Eckdaten

Bei Sineformer von TDK Epcos handelt es sich eine Komplettlösung, die eine Gleichtaktdrossel L4 und Y-Kondensatoren C4, C5 und C6 zusammen mit den Gegentaktfiltern L1, L2, L3 und C1, C2, C3 enthält. Bei diesem Filter beträgt dV/dt weniger als 500 V/μs, Störungen werden verringert, die EMI größtenteils gedämpft und Lagerströme auf die Masse vor Ort abgeleitet. Bis zu einer Kabellänge von 100 m sind damit die EMV-Spezifikationen mit ungeschirmten Kabeln erfüllt.

Schalttechniken für die AC/DC- und DC/DC-Leistungswandlung erzeugen zwangsläufig ein gewisses Maß an Ausgangsrauschen, das durch Filternetzwerke verringert werden muss, um praktische und auch gesetzliche Grenzwerte zu erfüllen. Wechselrichter, die einen Wechselstromausgang in Motorantrieben und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) bereitstellen, benötigen ebenfalls eine Rauschfilterung, um den gewünschten AC-Ausgang so sauber wie möglich bereitzustellen.

Rauschen auf akzeptable Werte reduzieren

Bild 1: Ausgangsfilter für einen Durchflusswandler.

Bild 1: Ausgangsfilter für einen Durchflusswandler. Avnet Abacus

Für Gleichstrom beschreibt Bild 1 den Ausgangsfilter eines Durchfluss- oder Abwärtswandlers mit L1 und C1 als Energiespeicher, um die nach dem Transformator gleichgerichtete Signalform auf einen Nenngleichstrom zu mitteln. L1 ist so bemessen, dass ein bestimmter Spitze-Spitze-Rippelstrom für eine feste Schaltfrequenz und einen festen Tastgrad vorliegt. Dieser Strom fließt durch den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von C1, der die erforderliche maximale Ausgangsrippelspannung erzeugt. Die Ladekondensatoren und äquivalente Serieninduktivität (ESL) des Bauteils erzeugen ebenfalls einen Spannungsabfall – normalerweise dominiert jedoch der ESR. L1 muss den Volllast- und Spitzenrippelstrom ohne magnetische Sättigung übergeben und ist daher meist ein großes Bauteil, das einen Kern aus Eisenpulver oder Ferrit enthält. Wegen seiner Größe weist L1 eine hohe Eigenkapazität auf, sodass hochfrequente Rauschspitzen passieren können. L2 und C2/C3 werden hinzugefügt, um das Rauschen auf akzeptable Werte zu reduzieren. L2 kann sehr klein sein, da keine Energie gespeichert werden muss – dennoch muss der gesamte Ausgangsstrom passieren können. Die Induktivität sollte nur so groß sein wie absolut notwendig, da Laststromschritte unerwünschte Ausgangsspannungsübergänge nach E = -L di/dt erzeugen. Wenn sich L2/C2/C3 innerhalb des Wandler-Regelkreises befinden – wie es der Fall ist, wenn sie mit Fernerfassung zu einem Wandler hinzugefügt werden – besteht das Risiko der Instabilität, da der Filter eine Phasenverzögerung zur Rückkopplung hinzufügt. Die Induktivität sollte daher minimal sein und nicht mehr als 10 Prozent des L1-Werts betragen. Zudem sollte sie eine geringe Eigenkapazität besitzen, zum Beispiel nur eine einzelne Wicklung auf einem kleinen Eisenpulver-Ringkern oder Ferrit-Trommelkern.

Eine Art Selbstabschirmung

Trommelkerne weisen einen großen effektiven Luftspalt um die Außenseite der Wicklung auf, was unerwünschte Strahlung verursachen kann. Am Besten werden sie neben der störbehafteten Start- oder innersten Wicklung am L1-Ende platziert, um eine Art Selbstabschirmung zu schaffen. Hersteller markieren diese Verbindung oft mit einem Punkt. C2 kann ein Elektrolytkondensator mit relativ hohem ESR sein, der die Filterresonanz dämpft. C3 ist ein kleiner Keramikkondensator, der eine Dämpfung bei hohen Frequenzen unterstützt. Bewiesen ist (zum Beispiel Ridley), dass ein optimales Design einen relativ niedrigen Wert für C1 und einen hohen Wert für C2 vorsieht. L1 resoniert mit der Parallelkombination von C1 und C2 unterhalb der Schleifenübergangsfrequenz und ist relativ unempfindlich gegenüber einer zusätzlichen externen Kapazität. Die Zuspitzung der Schleifenantwort wird durch die Rückkopplungsschleife kompensiert. L2 resoniert mit der Serienschaltung von C1 und C2, die sich über der Übergangsfrequenz, aber unterhalb der Schaltfrequenz befindet. Ist C2 ein Aluminium-Elektrolytkondensator, wird seine Resonanz durch seine ESR gut gedämpft. Diese Anordnung ermöglicht eine Rückkopplungsschleife nach L2, was einen genaueren Gleichstromausgang ergibt, während die Schaltung unempfindlich gegenüber der extern vom Kunden hinzugefügten Kapazität ist und die Schleifenstabilität beibehalten wird. Andere Topologien wie Flyback-/Aufwärtswandler weisen ähnliche Filteranforderungen nach der ersten Energiespeicherstufe auf.

Manchmal kann Gleichtaktrauschen bei ungeerdeten Wandlerausgängen zu Problemen führen und mit einer Gleichtaktdrossel und Kondensatoren gegen Masse gedämpft werden. Im Gegensatz zu Y-Kondensatoren an AC/DC-Wandlereingängen gibt es keinen Maximalwert, der durch Leckströme definiert ist. Resonanzen sollten aber beachtet werden, die durch eine ohmsche Dämpfung der Drossel überwacht werden müssen.

Gerade bei Filtern gilt die Devise „Weniger ist mehr“, um Spannungstransienten bei Lastschritten, mögliche Instabilitäten, Resonanzen und eine schlechtere Lastregelung aufgrund ohmscher Spannungsabfälle über Induktoren zu vermeiden.

Anforderungen von Wechselrichtern für Motorantriebe

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