Praxistipp: Technische Kriterien zur Netzteilauswahl

| Autor / Redakteur: Heidrun Seelen, Frank Cubasch * / Gerd Kucera

Störaussendung und Störbeeinflussung

Betrachten wir nun die elektromagnetische Verträglichkeit hinsichtlich der Norm IEC61000-3-2, die direkt in Verbindung zur Ausgangsleistung steht. Beim Anschluss an das öffentliche Netz mit maximal 16 A und einer Eingangsleistung zwischen 25 bis 1000 W muss die Stromversorgung die Grenzwerte der Ströme der harmonischen Oberwellen einhalten. Die entsprechenden Limits ergeben sich aus dem Endprodukt, das in eine der folgenden Gruppen einzuordnen ist: Klasse A (3-Phasen-Geräte und alle Geräte die nicht unter B, C und D fallen), Klasse B (Elektrowerkzeuge), Klasse C (Beleuchtungssysteme) und Klasse D (TV, PC/IT). Der Herstellungsaufwand für eine PFC der Klasse D ist größer als der Herstellungsaufwand für eine Klasse A-PFC. Für viele Anwendungen ist die Klasse A jedoch vollkommen ausreichend. So lassen sich bei entsprechender Vorauswahl Kosten einsparen.

Auch konstruktive Einflüsse auf die EMI und EMV gibt es. In vielen Fällen sind es nur Kleinigkeiten, die das Ergebnis abert deutlich verändern. Um das zu veranschaulichen, haben wir in einem Blechgehäuse ein Schutzklasse-I-Schaltnetzteil mit entsprechender Widerstandslast verkabelt. Sowohl Eingangs- als auch Ausgangskabel sind möglichst kurz gehalten. Dann haben wir die Emissionen leitungsgeführt und die Abstrahlung in der TEM-Zelle gemessen. Beide Kurven lagen in der Übersichtsmessung im relevanten Frequenzbereich (Sweep) deutlich unter den entsprechenden Limits (Messungen 3 und 5). Im zweiten Schritt der Überprüfung legten wir die Netzleitung über das Netzteil hinweg parallel zur Lastleitung (Netzteil gedreht). Diese Messungen ergaben ein völlig anderes Ergebnis. Die Limits werden ohne Zusatzmaßnahmen nicht eingehalten (Messungen 4 und 6). Für den Konstrukteur der Stromversorgung dagegen ist der Unterschied beider Einbauvarianten in der Fertigung eher gering.

Die Gehäuseart und Auswirkung auf die EMV

Auch wenn Metall- oder Kunststoffgehäuse zur Auswahl stehen, ist die Auswirkung auf die EMV nicht zu vernachlässigen. Natürlich prüfen alle Netzteilhersteller ihre Geräte auf die Einhaltung der entsprechenden Grenzwerte. Doch oftmals werden bei den Tests die Netzteile einschließlich der Lastwiderstände in ein Metallgehäuse eingebaut oder auf eine Metallplatte geschraubt. Dies führt zu anderen, grundlegend niedrigeren Emissionspegeln als zum Beispiel im Kunststoffgehäuse der Kundenapplikation.

Folgendes Beispiel zeigt die Vergleichsmessung eines Schutzklasse-I-Schaltnetzteils in einem geerdeten Metallgehäuse gegenüber dem Aufbau ohne Gehäuse (deshalb wird dem Entwickler empfohlen, sein EMV-Konzept frühzeitig mit dem Hersteller des Schaltnetzteils abzustimmen). Ergebnisse der Messungen zeigen die Bilder 7 und 8. Im Peak-Durchlauf ergeben sich Differenzen von 20 dB, welche der Anwender mit viel Aufwand und Kosten im Zuge seiner Entwicklung eliminieren muss. Zudem ist zu berücksichtigen, dass sich ein Teil der Störungen des Netzteils nur auf der Primärseite beseitigen lässt. Diese Maßnahmen bedeuten wiederum zusätzlichen Prüfaufwand in der Sicherheitsprüfung, was bereits im Vorfeld vermieden werden kann.

Die Lösung sind EMV-Vortests bereits in einem frühen Entwicklungsstadium. In Zusammenarbeit zwischen Entwickler und Hersteller des Schaltnetzteils ist so das EMV-Konzept frühzeitig abstimmbar.

Auch die Zulassungen sind ein wichtiges Thema, dem man sich früh genug widmen muss. Ist das Netzteil nach dem aktuellen Amendment geprüft? Ist absehbar, dass in Zukunft neue Normen vorgeschrieben sind? So gilt beispielsweise ab übernächstem Jahr die EN/IEC 62368, welche zumindest in Teilen der Welt die EN/IEC 60950 ersetzen wird.

