Geräteentstörung mit richtigen Bauelementen

Um heutzutage der EMV-Gesetzgebung gerecht zu werden, setzen die Herstellervon elektrischen und elektronischen Geräten ihr gesamtes Know How dafür ein, dasGerät selbst so zu gestalten, dass es frei von Störemissionen ist. Vielfach sind hierjedoch technische Grenzen gesetzt.
Selten ist es möglich, elektrische Schaltungenmit schnell taktenden Halbleiterbauelementen so zu konstruieren, dass die Emissionsgrenzwerte für leitungsgebundene Störungen eingehalten werden. In solchen Fällen kommen Netzentstörfilter zum Einsatz, die als zusätzlichesBauelement die leitungsgebundenen
Störungen im benötigten Maß reduzieren.

Aufbau und Wirkungsweise von Netzentstörfiltern

Ein EMV-Filter ist vereinfachend beschrieben eine Tiefpassschaltung, die dafür sorgt, dass nur Frequenzen außerhalb einer zugelassenen Bandbreite das Filter passieren können. Innerhalb dieses Frequenzbandes werden Stör-spannungen gedämpft. Bei Standard- EMV- Filtern liegt der Dämpfungs-bereich zwischen etwa 100 kHz und
30 MHz. Andere Filter für geschirmte Räume oder für Telekommunikationszwecke haben meistens applikationsbedingte Dämpfungsbereiche, die von einigen Kilohertz bis in den Gigahertz-Bereich hinein reichen. Die Tiefpassschaltung besteht aus einer Kombination von Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen, die für das Nutzsignal und die Störströme eine Längsimpedanz (ZL) und Querimpedanz (ZQ) darstellen. Das Prinzip ist in Bild 1 dargestellt. Die Störströme (IS) verursachen über der Impedanz des Versorgungsnetzes einenSpannungsabfall (UN), dessen Maximalwert in Abhängigkeit von der Frequenz in den EMV-Richtlinien vorgegeben ist.

Diese frequenzabhängige Spannungsteilung hat zur Folge, dass ein Teil der Störströme (IZQ) zur Masse bzw. PE abfließt. Ein weiterer Teil der Störströme (IR) wird reflektiert. Dieser Effekt tritt auf, weil wegen des Wellencharakters der Elektronen das Filterelement durch die Fehlanpassung einen Impedanzsprung darstellt.Dadurch werden Elektronen bestimmter Frequenzenweitergeleitet und andere reflektiert. Ein weiterer Teil der Störströme wird in den Bauelementen in Verlustwärme umgewandelt.
Die Längsimpedanzen werden hauptsächlich durch Induktivitäten und deren reelle Widerstandskomponente gebildet. Bei reinen Längsinduktivitäten verursacht derNutzstrom einen Spannungsabfall, der sich negativ auf die Verlustleistungsbilanz auswirkt. Ebenfalls müssen Sättigungseffekte beachtet werden, die kleine Bauformenoft ausschließen.
Als Alternative dazu werden stromkompensierte Drosseln eingesetzt. Der Hauptstrom verursacht nur über der geringen Streuinduktivität einen Spannungsabfall.
Gegen unsymmetrische Störungen wirkt die vollständige Längsinduktivität.
Die Wirkungsweise dieser sogenannten Common Mode Drossel beruht darauf, dass der Nutzstrom In im Ringkern durch das Hin- und Zurückfließen zwei Magnetflüsse Fn induziert, die sich gegenseitig aufheben.
Unsymmetrische Störströme fließen jedoch über Masse bzw. den Schutzleiter zurück.
Dieser Magnetfluss Fcm wird nicht kompensiert und die Induktivität wird wirksam.

