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Maßnahmen gegen leitungsgebundene Gleichtakt-Abstrahlungen in isolierten Schaltnetzteilen (Teil 2)

Bereits beschrieben wurde, wie sich Gleichtaktströme mit Hilfe eines Chassis-Kondensators, der auch die Quellimpedanz der Störungen reduziert, zu ihrer Quelle zurückleiten lassen. Die Tatsache, dass die Kapazität dieses Kondensators aus Sicherheitsgründen nicht beliebig hoch gewählt werden darf, bestimmt darüber, wie der Rest des Gleichtaktfilters implementiert werden muss. Bild 1 zeigt, wie der Gleichtaktstrom durch das Schalten hoher Wechselspannungen an der Drain von Q1 entsteht. Über die Streukapazität fließt ein Strom zur Chassis-Masse. Mit dem Chassis-Kondensator C1 nun wird diesem Strom die Möglichkeit gegeben, innerhalb des Netzteils zurückzufließen anstatt über die Masseverbindung der Eingangsspannung. Die stromkompensierte Drossel L1 begrenzt die Gleichtakt-Störaussendungen, indem sie eine Impedanz im Stromweg zwischen dem Netzteil-Chassis und der eingangsseitigen Wechselspannung einfügt. Bei einer Frequenz von 1 MHz entspricht die maximal zulässige Chassis-Kapazität von 4.700 pF einem Blindwiderstand von 30 Ω. Um zu erreichen, dass der gesamte vom Schalter erzeugte Strom in den Chassis-Kondensator C1 fließt, muss die Induktiv jedoch über einen großen Frequenzbereich hinweg eine hohe Impedanz in der Größenordnung von einigen tausend Ohm darstellen.

Untersucht man L1 genauer, befindet sich die Impedanz im gemeinsamen Stromweg von Phase und Nullleiter, und die differenzielle Induktivität wird nicht zur Verringerung der Gleichtaktströme genutzt. Viele Designer verwenden die Streuinduktivität von L1 zur differenziellen Filterung. Wird die Drossel jedoch gemäß Bild 1 verschaltet, fließt in ihr unter dem Strich kein Gleichstrom. Aus diesem Grund kann ein Kern von hoher Permeabilität und ohne Luftspalt verwendet werden. In Bild 3 ist die Serien-Permeabilität eines typischen Kernwerkstoffs für stromkompensierte Drosseln als Funktion der Frequenz aufgetragen. Die Permeabilität besteht aus einem Realteil und einem Imaginärteil. Während sich der Realteil auf die normale Induktivität bezieht, hängt der Imaginärteil mit den Verlusten im Material zusammen. Da das Diagramm die Serienschaltung wiedergibt, handelt es sich bei der Gesamt-Impedanz um die Vektorsumme von beiden. Dies ist überaus nützlich, denn während der Realteil der Induktivität bei 300 kHz abzunehmen beginnt und oberhalb von 1 bis 2 MHz nicht mehr nutzbar wäre, wird die Impedanz oberhalb von 1 MHz durch die Materialverluste dominiert und bleibt bis 10 MHz wirksam.

Ist die Entscheidung für einen Kernwerkstoff gefallen, besteht die nächste Herausforderung darin, die hohe Permeabilität des Materials maximal auszuschöpfen. Bild 4 gibt die Impedanz einer stromkompensierten Drossel von 28 nH als Funktion der Frequenz wieder. Wie man sieht, verhält sich das Bauelement bei geringen Frequenzen wie eine Induktivität, während bei hohen Frequenzen eine verteilte Kapazität zutage tritt, die mit der Induktivität in Resonanz tritt. Wegen der hohen Induktivität lässt eine verteilte Kapazität von 23 pF die Leistungsfähigkeit der Drossel oberhalb von 200 kHz einbrechen. Beim Design einer leistungsfähigen stromkompensierten Drossel kommt es darauf an, die Kapazität zu minimieren, indem man Sektorwicklungen verwendet, einzelne Wicklungen einsetzt und die Zahl der Windungen durch eine überlegte Auswahl des Kerns minimiert. Gelegentlich lassen sich die besagten Resonanzen nicht vermeiden, sodass bei höheren Frequenzen zusätzliche Filtermaßnahmen erforderlich sind. In solchen Fällen kann zum Ausfiltern höherer Frequenzen eine weitere Drossel hinzugefügt werden.

Die Gleichtaktfilterung in einem Netzteil erfordert also Bauelemente von hoher Impedanz. Dies ist einerseits auf die hohe Quellimpedanz der Störungen zurückzuführen und begründet sich andererseits daraus, dass die Kapazität gegenüber dem Chassis aus Sicherheitsgründen nicht beliebig groß sein darf. Bei stromkompensierten Drosseln stellt die Forderung nach hoher Impedanz bei hohen Frequenzen wegen die Kapazität zwischen den Wicklungen eine Herausforderung dar. Bei der Wahl des Kernwerkstoffs muss sorgfältig vorgegangen werden, denn die Permeabilität des Materials muss durchgehend hoch bleiben. Außerdem gilt es die verteilte Kapazität der Wicklungen in den Griff zu bekommen. Schon eine verteilte Kapazität von nur 30 pF kann die Impedanz der Drossel zunichtemachen. In einigen Fällen kann eine Reihenschaltung aus zwei Drosseln, die jeweils die Filterung in einem bestimmten Frequenzband übernehmen, Abhilfe schaffen.

Eine genauere Diskussion zu diesem Thema finden Sie unter Punkt 3 des 2003 Power Supply Seminars.

Im nächsten Beitrag geht es um die Auswahl der Kondensatoren für Schaltnetzteile.

Weitere Informationen zu dieser und anderen Power-Lösungen finden Sie außerdem auf www.ti.com/power-ca sowie unter www.elektronikpraxis.de/power-tipps.

* Robert Kollman ist Senior Applications Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments

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