Kriterien für die Wahl des richtigen EMV-Filters für AC/DC-Stromversorgungen

Bei netzbetriebenen Geräten ist es gängige Praxis einen Netzeingangsfilter zu verwenden, der entweder im Eingangsstecker integriert oder als Einbaufilter im Gerät montiert ist. Insbesondere in professionellen Umgebungen wie in der Industrie, Gesundheitswesen und ITE ist dies üblich. Die Endanwendungen enthalten in der Regel eine Stromversorgung, welche für die Chassis- oder manchmal auch für die Rack- oder PCB-Montage geeignet ist. In jedem Fall erfüllt das Netzteil als eigenständiges Teil stets die gesetzlichen Anforderungen für elektromagnetische Störaussendung, typischerweise ist das die EN55011/EN55032 für leitungsgeführte und abgestrahlte Störungen.

Dennoch ist in manchen Fällen ein zusätzlicher EMV-Filter erforderlich. Erfahrene Geräteentwickler wissen jedoch schon seit längerem, dass sich eine EMV-Konformität eines Endproduktes nicht einfach durch die Verwendung konformer Komponenten sicherstellen lässt. Die Gründe dafür sind vielfältig: Konformitätstest an einer AC/DC-Stromversorgung werden beispielsweise unter sehr spezifischen Bedingungen, wie eine definierte AC-Leitungsimpedanz, Ausgangslast, Kabellänge und -führung und der Position des Prüflings in Bezug auf den Schutzleiter, durchgeführt. Wenn Entwickler etwa ein Endprodukt mit einem intern eingebauten AC/DC-Netzteil testen, variieren alle diese Bedingungen, was zu einem anderen und oft schlechteren EMV-Ergebnis führt. Die von anderen Komponenten abgestrahlte elektromagnetischen Störsignale können auch über die Verkabelung eingekoppelt werden, wodurch sich die leitungsgebundene Störausstrahlung erhöht.

So ist ein externer EMV-Filter aufgebaut

Bild 1: Typischer Aufbau eines EMV-Filters. XP Power

Ein externer Filter kann die Lösung sein, aber bei einer großen Auswahl, ist die Wahl nicht einfach. Ein Blick auf Bild 1 zeigt den internen Schaltungsaufbau eines typischen Filters sowie die einzelnen Komponenten und ihren Beitrag zur Funktion des Filters.

Der Kondensator CX dämpft Gegentakt-Störungen wie Rauschen, Fremdsignale und Spitzen, die zwischen Phase und Neutralleiter auftreten und durch schnelle Stromänderungen innerhalb des Wandlers entstehen. Dieser Kondensator ist vom Typ X1, X2 oder X3, um Spannungstransienten des Wechselspannungsnetzes widerstehen zu können. Die Induktivität L ist eine Gleichtaktdrossel mit zwei Wicklungen, die wie dargestellt gewickelt sind. Gleichtaktstörungen, die aus schnellen Spannungsänderungen innerhalb des Wandlers von der Phase und dem Neutralleiter zum Schutzleiter resultieren, sieht die Drossel als hochohmig an und jeder CY-Kondensator leitet den Rauschstrom gegen den Schutzleiter ab. Der normale Strom, der durch die beiden Wicklungen der Drossel fließt, verursacht eine Magnetfeldkompensation im Kern, so dass Entwickler hohe Induktivitätswerte ohne Angst vor magnetischer Sättigung verwenden können. Häufig wird die Induktivität L mit einer nicht perfekten Kopplung zwischen den Wicklungen hergestellt, so dass eine Streuinduktivität entsteht, die als separate Serieninduktivität wirkt und die Gegentaktdämpfung erhöht.

