Entwurf optimierter EMV-Filter für die Praxis

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Software wählt optimale Drossel aus

In Bild 2 ist der Betrag der Impedanz |Z| eines eingebauten 100nF-SMD-Kondensators dargestellt. Es ist erkennbar, dass der Kondensator vor allem im unteren Frequenzbereich niederohmig ist. Auch wenn sich die niederohmig abgedeckte Bandbreite durch das Parallelschalten mehrerer gleicher oder mehrerer richtig gestaffelter Kondensatoren vergrößern lässt, ändert sich dieser Sachverhalt nicht grundsätzlich. Es wäre sinnvoll, die Drossel für den Längszweig so auszuwählen, dass sie insbesondere in dem höheren Frequenzbereich erhebliche Dämpfungswerte liefert. So lässt sich eine einigermaßen ausgewogene Dämpfung über einen breiten Frequenzbereich realisieren. Drosseln mit sehr hohen maximalen Dämpfungswerten sind in der Regel mehr oder weniger schmalbandig und daher tendenziell für den Einsatz in breitbandigen Filtern nur bedingt geeignet. Durch die gezielte Auswahl einer zum Querzweig möglichst optimal passenden Drossel kann diese Einschränkung mitunter aufgehoben werden.

Als Beispiel wird nun ein Filter entwickelt, dessen Querzweig aus drei parallel geschalteten 100-nF-Kondensatoren besteht. Da es etwas unkomfortabel ist, den Impedanzverlauf dieser Kondensatoren gegen die Impedanzkurven eines ganzen Drosselsortiments abzugleichen, ist in SILENT ein Feature zur Filter-Synthese enthalten. Aufbauend auf dem bereits fertig entwickelten Querzweig, in diesem Fall eine sehr einfache Kondensatorgruppe, wählt die Software automatisch aus der Drosseldatenbank diejenigen Elemente aus, mit denen sich die gewünschte Filterspezifikation erfüllen lässt (Bild 3).

In diesem Fall wurde eine Mindestdämpfung von —60 dB über einen Frequenzbereich von 10 bis 150 MHz vorgeschrieben. Aus den sechs gefundenen Drosseln wurde die Artikelnummer 742792093 [4] ausgewählt. Die Filterdämpfung in Bild 4 erfüllt die Dämpfungsvorgabe. Um die Verlässlichkeit der Simulation zu überprüfen, wurde der Filter aufgebaut und mit einem Networkanalyzer (HP8753C) vermessen.

Simulationswerte stimmen mit realen Werten überein

Die Messung in Bild 5 zeigt eine gute Übereinstimmung mit der Simulation: vorhandene Abweichungen sind u.a. auf Fertigungs- und Bauelementetoleranzen sowie auf die nicht ausreichend spezifizierten Verluste in den Kondensatoren zurückzuführen.

Im Bild 6 ist die Einfügungsdämpfung der ausgewählten Drossel alleine dargestellt: Offensichtlich ist die Drossel gut ausgewählt, denn sie zeigt im höheren Frequenzbereich (>~40MHz) ausgeprägte Dämpfungswerte, im unteren Frequenzbereich – also dort, wo die Kondensatoren im Querzweig sehr niederohmig sind — lässt ihre Dämpfung relativ schnell nach. Bandbreiten von 500 MHz und mehr sind mit diesem Verfahren problemlos zu erreichen. Bei sehr hohen Frequenzen werden die Kondensatoren im Querzweig früher oder später hochohmig und die Filterdämpfung lässt deutlich nach.

Ausnahme ist hierbei die bereits oben erwähnte Filterung von Powersystemen. Ist der „Querzweig“ des Filters ein optimal ausgelegtes Powersystem, kann er auch bis in den GHz-Bereich sehr niederohmig sein. Voraussetzung für einen „lückenlosen“ Dämpfungsverlauf in diesen Frequenzbereichen ist allerdings die richtige resonanzfreie Auslegung des Powersystems, da der Dämpfungsverlauf andernfalls verschiedene mehr oder weniger schmalbandige „Fehlstellen“ aufweist, diese werden in der Regel durch die Eigenmoden des hauptsächlich zweidimensionalen Powersystems verursacht [5].

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