Netzfilter

So einfach gewöhnen Sie Ihrem Schaltnetzteil das Stören ab

24.10.13 | Autor / Redakteur: Stefan Klein * / Thomas Kuther

Störschutzbauelemente: Mit ihnen lassen sich wirksame Netzfilter aufbauen
Störschutzbauelemente: Mit ihnen lassen sich wirksame Netzfilter aufbauen (Bild: Würth Elektronik)

Schaltnetzteile verursachen leitungsgebundene Störungen, da sie auf der Netzseite Funkstörspannungen erzeugen. Dadurch können andere am Netz versorgte Geräte massiv gestört werden. Zur Unterdrückung der erzeugten Funkstörspannung helfen Netzfilter. Diese können einfach aus passiven Bauelementen wie stromkompensierte Netzdrosseln sowie X- und Y-Kondensatoren entworfen werden. Dieser Artikel befasst sich mit dem Entwurf eines Einphasennetzfilters.

Störströme führen über Impedanzen zur Funkstörspannung. Bild 1 in der unten stehenden Bildergalerie zeigt den prinzipiellen Stromfluss von Störströmen in einem Schaltnetzteil. Auf der Netzseite fließt zunächst mit der Taktfrequenz des Schaltreglers ein hochfrequenter Nutzstrom „iDM“, der zur Gegentaktstörung führt. Bedingt durch schnelle Schaltvorgänge von Halbleiterbauteilen, meist MOSFETs, kommt es in Verbindung mit parasitären Effekten zu hochfrequenten Schwingungen. Im Prinzip fließt der Gegentaktstrom von der Netzleitung „L“ über eine Gleichrichterbrücke, dann über die Primärwicklung des Trenntransformators, über den MOSFET und über den Neutralleiter „N“ zurück zum Netz. Der MOSFET wird zur Kühlung auf einem Kühlkörper montiert. Der ist wiederum an den Schutzleiter „PE“ angeschlossen.

An dieser Stelle kommt es zur kapazitiven Kopplung zwischen dem Kühlkörper und dem Drain des MOSFETs und erzeugt eine Gleichtaktstörung. Kapazitiv gekoppelt fließt nun ein Gleichtaktstrom „iCM“ über die Erdleitung „PE“ zurück zum Schaltnetzteileingang, wo er wieder über parasitäre Kapazitäten sowohl auf die Netzleitung „L“, als auch auf die Neutralleitung „N“ gekoppelt wird. Der Gleichtaktstrom „iCM“ fließt nun wie in Bild 1 gezeigt über beide Netzleitungen, über die Gleichrichterbrücke zum MOSFET, wo er wieder parasitär über den Kühlkörper auf die Erdleitung „PE“ gekoppelt wird.

Erwartetes Störspektrum

Gleichung 1
Gleichung 1

An der Drain-Source-Strecke des MOSFETs liegt die gleichgerichtete Netzspannung an. Der Scheitelwert der gleichgerichteten Netzspannung geht aus Gleichung 1 hervor.

Gleichung 2
Gleichung 2

Exemplarisch wurde ein Schaltnetzteil mit einer Taktfrequenz von 100 kHz herangezogen. Bei dieser Taktfrequenz entspricht die Periodendauer „T“ 10 µs. Die Impulsdauer beträgt 2 µs. Anhand dessen lässt sich zunächst das Tastverhältnis bestimmen (Gleichung 2)

Gleichung 3
Gleichung 3

Unter der Annahme, dass der Strom durch die Gleichrichterbrücke trapezförmig ist, kann das EMV-Spektrum ohne Netzfilter und ohne weitere Fourier-Transformation annährend bestimmt werden. Zunächst wird der erste Eckpunkt der einhüllenden Amplitudendichte benötigt (Gleichung 3).

Gleichung 4
Gleichung 4

Analog hierzu ist die erste Eckfrequenz der einhüllenden Amplitudendichte (Gleichung 4)

Gleichung 5
Gleichung 5

Daraus kann die Amplitude der ersten Harmonischen bestimmen werden (Gleichung 5)

Gleichung 6
Gleichung 6

Basierend auf der Annahme, dass die parasitäre Koppelkapazität „CP“ zwischen dem Schaltnetzteil und Erde 20 pF beträgt, kann nun der Gleichtaktstrom der ersten Harmonischen bestimmt werden (Gleichung 6).

Gleichung 7
Gleichung 7

Gemessen wird die Funkstörspannung mittels einer Netznachbildung und einem EMV-Messempfänger. Durch die Parallelschaltung der 50 Ω Eingangsimpedanz des EMV-Messempfängers und der 50 Ω Ausgangsimpedanz der Netznachbildung ergibt sich eine Gesamtimpedanz „Z“ von 25 Ω. Jetzt kann die gemessene Funkstörspannung „Vcm“ berechnet werden (Gleichung 7).

