Mit mehrstufigen EMV-Filtern Störungen drastisch reduzieren

Typisches Ersatzschaltbild eines einstufigen Netzfilters für Ein-Phasen-Systeme Schurter

Ersatzschaltbild eines zweistufigen Netzfilters für Ein-Phasen-Systeme Schurter

Ohne Filter ist das Gerät vor den Emissionen ungeschützt und erfüllt die EMV-Anforderungen ganz klar nicht. Schurter

Bis auf kleine Ausreißer macht sich das einstufige Filter schon recht gut. Dennoch erfüllt es die Anforderungen nicht vollumfänglich. Schurter

Ein zweistufiges Filter stellt sicher, dass die Grenzwerte für Störemissionen über den gesamten Frequenzbereich eingehalten werden. Schurter

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist heute zu einem unverzichtbaren Qualitätsmerkmal jedes elektronischen Gerätes geworden. Die Konformität der Geräte mit den Schutzzielen der EMV-Richtlinie muss vom Hersteller durch eine Konformitätserklärung sowie durch die Anbringung des CE-Kennzeichens auf dem Gerät und auch auf der Verpackung erklärt werden. Dadurch übernimmt der Hersteller vor dem Gesetzgeber die Verantwortung für die Einhaltung der für das Gerät zutreffenden Störaussendungs- und Störfestigkeitsanforderungen.

Quelle – Senke – Kopplung

Das übliche Störkopplungsmodell geht von den Begriffen Störquelle, Kopplungspfad und Störsenke aus. Das Störungen erzeugende Betriebsmittel wird als Störquelle, das beeinflusste Betriebsmittel als Störsenke bezeichnet. Damit es zu einer Beeinflussung der Senke durch die Quelle kommen kann, muss die Störung zur Senke gelangen, um dort als Störgröße wirken zu können. Den Weg zwischen Quelle und Senke nennt man Kopplung oder Kopplungspfad.

Störungsart

Um eine hohe EMV überhaupt gewährleisten zu können, müssen die potenziellen Störungsmechanismen bekannt sein. Neben natürlichen Störquellen (zum Beispiel Blitz) gibt es grundsätzlich vier verschiedene Kopplungsarten:

• Galvanisch (Impedanzkopplung): Kopplung von zwei Stromkreisen über einen gemeinsamen Strompfad
• Kapazitiv: Kopplung von zwei Stromkreisen über ein elektrisches Wechselfeld. Die kapazitive Kopplung betrifft insbesondere den Hochfrequenzbereich.
• Induktiv: Kopplung zweier Stromkreise über ein magnetisches Wechselfeld. Die induktive Kopplung tritt im Niederfrequenzbereich auf.
• Strahlungskopplung: Die Aussendung von Wellenfeldern mit elektrischer und magnetischer Feldstärke

Unterschieden wird zwischen dynamischen sowie statischen Störungen (zumeist elektromagnetische Felder). Ebenso zwischen leitungsgebundenen und nicht leitungsgebundenen Störungen. Die galvanische oder Impedanzkopplung ist leitungsgebunden. Alle anderen beruhen auf elektromagnetischen Wellenfeldern.

Bei den leitungsgebundenen Störungen wird zudem zwischen Gleichtakt- (Common Mode) und Gegentaktstörungen (Differential Mode) unterschieden.

Gegenmaßnahmen

Sinnvollerweise wird der EMV-Problematik bereits in der frühestmöglichen Designphase Beachtung geschenkt. Viele Probleme lassen sich durch eine geschickte Auslegung des Designs umgehen. Insbesondere Störungen durch Strahlungskopplung sind im Nachhinein nur mit hohen Kosten beizukommen. Leitungsgebundene Störungen lassen sich am effizientesten mithilfe von Netzfiltern reduzieren. Ein EMV-Netzfilter stellt in der Regel einen Tiefpass dar. Es hat keinen Einfluss auf die Netzfrequenz (50/60 Hz), dämpft jedoch hochfrequente Störungen (>10 kHz). Das Filter ist ein LC-Netzwerk, bestehend aus X- und Y-Entstörkondensatoren und einer stromkompensierten Drossel.

Bausteine

Eine stromkompensierte Drossel besitzt auf einem Ringkern zwei gegenläufige Wicklungen mit identischer Windungszahl. Aufgrund dieser Konstruktion wird der vom Laststrom erzeugte magnetische Fluss kompensiert. Nur die asymmetrischen Störungen (Gleichtakt) werden gedämpft. Bei den Entstörkondensatoren gibt es die zwei unterschiedlichen Typen X und Y. X-Kondensatoren dämpfen die Gegentakt-Störsignale zwischen Phase (L) und Neutralleiter (N). Für Hochfrequenzenergie wirkt der Kondensator wie ein Kurzschluss. X-Kondensatoren sind meist selbstheilende Metallpapier- oder Polyester-Typen. Aus diesem Grund können diese einer hohen Stoßspannung (Surge) standhalten. Der Kondensator kann etwas von seiner Kapazität einbüßen, die Isolierung jedoch bleibt. Eine größere Kapazität führt dabei zu einem höheren Dämpfungsverlust. Y-Kondensatoren dämpfen die Gleichtakt-Störsignale zwischen L / N und PE. Hochfrequente Energie, die gleichzeitig auf beiden Leitungen fließt, führt der Kondensator nach Erde (PE) ab.

Mehrstufige Filter

In der Praxis kann es durchaus passieren, dass trotz Einsatz eines Filters die Dämpfung noch nicht ausreichend ist. In solchen Fällen werden dann mehrere, auf die spezifischen Störsignale optimierte Filterstufen hintereinandergeschaltet. Üblicherweise lassen sich mit einem zweistufigen Filter bereits sehr gute Resultate erzielen. Doch auch dreistufige Filter sind denkbar.

Vergleich

Nachfolgend ein Vergleich dreier Geräteeinbausteckdosen mit Sicherungshalter von Schurter: die Modelle DD11, DD12 und DD14. Das Modell DD11 verfügt über kein integriertes EMV-Filter. Beim DD12 kommt ein einstufiges zum Einsatz und das neue Modell DD14 verfügt über ein zweistufiges Filter. Als Störquelle wurde ein Schaltnetzteil mit einer Leistung von 150 W verwendet.

Fazit

Im Messaufbau werden die drei genannten Produkte unter Last gemessen und die Emissionen gemäß der EMV-Anforderungen aufgezeichnet. Der Versuch zeigt eindeutig auf, dass diese Last nicht ohne Filter (DD11) betrieben werden darf. Die Emissionsgrenzwerte werden in verschiedenen Frequenzbereichen überschritten. Auch der Einsatz eines einstufigen Filters (DD12) reicht noch nicht aus. Erst der Einsatz des zweistufigen Filters (DD14) stellt sicher, dass die Grenzwerte für Störemissionen über den gesamten Frequenzbereich eingehalten werden.

(neu)