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Bild 1: Innerhalb kurzer Zeit in einem iterativen Prozess ein nahezu ideales Filter. (Bild: Schurter)

Eckdaten

Die Ursachen von EMV-Störungen können unterschiedlichster Art sein. Daher sind Standard-Filter nicht immer die einfachste und beste Lösung. Schurter bietet neu ein sogenanntes „Evaluation-Board“ an, mit welchem sich innerhalb kurzer Zeit in einem iterativen Prozess ein nahezu ideales Filter für den spezifischen Störfall bauen lässt.

Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), oftmals schwer vorhersehbarer Natur, entstehen zumeist im Leistungsteil. Wie die meisten Elektronik-Baugruppen wird auch der Leistungsteil vermehrt mit diskreten Komponenten auf Leiterplatten aufgebaut. Durch die hohe Integration von Bauteilen zum Erreichen einer kompakten Bauform können thermische Probleme aufgrund hoher Ströme auf der Leiterplatte entstehen. Dadurch auftretende EMV-Störungen können sich wegen fehlender räumlicher Trennung auf benachbarte Baugruppen auswirken. Deshalb ist ein kompaktes Filter direkt auf der Leiterplatte mit diskreten Komponenten oftmals die beste Lösung. Eine stromkompensierte Drossel mit Kondensatoren bildet die effizienteste Maßnahme in der EMV-Entstörung.

Nichts geht ohne Messungen

Nichts geht ohne Messungen. Deshalb sollte nur wer selber EMV-Messungen nach EN 55011 durchführen kann, die DKIH-Evaluation-Boards näher ins Auge fassen. Varianten der Boards gibt es für 1-Phasen- und 3-Phasen-Systeme. Diese Evaluation-Boards lassen sich in Systemen bis zu 50 A einmessen.

Filter-Design

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Bild 1: Innerhalb kurzer Zeit in einem iterativen Prozess ein nahezu ideales Filter. Schurter

Zwischenablage01

Bild 2: Darstellung eines typischen 1-Phasen-Filters (FMAB NEO). Schurter

Ein EMV-Filter soll die Emissionen unter die für die Anwendung festgelegten Grenzwerte bringen. Die meisten Produktenormen verlangen Messungen im Bereich von 150 kHz bis 30 MHz leitungsgeführt und 30 bis 1000 MHz gestrahlt. Um einen EMV-konformen Betrieb zu gewährleisten sind oft Netzfilter nötig. Dazu werden klassische LC-Filter verwendet, die aus einer Kombination von Störschutzkondensatoren und Drosseln bestehen. Die Drossel ist typischerweise als stromkompensierte Drossel aufgebaut mit zwei gegenläufigen Wicklungen und gleicher Anzahl Windungen. Dadurch werden die Magnetfelder kompensiert was zur Folge hat, dass der normale Betriebsstrom keine Induktivität sieht und die Drossel nicht in Sättigung bringen kann.

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Bild 3: Das Evaluation-Board DKIH1-EVB. Schurter

Ein Schema eines typisches 1-Phasen-Filters ist in Bild 2 zu sehen. Mit einer stromkompensierten Drossel sowie zwei X-Kondensatoren zwischen L und N sowie zwei Y-Kondensatoren gegen Erde.

Diese Schaltung ist sehr effektiv mit kleiner Verlustleistung, bringt aber eine gute Störungsdämpfung über einen großen Frequenzbereich.

Thema der nächsten Seite: Messung am realen Störer

Der universelle Aufbau erlaubt den Aufbau einer klassischen LC-Filterschaltung. Zwei X-Kondensatoren verschiedener Größe können vor und nach der Drossel eingebaut werden sowie insgesamt vier Y-Kondensatoren. Zum Schutz gegen elektrischen Schlag sind Ableitwiderstände vorgesehen. Der Anschluss erfolgt über zwei Steckzungen 6,3 × 0,8 mm2, eine 4-mm-Bohrung oder direktes Anlöten der Kabel auf die großflächigen Pads. Es empfiehlt sich den Erdanschluss möglichst flächig durch Kupfertape oder breite Kupferlitze zu erstellen. Die Wirkung der Y-Kondensatoren wird erheblich durch die Anbindung beeinflusst.

Wurden zu Anfang keine Messungen oder Simulationen durchgeführt, ist meist nicht bekannt, ob es sich um eine hohe asymmetrische (L/N gegen PE) oder symmetrische (L gegen N) Störung handelt.

Es empfiehlt sich immer zuerst eine Messung ohne Filterkomponenten am Gerät zu machen. Dabei muss darauf geachtet werden, den maximalen Störpegel zu finden. Dieser ist entscheidend für die EMV-Konformität.