Gleichung 8
Gleichung 8

Umgeformt in dBµV (Gleichung8). Ergebnis der Berechnung ist, dass mit einer hohen Störaussendung zu rechnen ist. Beispielweise kann hier zur Bewertung der Störaussendung die Produktfamiliennorm EN55022 herangezogen werden. Sie definiert im Frequenzbereich von 0,15 MHz bis 0,5 MHz einen zulässigen Störpegel von 66 dBµV bis 56 dBµV des Quasi-Peaks. Bild 2 zeigt das Ergebnis der leitungsgebundenen Messung der Funkstörspannung dieses Schaltnetzteils ohne Netzfilter. Diese Messung ergibt, dass ein Netzfilter dringend erforderlich ist.

Entwurf eines Netzfilters

Bild 3 zeigt den schematischen Aufbau eines einfachen Einphasennetzfilters. Für den Aufbau von Netzfiltern bietet Würth Elektronik in verschiedenen Bauformen Netzdrosseln an, wie z.B. die WE-CMB Serie. Eine Netzdrossel besteht im Prinzip aus einem MnZn - Ringkern, auf dem zwei Wicklungen geometrisch getrennt und gegensinnig aufgewickelt sind. Bild 4 zeigt den Aufbau der WE-CMB. Die WE-CMB wirkt in diesem Fall wie eine Filterspule, welche dem Strom entgegenwirkt und ihn in seiner Amplitude reduziert. Weil das hier verwendete Schaltnetzteil mit einer sehr geringen Taktfrequenz schaltet, sollte eine Gleichtaktdrossel mit möglichst geringer SRF im untersten Frequenzbereich eingesetzt werden. Eine geringe SRF bewirkt eine hohe Einfügedämpfung im unteren Frequenzbereich.

Passend hierzu wurde eine WE-CMB der Bauform XS von 39 mH gewählt. Bild 5 zeigt die Kennlinie ihrer Einfügedämpfung im 50-Ω-System.

In der Einfügedämpfung wird stets zwischen der Gleichtakt- (schwarze Linie) und Gegentaktunterdrückung (rote, gestrichelte Linie) unterschieden. Die Netzdrossel WE-CMB erreicht im Gleichtaktbetrieb ihre höchste Einfügedämpfung bei 150 kHz. Die Einfügedämpfung fällt jedoch mit steigender Frequenz. Weil der Netzfilter Störungen bis zu 30 MHz unterdrücken soll, werden im weiteren X-/Y-Kondensatoren benötigt. Um Gegentaktstörungen von der Netzseite und dem Schaltnetzteil zu blocken wird sowohl vor, als auch nach dem Netzfilter ein X-Kondensator platziert. Die WE-CMB bildet mit ihrer Streuinduktivität in Kombination mit dem X-Kondensator einen Tiefpassfilter, der Gegentaktstörungen und folgend die Gleichtaktstörungen reduziert. Exemplarisch wurden hier zwei X-Kondensatoren mit einem Wert von 330 nF gewählt. Ihre SRF liegt bei circa 2 MHz.

Aus Sicherheitsgründen muss auf der Netzseite parallel zum X-Kondensator ein Widerstand platziert werden um den Kondensator zu entladen, wenn das Schaltnetzteil vom Netz getrennt wird. Zusätzlich sollte vor dem Netzfilter ein Varistor gesetzt werden, damit transiente Überspannungen vom Netz kurzgeschlossen werden. Hierfür eigenen sich von Würth Elektronik ideal Scheibenvaristoren aus der Serie WE-VD.

Gleichung 9
Gleichung 9

Eine Sicherung gegen Überlastung darf auch nicht fehlen. Diese soll stets vor dem Varistor platziert werden. Im Falle eines Kurzschlusses durch den Varistor löst die Sicherung aus. Zur weiteren Unterdrückung der Gleichtaktstörungen werden Y-Kondensatoren benötigt. Sie bilden in Kombination mit der WE-CMB eine Eckfrequenz „f0“, die definiert ist durch die „Thomsonsche“ Schwingungsgleichung (Gleichung 9)

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
Danke für den Hinweis. Da die PDFs automatisch erstellt werden, ist das ein Fall für unsere...  lesen
posted am 23.10.2013 um 13:31 von SLiebing

Im PDF des Artikels fehlt leider Bild 1.  lesen
posted am 23.10.2013 um 13:00 von SFSEY


Mitdiskutieren

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 42242142 / Stromversorgungen)

Analog IC Suchtool

e-Paper kostenlos lesen

ELEKTRONIKPRAXIS 10/2016

ELEKTRONIKPRAXIS 10/2016

Tausch von Ladespulen für das drahtlose Laden

Weitere Themen:

Röntgen erhöht Prozesssicherheit
Leistungsintegrität in PCB-Designs

zum ePaper

zum Heftarchiv

LED- und OLED-Lichttechnik I

LED- und OLED-Lichttechnik I

Weiße LEDs überzeugen bei der Farbkonsistenz

Weitere Themen:

Lötpunkt-Temperatur der LED messen
Das Altern der LED untersuchen
Wärmemanagement bei COB-LED

zum ePaper

zum Heftarchiv