Beeinflussung von Filterkomponenten
Nur die spezielle Kombination aller Bauelemente in einem Netzentstörfilter und die Anpassung auf das zu bedämpfende Frequenzgemisch führt zu einer erfolgreichen Geräteentstörung.
Dazu zählt auch die Abstimmung der einzelnen Filterkomponenten untereinander.
Dabei sind zwei wichtige technische Gegebenheiten zu beachten.Einerseits muss man bei der Bauelementeauswahl davon ausgehen, dass kein Bauelement ideale technische Eigenschaften hat.
Der Kondensator besteht im vereinfachten Ersatzschaltbild nach Bild 3 nicht ausschlielich aus der eigentlichen Kapazität C, sondern auch aus verschiedenen parasitären Werten. Der Widerstand Rp charakterisiert das Verhalten des Dielektrikums, das eine bestimmte geringe Leitfähigkeit besitzt.
Ls und Rs werden durch Zuleitungs- und Kontaktgüte bestimmt. Der Wert Cp bestimmt die Kapazität, die aus EMV-technischer Sicht signifikant für Abstrahlungs- und Kopplungseffekte ist. Die Gesamtwirkung der parasitären Einflüsse führt dazu, dass der Kondensator nicht im gesamten Frequenzspektrum kapazitiv wirkt, sondern im Frequenzbereich unter der Parallelresonanz auch induktives Impedanzverhalten zeigt.

Aus diesen Erkenntnissen lässt sich leicht ableiten, dass beim Aufbau von Entstörschaltungen auf möglichst kurze Anschlussdrähte und induktivitätsarme Bauarten zu achten ist. Ähnlich verhält es sich bei Drosseln. Dort verursachen die Windungskapazitäten über dem Parallelresonanzpunkt eine Impedanzverringerung in die Richtung höherer Frequenzen.
Ein zweiter wichtiger Aspekt ist die kritische Begutachtung der Sättigungsfestigkeit von Induktivitäten. Bei stromkompensierten Drosseln wird diese Frage oft unterschätzt, weil der Nutzstrom selbst durch die entgegengesetzten Magnetflüsseim Kern keine Sättigung verursacht.
Dennoch kann in Laborversuchen bei einerStromerhöhung ein zunehmender Induktivitätsverlust beobachtet werden, der aufVerringerung der Permeabilität und damit auf Sättigungseffekte schließen lässt. Diese sind darauf zurückführen, dass sich von jeder Windung ein Magnetfluss überdie Streuinduktivität schließt.
Der Streufluss ist proportional zum Hauptstrom. Da dieStreuflüsse sich aber nicht kompensieren, wird bei hohen Strömen eineKernsättigung verursacht.
Das führt dann zu einer Verringerung des magnetischen Widerstandes der Drossel und kann das Dämpfungsverhalten des Filters beeinträchtigen. Besonders beim Filtereinsatz für rückspeisefähige Umrichter und in Schaltnetzteilen, wo hohe oberwellenbehaftete Kondensatorladeströme auftreten, ist auf die Sättigungsfestigkeit der im Filter eingebauten Induktivitäten zu achten.

Zusammenfassung

Nur unter Berücksichtigung der Haupteigenschaften und der wichtigsten parasitären Einflüsse der Filterbauelemente ist es möglich, geeignete leistungsfähige Netzentstörfilter zu konstruieren.
Für den Kunden ist es erforderlich, dass nach einer Filtervorauswahl nach Strom,Spannung und Bauform die geeignete Filterschaltung an der Applikation geprüft wird.
Eine Störspannungsmessung gibt dann Aufschluss über die Funktionsfähigkeit des Filters an dem zu entstörenden elektrischen Gerät. Nur dort herrschen die realen Impedanzverhältnisse, die einen wesentlichen Einfluss auf die Störspannungsunterdrückung haben. Einfügungsdämpfungskurven, wie sie in Filterkatalogen und auf Datenblättern zu finden sind, sagen nichts über die Filterwirkung an der elektrischen Anlage. Bei einer Filteranpassung vor Ort beim Kunden kann so in kurzer Zeit eine Entstörlösung geboten werden.

Mit freundlicher Genehmigung Frau Barbara Hoos

 Quelle: http://www.bajog.de/

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