In sechs Schritten zum idealen Filter

Redakteur: Silvano Böni

Die Ursachen von EMV-Störungen können unterschiedlichster Art sein. Daher sind Standard-Filter auch nicht immer die einfachste und beste Lösung..

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(Bild: Schurter)

Probleme, 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. Und eine stromkompensierte Drossel mit Kondensatoren bildet die effizienteste Massnahme in der EMV-Entstörung.

Nichts geht ohne Messungen

Gleich vorweg: Nichts geht ohne Messungen. Nur wer selber EMV-Messungen nach EN 55011 durchführen kann, sollte 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 Ampère einmessen.

Filter-Design

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.

Das Schema eines typischen 1-Phasen-Filters ist in Bild 1 zu sehen. Er besteht aus 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.

Wenn man keine vorgängigen Messungen oder Simulationen gemacht hat, ist meist nicht bekannt, ob wir es mit einer hohen asymmetrischen (L / N gegen PE) oder symmetrischen (L gegen N) Störung zu tun haben.

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.

Schritt 1

Messung ohne Filterkomponenten, leitungs­geführt 150 kHz 30 MHz.

– Die Grenzwerte werden klar überschritten.

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.

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 mH statt 0,8 mH) ist angesagt.

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.

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.

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 Schurter DKIH Evaluation Boards können verschiedenste Filterkon­figurationen schnell ohne Änderungen am Platinen-Layout eingemessen werden. Mit hohen L- und C-Komponentenwerten kön­nen die allermeisten Störungen ausreichend gedämpft werden.

Die Kunst des optimalen Filter-Designs 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 Filter-Design auf der Platine nochmals auszumessen. Eine EMV-Messung der fertigen Anlage oder des Gerätes ist unabdingbar für die Konformitätserklärung.

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