Netzfilter So einfach gewöhnen Sie Ihrem Schaltnetzteil das Stören ab

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.

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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.

Bildergalerie

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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

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.

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