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Messung Schritt 1 Schurter

Schritt 1
Messung ohne Filterkomponenten, leitungsgeführt 150 kHz bis 30 MHz

  • Die Grenzwerte werden klar überschritten.
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Messung Schritt 2 Schurter

Schritt 2
Bestückung des Evaluation-Boards DKIH1-EVB mit Drossel 0,8 mH (10 A Ferrit) und Kapazitäten von 2 × 470 nF und 4 × 2,2 nF.

  • Ungenügende Dämpfung, insbesondere im tieferen Frequenzbereich
  • Durch größere X-Kondensatoren kann die Dämpfung im tieferen Bereich erhöht werden.
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Messung Schritt 3 Schurter

Schritt 3
Bestückung des Evaluation-Boards DKIH1-EVB mit Drossel 0,8 mH (10 A Ferrit) und größeren X-Kapazitäten von 2 × 1,0 μF und 4 × 2,2 nF.

  • Noch immer knapp ungenügende Dämpfung trotz größerer X-Kondensatoren
  • Ein Austausch der Drossel mit Ferrit-Kern durch eine Drossel mit nanokristallinem Kern mit viel höherer Induktivität (6,9 statt 0,8 mH) ist angesagt.
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Messung Schritt 4 Schurter

Schritt 4
Bestückung des Evaluation-Boards DKIH1-EVB mit nanokristalliner Drossel 6,9 mH (10 A NK), Kapazitäten verbleiben bei 2 × 1 μF und 4 × 2,2 nF.

  • Nur noch knapp ungenügende Dämpfung infolge der größeren Induktivität
  • Filterwirkung noch nicht optimal
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Messung Schritt 5 Schurter

Schritt 5
Bestückung des Evaluation-Boards DKIH1-EVB 6,9 mH (10 A NK), X-Kondesatoren vergrößert auf 2 × 2,2 μF, Y-Kondensatoren verbleiben bei 4 × 2,2 nF.

  • Sehr gute Dämpfung dank größerer X-Kondensatoren
  • Schaltung kann aber noch kosten- und platzoptimiert werden.
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Messung Schritt 6









Schurter

Schritt 6
Bestückung des Evaluation-Boards DKIH1-EVB mit Ferrit-Drossel 0,8 mH (10 A Ferrit), Kapazitäten bleiben gleich bei 2 × 2,2 μF, 4 × 2,2 nF.

  • Der Anteil der asymmetrischen Störungen ist bei diesem Beispiel nicht sehr groß, sodass die Induktivität reduziert werden kann.
  • Kostenoptimierte Schaltung mit großen X-Kondensatoren anstelle teurer nanokristalliner Drosseln.

Vor der Umsetzung

Ist eine passende Schaltung auf dem Evaluation-Board gefunden, gilt es einige Fragen zu beachten, bevor die Schaltung auf der Geräteplatine umgesetzt wird:

  • Massenanbindung der Y-Kondensatoren?
  • Ableitstrom der Y-Kondensatoren?
  • Erwärmung der Drossel (bei kritischem Laststrom Temperatur messen)?
  • Platzbedarf der Komponenten?
  • Ist das Temperatur-Rating der Komponenten ausreichend?
  • Sind die Spannungs-Ratings der Kondensatoren ausreichend?
  • Entsprechen die Kondensatoren den gängigen Sicherheitsanforderungen für die verwendete Netzspannung? Die IEC-Normen verlangen bei 250-VAC-Anwendungen in der Regel den Einsatz von Sicherheitskondensatoren mindestens der Klasse X2 und Y2.
  • Hochspannungsanforderungen an die Kondensatoren?

Besonders die Ableitströme sind oft kritisch aufgrund von Anwendungs- oder Normanforderungen. Es empfiehlt sich, die Ströme der gesamten Anlage mit eingebauter Filterschaltung zu messen. Die normalen Ableitströme der eingesetzten Kondensatoren können einfach berechnet werden: IL = 2π fn Un Cy.

Zusammenfassung

Dank der neuen DKIH-Evaluation-Boards können verschiedenste Filterkonfigurationen schnell ohne Änderungen am Platinenlayout eingemessen werden. Mit hohen L- und C-Komponentenwerten lassen sich die allermeisten Störungen ausreichend dämpfen. Die Kunst des optimalen Filterdesigns ist aber die richtige Komponenten-Kombination zu finden. Oft sind etwas kleinere C- und L-Werte ausreichend, wenn es optimal kombiniert wird. Es empfiehlt sich die fertige Anwendung mit dem finalen Filterdesign auf der Platine nochmals auszumessen. Eine EMV-Messung der fertigen Anlage oder des Gerätes ist unabdingbar für die Konformitätserklärung.

Herbert Blum

Herbert_Blum
Product Manager, Schurter

(neu)

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