Filter können die EMV-Konformität des Systems ermöglichen

Bild 2: EMV-Filter mit integrierter Sicherung. XP Power

Während CX ein beliebiger Kapazitätswert innerhalb praktischer Grenzen sein kann, sind die Kapazitäten der beiden CY-Kondensatoren durch die Anforderungen an den Erdableitstrom begrenzt. Die CY-Kondensatoren sind in den Typen Y1, Y2, Y3 und Y4 mit abnehmender Betriebs- und Transienten-Nennspannung erhältlich. Der Ableitstrom durch die Y-Kondensatoren ist ein potenzielles Risiko, da sie die Sicherheitsbarriere von Phase und Nullleiter gegen Schutzleiter überbrücken. Wenn die Schutzleiterverbindung zu den Metallteilen der Applikation fehlerhaft wird, „schwebt“ das Gehäuse und kann über die Y-Kondensatoren ein Spannungspotential in Höhe der Netzspannung bekommen und einen elektrischen Schlag verursachen. Die Werte von Y-Kondensatoren sind daher so begrenzt, dass nicht mehr als der vorgeschriebene Strom gemäß der für die Anwendungsumgebung verwendeten Norm fließen kann. Die Grenzwerte können von einigen 10 mA in industriellen Bereichen bis weniger als 10 µA in kardiologischen Anwendungen im Gesundheitswesen betragen.

R1 ist ein hochohmiger Widerstand zur Entladung vom Kondensator CX, typischerweise mit 1 MOhm. Dieser ist notwendig, falls die Netzversorgung abrupt abbricht und die angeschlossene Last die gespeicherte Energie nicht zuverlässig entladen kann, wodurch eine potenziell gefährliche Spannung an den Stiften des Eingangssteckers zurückbleiben könnte. Normen wie die IEC 62368-1 für die Sicherheit von ITE- und Medienanwendungen schreiben vor, dass R1 den Kondensator nach zwei Sekunden auf weniger als 60 V bei CX > 300 nF entladen muss, wobei bei CX < 300 nF höhere Spannungen zulässig sind. Bei Anwendungen, die nur für geschultes Personal zugänglich sind, sind die zulässigen Spannungsgrenzen nochmals höher.

IEC 60601-1: besondere Anforderungen für medizinische Geräte

Bild 3: EMV-Diagramm eines AC/DC-Netzteils mit integriertem Filter: Emissionswerte sind konform mit der Emissionsgrenzwertlinie EN 55032. XP Power

Andere Normen weichen jedoch ab. Beispielsweise verlangt die IEC 60601-1 für medizinische Geräte eine Entladung auf weniger als 60 V bereits nach einer Sekunde, allerdings gibt es keine Vorgaben für Kondensatoren mit weniger als 100 nF. Normen wie IEC 62368-1 stellen auch Anforderungen an den verwendeten Widerstand, der bei Spannungstransienten nicht mehr als zehn Prozent Widerstandsabweichung besitzen darf, falls der Widerstand vor einer Sicherung eingebaut ist. R1 ist deshalb eine hochspezifizierte Komponente. In einigen Anwendungen ist die Verlustleistung von R1 unter normalen Bedingungen ausschlaggebend für die Einhaltung von Grenzwerten der Stand-by- oder Leerlaufverluste, die Gremien wie das US-Energieministerium (DoE) und die europäischen ErP-Richtlinie festlegen. Die Sicherung in Bild 1 kann bereits im EMV-Filter integriert sein. So zum Beispiel im für die Gehäusemontage beliebten Typ IEC320-C14 (Bild 1).

In kommerziellen Anwendungen ist eine einzelne Sicherung üblich. Wenn die Sicherung den gültigen Normen entspricht, werden die Spezifikationen für nachgeschaltete Komponenten gelockert. Bei einigen Anwendungen müssen Entwickler sowohl die Phase als auch den Neutralleiter mit einer Sicherung absichern, um die Möglichkeit einer versehentlichen Verpolung abzudecken. In solch einem Fall wäre bei einer einzigen Sicherung die Phase nicht abgesichert und Entwickler müssten sich auf die vorgeschalteten Sicherungen oder Trennsschalter im Falle eines Kurzschlusses gegen Schutzleiter verlassen. Diese vorgeschalteten Komponenten können, um die Verkabelung gegen zu hohe Lasten zu schützen, für einen höheren Bemessungsstrom ausgelegt sein und es wäre nicht gewährleistet, dass sie bei einem einzelnen Gerätefehler schnell genug auslösen, wodurch möglicherweise eine Brandgefahr entstehen könnte. Die Verwendung zweier Sicherungen hat jedoch den Nachteil, dass ein Überstrom von Phase zum Neutralleiter nur die Sicherung des Neutralleiters auslösen könnte, so dass das Gerät spannungsfrei erscheint, aber immer noch spannungsführende Verbindungen im Inneren vorhanden sind.

