befolgen, wird Ihre Verwendung des Moduls nicht als vorab genehmigt eingestuft und Ihr Gerät muss als beabsichtigter Strahler erneut getestet werden.

Erfahrungen mit der EMV-Prüfung

Idealerweise beginnen Ihre Erfahrungen mit Compliance-Tests mit Vorabtests in der ersten Prototypenphase. Wenn Sie nicht in der Nähe des Labors ansässig sind, können Sie dem Labor Ihren Prototypen oder Ihr Gerät mit allen Kabeln, Zubehörteilen und Betriebsanweisungen zusenden. Es wird dann dort erneut aufgebaut und anschließend getestet.

Simon Howkins und Parm Singh von QAI Labs in Kanada empfehlen Folgendes, um Ihr Testerlebnis so reibungslos wie möglich zu gestalten:

Wenn Sie in ein EMV-Labor kommen, um Ihr Produkt auf Konformität zu testen, sollten Sie sehr gut vorbereitet sein. Erwarten Sie das Unerwartete. Sie müssen ein voll funktionsfähiges Gerät mitbringen, das in seinem typischen Worst-Case-Betriebsmodus ununterbrochen arbeiten kann. Wenn Ihr Gerät über mehrere Betriebsmodi verfügt, sollten alle vorab gescannt werden, um den Worst-Case-Modus zu ermitteln. Wenn Ihr Gerät Hilfs- oder Unterstützungsgeräte für den Betrieb benötigt, müssen diese Geräte ebenfalls mit ins Labor gebracht werden.

Wenn das tatsächliche Hilfs- und Unterstützungszubehör nicht mitgebracht werden kann, sollten simulierte Lasten und Zusatzgeräte verwendet werden. Es ist sehr wahrscheinlich, dass Ihr Produkt den Test beim ersten Versuch nicht besteht und modifiziert werden muss, damit es den EMV-Vorschriften entspricht. Um diese Modifikationen im Labor durchzuführen, bringen Sie alle notwendigen Werkzeuge und Komponenten mit, die es benötigen könnte. Dazu gehören unter anderem Ferrite, HF-Filter, Abschirmungsmaterialien, Kondensatoren, Induktoren, Widerstände und alle Werkzeuge, die Sie für die Änderungen benötigen.

Ein Werkzeug, an das Sie vielleicht nicht sofort gedacht haben, ist ein Messer im Exacto-Stil mit scharfen Ersatzklingen. Denn mit einem Exacto-Messer können Sie leicht kleine Leiterbahnen ausschneiden oder die Lötmaske abkratzen. So lässt sich beispielsweise ein Lötpad herstellen, mit dem Sie bei Bedarf einen Kondensator oder ein anderes Bauteil in die Schaltung einbauen können. 

So bauen Sie die Zertifizierung in Ihren Projektplan ein

Hier noch ein paar weise Worte von Simon von QAI Labs für eine erfolgreiche Vorbereitung auf die EMV-Zertifizierung:

Zu den häufigen Fehlern von Start-ups in EMV-Laboren gehören unter anderem, dass diese nicht gleich zu Beginn des Designzyklus gute EMV-Designaspekte in das Gerät einbauen, dass sie nicht genug Zeit für die Prüfung und Zertifizierung des Geräts einplanen oder dass sie die Prüfung und Zertifizierung des Geräts auf die letzte Minute verschieben. Darüber hinaus kann es auch vorkommen, dass sie nicht ausreichend vorbereitet sind, wenn sie am ersten Tag der Vorscan-Prüfung ins Labor kommen.

Das kostenlose E-Book „Get EMC Design Right First Time“ von Andy Eadie ist eine hervorragende Ressource. Sie hilft Ihnen dabei schon von Anfang an ein gutes EMV-Design aufzubauen. Ich habe es schon vielen Kunden empfohlen und alle sagten mir, die Ratschläge seien hilfreich und leicht verständlich. Wenn Sie in Ihrem Projektplan Zeit für Vorab-Konformitäts-, Vorab-Scan- oder vorläufige F&E-Tests an Prototypen im Designzyklus einplanen, können Sie feststellen, wie das Gerät im Vergleich zu den Vorschriften abschneidet.

Abhängig von der Planung des Labors kann es einige Zeit dauern, bis die vollständige Zertifizierungsprüfung durchgeführt werden kann, nachdem Sie Ihre Vorab-Tests für die Zertifizierung abgeschlossen haben. Die EMV-Konformitätsprüfung bis zur letzten Minute aufzuschieben und dann feststellen zu müssen, dass das Gerät nicht den Anforderungen entspricht, kann teuer werden; vor allem dann, wenn das Produkt bereits hergestellt wurde und im Nachhinein dann doch noch geändert werden muss. Ganz zu schweigen davon, dass Fristen möglicherweise nicht eingehalten werden können, da neue Prototypen erst noch gebaut und getestet werden müssen.

Wenn Sie in einer Gegend wohnen, in der kein EMV-Labor in der Nähe ist, und Sie nicht in der Lage sind, zu reisen, können Sie Ihr Produkt oder Ihre Prototypen auch per Post an ein Labor senden, mit Anweisungen zum Einrichten und Testen.

