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Störstrahlung bei LED-Treiberbausteinen Alles eine Frage des Kabels – die EMV von LED-Leuchten

Autor / Redakteur: Nils Dirks * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein EMV-konformes Designen von LED-Treiberbausteinen ist notwendig, um EMV-Prüfungen zu bestehen. Das Verständnis verschiedener Störfaktoren ermöglicht gezielte und effiziente Gegenmaßnahmen.

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Ähnlich wie bei einer Antennenkonstruktion - hier der Sendemast Hirschlanden - ist für ein EMV-konformes Design das Verständnis verschiedener Störfaktoren notwendig, um Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Ähnlich wie bei einer Antennenkonstruktion - hier der Sendemast Hirschlanden - ist für ein EMV-konformes Design das Verständnis verschiedener Störfaktoren notwendig, um Gegenmaßnahmen einzuleiten.
(Bild: Wikimedia Commons, gemeinfrei / CC0 )

In sehr vielen LED-Leuchten finden sich heute Treiber, die mit Hilfe eines Schaltreglers die Leistung für die LEDs bereitstellen. Der Wunsch nach geringem Gewicht, niedrigen Kosten und hohem Wirkungsgrad treibt dabei die Schaltgeschwindigkeiten in immer größere Höhen und den Entwickler in das bekannte Dilemma: Je schneller die Schaltgeschwindigkeit, desto größer die EMV-Probleme.

Neben einer Vielzahl an schaltungstechnischen Maßnahmen und Layout-Optimierungen ist auch eine Filterung der Kabel sinnvoll. Und wie bei jeder EMV-Maßnahme ist es hilfreich, den Störvorgang zu verstehen. Eine grundlegende Gemeinsamkeit der verschiedenen Schaltregler-Topologien besteht darin, dass ein Schaltelement den Strom in mehr oder weniger gleichen Zeitabständen ein- bzw. ausschaltet.

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Diese periodische Änderung des Stromes oder der Spannung führt zu den bekannten Oberwellenspektren, die oft Ursache nicht bestandener EMV-Prüfungen sind [1]. Die gute Nachricht: Gemäß Fourier-Transformation nimmt die Amplitude dieser Oberwellenspektren mit zunehmender Frequenz ab, so dass sich dieses Problem zu höheren Frequenzen hin von selbst lösen sollte. Je nach Pulsform ist dabei eine Abnahme der Amplitude um 20 bzw. 40 dB/Dekade zu erwarten.

Das Bild 1 zeigt eine normkonforme Messung der gestrahlten Emission einer LED-Leuchte (MCP1630 original, Standard-Kabel) zu sehen (blaue Kurve). Eine monotone Abnahme der Amplitude mit zunehmender Frequenz lässt sich jedoch nur schwerlich ausmachen. Stattdessen sind über den gesamten Frequenzbereich verteilt verschiedene lokale Maxima zu erkennen, welche typischerweise für die Grenzwert-Überschreitungen verantwortlich sind. Es ist hilfreich, die Ursachen der verschiedenen Maxima zu ermitteln. Denn nur wenn die Ursache erkannt und verstanden ist, lassen sich gezielte und effektive (kostengünstige) Maßnahmen ergreifen.

Die Ursachen der Emissions-Maxima verstehen

Exemplarisch soll das erste Maximum, das den Grenzwert bei gut 50 MHz überschreitet, untersucht werden. Aufgrund der relativ schmalbandigen Überhöhung des Spektrums liegt der Verdacht nahe, dass es sich hierbei um einen Resonator handeln könnte, der die „Sendeleistung“ in der Nähe seiner Resonanzfrequenz anhebt. Da in dem Testaufbau zwischen Treiber und LEDs bzw. Treiber und Akku Kabellängen vorkommen, die in diesem Frequenzbereich nicht mehr als elektrisch kurz zu bewerten sind (gesamt 170 cm), wäre eine Leitungsresonanz auf den Kabeln denkbar. Da dieser Verdacht mit Hilfe unterschiedlich langer Kabel sehr leicht messtechnisch zu verifizieren ist, wurde die Länge des Last-(LED-)Kabels von 75 cm auf 175 cm variiert.

Keine Messung ist zuviel, um die EMV zu verstehen

Nachdem das Lastkabel auf 175 cm verlängert wurde, wurde die grüne Kurve gemessen. Es ist deutlich zu erkennen, dass das lokale Maximum von knapp 54 MHz nun auf gut 36 MHz gewandert ist. Bei dem betrachteten Maximum handelt es sich um eine Leitungsresonanz auf den Kabeln. Allerdings gilt bei der Untersuchung von EMV-Effekten: Man kann keine Messung zu viel machen. Jeder zusätzliche Blickwinkel, den man erschließen kann, ist die Mühe wert. Deshalb wurden die ermittelten Resonanzfrequenzen mit den verwendeten Kabellängen korreliert und auf Plausibilität überprüft. Dazu muss zunächst betrachtet werden, welche Art von Resonanz (stehende Welle) in dem Prüfaufbau erwartet werden kann und welche Wellenlängen folglich in Frage kommen.

Für die hier durchgeführten Precompliance-Messungen wurde der Prüfling wie in Bild 2 dargestellt aufgebaut: Das Treiberboard lag dabei etwa mittig, der Akku am linken Ende, die LED-Last am rechten Ende des Aufbaus, die Stromzange zur Messung des CM-Stroms im Bild bei x = 0 cm. Die Common-Mode-Impedanz der beiden Enden des ungefähr 1 m über dem Boden schwebenden Aufbaus wird in erster Linie durch die Streukapazität gegenüber der Umgebungserde bestimmt und ist folglich hochohmig. Im Vergleich dazu dürfte die Einspeisung des Störstroms am Treiberboard eher niederohmig sein. Damit ähnelt der Aufbau in gewisser Weise einer allseits bekannten Struktur: dem Lambda-Halbe-Dipol.

(ID:42899021)