Auswahl des geeigneten Filters

Bild 4: Dämpfungsdiagramm des EMV-Filter Typ FCSS06SFR. XP Power

Der benötigte mechanische Formfaktor des Filters ist maßgebend; je nach Anforderung sind Filtervarianten mit IEC-Gerätestecker mit Schraub- oder als Snap-In-Befestigung, mit und ohne Schalter, einer oder zwei Gerätesicherungen erhältlich. Die IEC-Gerätestecker sind für 10 A (IEC-Typ C14) und 16 A (IEC-Typ C20) ausgelegt, wobei auch Filter als Einbauvariante bis 20 A Bemessungsstrom und höher erhältlich sind. Einbau-Filter, die typischerweise eine 6-seitige Metallabschirmung mit einer direkten Befestigung auf leitfähigen, geerdeten Metallteilen haben, bieten eine sehr effektive EMV-Dämpfung.

Alle Filter sind auch als Medizinvariante erhältlich, bei denen allerdings die Y-Kondensatoren fehlen, um den Ableitstrom auf typische 5 µA zu reduzieren. Dies führt dazu, dass sich die Gleichtaktdämpfung reduziert, weshalb an anderer Stelle eventuell eine Kompensation durch etwa eine Kaskadierung von Filtern notwendig ist.

Der benötigte Nennstrom lässt sich aus dem Leistungsbedarf der Last bei der niedrigsten Eingangsspannung und dem Leistungsfaktor der Last berechnen. Beispielsweise würde eine Last am Filter, die 200 W mit einem Leistungsfaktor von 0,9 bei 90 V_AC besitzt, einen Strom von 200W/(0,9 × 90 V_AC) = 2,47 A aufnehmen. In diesem Fall kann der Entwickler einen Filter mit einer Nennleistung von 3 A wählen.

Bild 5: EMV-Emissionswerten bei einem AC/DC-Netzteil mit zusätzlichem externem EMV-Filter: Emissionswerte weiterhin mit EN 55032 konform, allerdings nehmen sie bei höheren Frequenzen ab. XP Power

Die Auswahl der benötigten Dämpfung eines Filters erfolgt am besten durch eine Messung ohne Filter und anschließender Berechnung der zusätzlich erforderlichen Dämpfung durch einen externen Filter. Die Dämpfungskurven in den Filterdatenblättern geben einen Hinweis auf die Dämpfung, wobei zu beachten ist, dass die dargestellte Dämpfungsleistung im Datenblatt unter bestimmten Testbedingungen, typischerweise einer 50-Ohm-Quelle und Lastimpedanz, erreicht wird. Obwohl sich die Wechselstromquelle mithilfe eines LISN (Line Impedance Stabilizer Network) standardisieren lässt, ist die Anwendungslast mit hoher Wahrscheinlichkeit sehr unterschiedlich. Ein Filtermodul, das mit einem internen Filter eines AC/DC-Netzteils kaskadiert ist, kann durch potenzielle Resonanzen auch unerwartete Ergebnisse verursachen, die sogar eine Verschlechterung der EMV bei kritischen Frequenzen verursachen können. Als Beispiel dient ein EMV-Diagramm vom XP Power AC/DC-Netzteil PBR500PS12B, welches bei 230 V_AC und 180 W betrieben wurde. Das Diagramm zeigt eine gute Konformität zur Emissionsgrenzwertlinie EN 55032-Kurve B der Quasi-Peak-Erfassung. Anschließend fügten Entwickler einen EMV-Filter Typ FCSS06SFR von XP Power mit den in Abbildung 4 dargestellten Dämpfungseigenschaften ein. Die gestrichelte Linie stellt die Gegentakt- und die durchgezogene Linie die Gleichtaktdämpfung dar. Das resultierende Gesamtergebnis ist in Abbildung 5 dargestellt.

Es ist gut erkennbar, dass bis etwa 1 MHz die Dämpfung des Filters die Emissionen um den erwarteten Betrag senkt, aber ab 10 MHz und darüber die Messung nicht im Einklang mit den Erwartungen ist. Dies bedeutet, dass der modulare Filter bei diesen Frequenzen keine 50 Ohm als Abschlusswiderstand sieht. Dies bestätigt, dass vorab praktische Messungen notwendig sind, um die Konformität zu gewährleisten.

(prm)