Elektromagnetische Verträglichkeit Wie sich Störungen durch Schaltnetzteile vermeiden lassen

Autor / Redakteur: Don Li * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Durch Schaltnetzteile kommt es zu elektromagnetischen Störungen (EMI). Um diese möglichst gering zu halten, stellen wir grundlegende Richtlinien zur EMV vor und wie sich die EMI reduzieren lässt.

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Gewitterzelle: Schaltnetzteile verursachen Elektromagnetische Störungen. Mit entsprechenden Maßnahmen lassen sich diese reduzieren.
Gewitterzelle: Schaltnetzteile verursachen Elektromagnetische Störungen. Mit entsprechenden Maßnahmen lassen sich diese reduzieren.
(Bild: © Derrick Neill - Fotolia)

Der Begriff Schaltnetzteil beschreibt ganz allgemein eine Stromquelle, die einen Schaltkreis enthält. Dieser Schaltkreis wandelt Gleichstrom in Wechselstrom, um anschließend wieder in einen anderen Gleichstrom aufbereitet wird. Schaltnetzteile lassen sich als AC/DC-Netzteile mit einem AC-Eingang oder DC/DC-Wandler mit einem DC-Eingang aufteilen. Beide wandeln DC/AC für die Spannungsänderung. Durch ihren Aufbau bedingt erzeugen sie elektromagnetische Störungen, die aus Signalen mit mehreren Frequenzen zusammengesetzt sind. Der DC/DC-Wandler wandelt die DC-Eingangsspannung in eine Wechselspannung um, die dann über einen Transformator erhöht oder gesenkt wird.

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Die Netzteile nutzen zudem Hochfrequenz-Schaltkreise für die Spannungswandlung. In beiden Fällen ist die interne Wechselspannung jedoch keine reine Sinuswelle, sondern häufig ein Rechtecksignal, das durch eine Fourier-Reihe aus algebraischen Summen vieler Sinuswellen mit verwandten Frequenzen dargestellt werden kann.

Solche Mehrfrequenz-Signale sind die Ursache für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen, die sowohl Störungen in Geräten verursachen können, in denen sich das Netzteil befindet, als auch in Geräten in der näheren Umgebung, die empfindlich auf diese Frequenzen reagieren.

Gesetze, Verordnungen und internationale Zusammenarbeit

Das elektromagnetische Spektrum wird vor allem für Rundfunk, Tele- und Datenkommunikation verwendet. Dabei werden absichtlich elektromagnetische Felder abgestrahlt. Um dieses Spektrum zu schützen und die Kompatibilität der entsprechenden elektrischen und elektronischen Systeme zu wahren, haben Regulierungsbehörden Standards für leitungsgebundene und abgestrahlte EMI in elektronischen Geräten verabschiedet. In Europa ist CISPR 22 eine der wichtigsten Normen innerhalb der EU; während in den USA die Regelungen der FCC greifen. Die Forderungen der FCC (Part 15) kategorisieren digitale elektronische Geräte in die Klasse A (für das gewerbliche, industrielle und Unternehmensumfeld) und Klasse B (für Privathaushalte). Die Emissionsstandards der Klasse B sind strenger ausgelegt, da sich die Geräte im Haushalt in unmittelbarer Näher zu anderen Geräten befinden.

Die Bestimmungen der CISPR-22 wurden mit denen der FCC harmonisiert und können mit wenigen Ausnahmen für die Zertifizierung digitaler Elektronikgeräte verwendet werden. Die Harmonisierung erfordert, dass sowohl für leitungsgebundene als auch abgestrahlte Emission der gleiche Standard verwendet wird. Messungen über 1 GHz müssen entsprechend der FCC-Regelungen und Grenzwerte erfolgen, da CISPR 22 keine Grenzwerte für Frequenzen über 1 GHz ausweist. Die Emissionen laut FCC Part 15 und CISPR 22 weichen im vorgeschriebenen Frequenzbereich nur wenige dB voneinander ab.

EMV-Tests und Komformität nach ANSI-Standard

EMV-Tests und Konformität werden entsprechend der Testprozeduren nach dem ANSI-Standard [1] durchgeführt, der keine generischen oder produktbezogenen Grenzwerte für leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen enthält. Die Tests erfolgen dabei mit dem gesamten System und nicht nur für das Stromversorgungsmodul alleine. Selbst externe Stromversorgungen, die den Vorschriften für eigenständige Produkte entsprechen, müssen im Endsystem getestet werden.

EMI wird zunächst als temporäre (transiente) oder dauerhafte Störung eingeteilt. Transiente EMI entsteht, wenn die Quelle einen kurzen Energiepuls anstelle eines Dauersignals aussendet. Ursachen können das Schalten in elektrischen Schaltkreisen sein, genauso wie elektrostatische Entladungen (ESD), Blitzschlag und Spannungsstöße im Netz. Wiederholte transiente EMI kann durch Elektromotoren, Zündanlagen für Kraftstoffmotoren und dauerhaftes Schalten digitaler Schaltkreise entstehen.

Kontinuierliche Störungen lassen sich in Frequenzbänder weiter unterteilen: Frequenzen von wenigen 10 Hz bis 20 kHz werden als Audio klassifiziert; während RFI (Radio Frequency Interference; HF-Störungen) in einem Frequenzband von 20 kHz und darüber auftreten. Hier sei angemerkt, dass dieser Wert weiter zunehmen wird. Kopplung entsteht entweder durch Leitung, Strahlung oder Induktion. Leitungsgebundene Störungen werden bis 30 MHz gemessen. Ströme bei Frequenzen unter 5 MHz treten meist im Differenzmodus (Gegentakt) auf, während Ströme über 5 MHz im Gleichtaktmodus auftreten.

Gegentaktströme sind die zu erwartenden Ströme auf einer Zweidrahtleitung, d.h. Strom fließt von einer Quelle über die eine Leitung und kehrt über die andere Leitung zurück. Die Störung (Rauschen) wird in Bezug auf einen bestimmten Referenzpunkt auf jeder Leitung gemessen. Gegentaktstrom fließt zwischen dem Schaltnetzteil und seiner Quelle oder Last über die Stromleitungen. Diese Ströme sind masseunabhängig.

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