Im Medizinbereich muss entschieden werden, ob ausschließlich das Bedienpersonal am Endgerät arbeitet. In diesem Fall könnte bei Berücksichtigung weiterer Parameter ggf. ein oft günstigeres 60950-Netzteil eingesetzt werden. Oder kommt das Endgerät direkt am Patienten oder in seiner unmittelbaren Nähe zum Einsatz? Dann nämlich sind auch die Limits verschiedener Ableitströme einzuhalten. Sie sind definiert für Normalbedingungen (NC) oder für den ersten Fehlerfall (SFC), wenn etwa der Schutzerder aufgetrennt ist. Dagegen darf ein Homecare-Gerät keine Schutzerde zum Einsatz kommen, da hier nur Schutzklasse II erlaubt ist. Diese Thematik ist sehr komplex und wird deshalb zu einem späteren Zeitpunkt in einem separaten Beitrag detailliert dargestellt.

Ähnlich differenziert wie bei den Safety-Normen stellt sich die Situation bezüglich EMV dar. Welcher Produktstandard muss angezogen werden? 55011, 55032 oder 60601-1-2? Welche Emissionslimits sind zu erfüllen? A oder B? Welcher Schärfegrad muss bei den Immissionen berücksichtigt werden?

Viele Stromversorgungen erfüllen bei den Emissionen im Bereich der leitungsgeführten Störspannung den schärferen Level B (häusliches Umfeld bzw. nahezu alle Medizinanwendungen). Dagegen halten sie im Bereich Abstrahlung nur die Klasse A (industrielles Umfeld) ein. Ist jedoch für die Applikation Klasse B gefordert, sind Nachbesserungen mit Filter, Ferriten o.ä. notwendig. Das kostet Platz, Zeit, Geld.

Weitere spezielle Anforderungen an Netzteile

Möglicherweise gibt es seitens der Anwendung weitere spezielle Anforderungen an das Netzteil, hierzu beispielhafte Fragen. Benötigt sie vielleicht bestimmte Signale wie On/Off oder Power-Fail? Ist eine Schnittstelle zum Auslesen der Netzteilparameter notwendig? Ist ein kleiner Einschaltstrom auf der Netzseite gewünscht? Soll das Netzteil eine lange Überbrückungsdauer bei Netzausfall gewährleisten? Soll die Platine gegen Betauung mit conformal coating geschützt sein? Die Bandbreite an möglichen Forderungen ist nahezu unbegrenzt.

Ab einer bestimmten Menge spezieller Forderungen lohnt es sich, über eine Modifikation und/oder eine kundenspezifische Lösung nachzudenken. Die Vorteile einer kundenspezifischen Lösung sind vielfältig: Der Kunde erhält exakt genau das passende Netzteil; nicht mehr und nicht weniger als das, was er braucht. Der Serienpreis ist oftmals günstiger als der eines Standardgerätes. Wünsche lassen sich frei definieren. Das Netzteil kann im Zuge der entwicklungsbegleitenden EMV-Messungen an das Gesamtsystem angepasst oder sogar gemeinsam mit der Applikation abgenommen werden.

Sicher beraten ist, wer Expertenwissen nutzt

Natürlich entstehen bei einer solchen Lösung Initialkosten: Entwicklungskosten, Werkzeugkosten (falls notwendig), Zulassungskosten. Speziell die Zulassungskosten sind ein Detail, das oft im ersten Schritt von einer angepassten Lösung zurückschrecken lässt. Aber je nach Absatzmarkt variieren die erforderlichen Zulassungen. Während bei Medizinanwendungen zumeist die komplette Bandbreite an Zulassungen wie UL/CB/EN 60601 gefordert ist, reicht bei Industrieanwendungen oftmals ein qualifiziertes CE-Zeichen mit einem LVD-Test nach IEC60950 oder 62368 (erstellt von einem zugelassenen Testhaus) aus. Teilweise besteht sogar die Möglichkeit, dass das Netzteil im Zuge der Abnahme des Gesamtsystems durch den Kunden mit geprüft wird. Kunde, Prüfhaus und Netzteilhersteller erarbeiten in diesem Fall ein geeignetes Konzept.

* Dipl.-Ing Heidrun Seelen ist Vertriebsleiterin bei Magic Power Technology MBA Frank Cubasch ist Geschäftsführer bei Magic Power Technology, Neudahn.

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