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

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Ein Blick auf den Common-Mode-Strom

In Bild 3 ist die typische Verteilung von Spannung und Strom am Lambda-Halbe-Dipol dargestellt: An den isolierten Enden des Dipols fließt kein Strom, dafür ist die Spannung hoch. In der Mitte sind die Verhältnisse genau umgekehrt. Damit ein solcher Dipol bei etwa 54 MHz abgestimmt (also λ/2 lang) ist, muss er eine Gesamtlänge von ca. 2,78 m haben. Die Gesamtkabellänge betrug bei der ersten Messung nur 1,70 m – der Dipol ist für die beobachtete Resonanzfrequenz deutlich zu kurz. Ebenso hätte der Dipol bei der zweiten Messung eine Länge von etwa 4,10 m haben müssen (f_res = 36,6 MHz), tatsächlich betrug die Gesamtkabellänge jedoch nur 2,70 m. Auch die Veränderung der Resonanzfrequenzen passt nur in etwa zum Verhältnis der Kabellängen.

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Einen weiteren Blickwinkel soll die Messung des Common-Mode-Stroms (Antennenstroms) auf dem Kabelstrang eröffnen. In Bild 4 ist die Verteilung des CM-Stroms auf dem Kabelstrang (f_mess = 53 MHz) dargestellt. Die rote Kurve zeigt die Messwerte, die grüne Kurve eine Polynominterpolation (Glättung). Der charakteristische Verlauf ähnelt sehr stark dem Stromverlauf am Dipol gemäß Bild 3, es gibt jedoch eine markante Abweichung: An den beiden Enden des untersuchten Kabelstrangs wird der CM-Strom nicht zu Null.

Ein Blick auf Bild 2 lässt schnell die Ursache erkennen: Das Ende des Kabels, auf dem die Strommessungen durchgeführt wurden, ist weder auf der Akku-Seite noch auf der LED-Seite das Ende der Struktur. An jedem Ende des Kabelstrangs befindet sich eine relativ große mehr oder weniger metallische Struktur (Akku bzw. LED-Last mit Kühlkörper), die auch noch Bestandteil des „Dipols“ ist. Die Strommessung direkt an Akku oder LED-Last liefert folglich nicht den Strom am Ende der Struktur.

Doch auch wenn wir die Länge dieser beiden Strukturen dem Kabelstrang hinzu rechnen (jeweils ca. 15 cm), passen mechanische Länge und Wellenlänge immer noch nicht zusammen. Tatsächlich kommt hier ein Phänomen zum Tragen, das in der Antennentechnik bereits seit langem gezielt eingesetzt wird: Die beiden großen metallischen Strukturen, Akku und LEDs mit Kühlkörper, bilden an den Enden des Kabelstrangs eine relativ große Kapazität (Abschätzung ~5 pF), welche die Dipolschenkel elektrisch länger erscheinen lässt.

Besonderheit aus der Antennentechnik

In der Antennentechnik wird dieser Effekt genutzt, um Antennenmasten deutlich kürzer bauen zu können, als sie eigentlich sein müssten. Die Dachkapazität der Sendeantenne des Senders Hirschlanden mit einer Frequenz von f = 738 kHz ist zu Beginn des Beitrags zu sehen. Obwohl der Antennenmast als λ/4-Strahler eine Höhe von 101 m haben müsste, ist er dank Dachkapazität nur 40 m hoch.

Dass dieser Effekt tatsächlich bei der Dipolstruktur zu beobachten ist, beweist eine 3-D-Feldsimulation. Mit Hilfe von HFSS V.15 [2] wurde eine Dipolstruktur in einem Meter über einer Groundplane simuliert. Jeder Dipolschenkel hat eine Länge von 80 cm plus eine metallische Box am Ende mit einer Kantenlänge von 10 cm. Das ausgeprägte Maximum bei 55 MHz bestätigt die Vermutung. Auch die Maxima bei gut 200 MHz, knapp 400 MHz sind in der Emissionsmessung (Bild 1) gut zu erkennen. Das Verständnis dieses Störphänomens ermöglicht nun, das Problem gezielt anzugehen. Dabei sind verschiedene Ansatzpunkte denkbar:

• Bei konfektionierten Kabeln könnte die Länge so optimiert werden, dass die Kabelresonanz nicht in einem Frequenzbereich mit ohnehin hohem spektralen Energieinhalt liegt.

• Bei einer Filterung der Kabel wird erst der Einsatz von Drosseln (CM-Choke, StroKo) deutliche Verbesserungen bringen, da Kondensatoren alleine aufgrund der niederohmigen Einspeisung keine große Wirkung entfalten dürften.

• Die Anregung der Kabel kann durch Layoutoptimierungen und eine verbesserte Steckverbinderpositionierung deutlich reduziert werden.

Erst das Verständnis der verschiedenen Störvorgänge ermöglicht gezielte und effiziente Gegenmaßnahmen. Gerade in der LED-Beleuchtungstechnik, wo oft hohe Ströme und schnelle Schaltvorgänge aufeinander treffen, sollte das Thema EMV von Beginn an berücksichtigt werden. Die grüne Kurve im Bild 1 zeigt die Verbesserung, die durch schaltungstechnische Maßnahmen erreicht wurde.

Literatur

[1] Seminar „EMV von Leiterplatten I“, www.emv.biz

[2] Handbuch HFSS V.15, www.ansys.com

* Nils Dirks ist selbständiger Berater und Referent für HF-Fragen und EMV sowie Veranstalter der Seminarreihe EMV-Praxis.

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