Einfache PCB-Designentscheidungen zur Unterstützung der Compliance

Seit etwa vier Jahren empfehle ich das E-Book von Andy Eadie „EMC Fast Pass” sowie seine Schulungskurse. Denn ich habe das Gefühl, dass diese Materialien einen unkomplizierten und leicht verständlichen Leitfaden für EMV-Compliance und Design darstellen. Ich habe mich persönlich an Andy gewandt und ihn nach seinen besten Tipps für diesen Artikel gefragt. Hier sind seine Ideen:

1. PCB-Lagenaufbau
   Ein guter Ausgangspunkt, wenn Sie eine Leiterplatte entwerfen, die EMV-Tests bestehen soll, ist die Auswahl einer guten Konfiguration für den Lagenaufbau. Einer der wichtigsten Aspekte besteht darin, sicherzustellen, dass Sie für alle digitalen (Schalt-)Signale immer eine ununterbrochene Referenzebene (GND oder PWR) auf einer angrenzenden Lage bereitstellen. Wenn das Routing dafür zu dicht ist, fügen Sie einfach zwei weitere Lagen hinzu.

2. Entkopplungskondensatoren
   Statten Sie jeden einzelnen IC- und Stecker-Stromanschluss mit mindestens einem Entkopplungskondensator aus. Gemäß den Best Practices wird derzeit empfohlen, die Kondensatoreinstellungen auf einen Wert um die 100 nF zu standardisieren. Dadurch wird verhindert, dass versehentlich Resonanzen auf der Versorgungsfläche entstehen.

3. Hinzufügen von Vorwiderständen zur Off-Board- und Inter-Board-Kommunikation mit niedriger Geschwindigkeit
   Dies ist eine wertvolle „Sie-kommen-aus-dem-Gefängnis-frei-Karte”, die Sie nutzen sollten. Für langsame Kommunikationsschnittstellen, wie z. B. parallele LCD-Busse und SPI, sollten Sie einen Null-Ohm-Vorwiderstand in jede Leiterbahn einbauen, bevor es die Leiterplatte verlässt. Wenn Ihre Leiterplatte die Emissionstests nicht besteht, können Sie stattdessen 10R-33R-Abschlusswiderstände platzieren. So können die Oberschwingungen gedämpft und die Emissionen letztlich reduziert werden.

4. Pi-Filter an allen SMPS-Eingängen
   Ohne einen EMI-Filter am Spannungseingang eines SMPS ist es mehr als wahrscheinlich, dass ein Design die durchgeführten Emissionstests nicht bestehen wird. Fügen Sie also am Eingang jedes SMPS immer einen EMI-Filter hinzu – beispielsweise einen Pi-Filter.

Persönlich würde ich empfehlen, bei Tipp 3 noch einen Schritt weiter zu gehen und Footprints für zusätzliche Kondensatoren, Ferrite und andere Filterkomponenten auf Ihrer Leiterplatte zu platzieren – vor allem dann, wenn Sie noch keine Erfahrung mit EMV-konformen Designs haben. Es kostet nichts außer ein wenig Platz, um Footprints auf Ihrer Leiterplatte anzubringen. Allerdings kann es sowohl finanziell als auch zeitlich kostspielig werden, diese nachträglich hinzuzufügen und möglicherweise eine weitere Überarbeitung der Leiterplatte vornehmen lassen zu müssen. Ich sehe oft kommerzielle Leiterplatten aus der Massenfertigung mit vielen fehlenden Passiven. Man könnte meinen, dass diese Komponenten entfernt wurden, um die Kosten zu senken. Es wäre aber auch möglich, dass es sich dabei um Footprints handelt, die vorsichtshalber hinzugefügt wurden – beispielsweise, weil ein Entwickler dachte, es könnte ein EMV-Problem geben.

• Erfahren Sie mehr über Designentscheidungen zur Unterstützung der EMV-Compliance

Mein Dank geht an Simon Howkins (EMV-Vertriebsingenieur) und Parm Singh (Direktor der EMV-Abteilung bei QAI Labs) für ihre klugen Ratschläge zu diesem Artikel. Darüber hinaus ist Andy Eadie von EMC Fast Pass mit seinen hervorragenden E-Books und Schulungen seit Jahren eine wertvolle Ressource für mich — nicht zuletzt mit den oben genannten Tipps.

Die EMV-Zertifizierung ist ein sehr kompliziertes Thema, das über eine einfache gute Konstruktionspraxis hinausgeht. Es gibt so viele Nuancen in den globalen EMV-Vorschriften, dass es sinnvoll ist, bei diesem Aspekt Ihres Projekts mit Experten zusammenzuarbeiten und so den Erfolg sicherzustellen. Wenn Sie ein Unternehmen wie QAI frühzeitig in Ihren Projektplan integrieren, können Sie sich auf Ihr Produkt konzentrieren und Compliance-Tests werden deutlich weniger stressig. Je mehr Erfahrung Sie mit dem EMV-Design und den für Ihr Unternehmen relevanten Tests sammeln, desto weniger Vorzertifizierungen und Beratung durch Experten benötigen Sie. Es ist jedoch immer ratsam, diese in Ihren Projektplan in irgendeiner Weise einzubauen.

Um auf jeden Fall ganz vorne mit dabei zu sein, sollten Sie die beste HF-PCB-Design-Software verwenden, die Sie bekommen können: Altium Designer^®. Möchten Sie gerne mehr darüber erfahren, wie Altium Sie bei Ihrem nächsten PCB-Design unterstützen kann? Dann sprechen Sie doch einfach mit einem unserer Experten.