So einfach gewöhnen Sie Ihrem Schaltnetzteil das Stören ab

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Um unter den zulässigen Störpegel von 66 dBµV (bei 150 kHz) zu gelangen, ist eine Einfügedämpfung von 40 dB erforderlich. Dies entspricht einer Dekade in der logarithmischen Darstellung. Zur weiteren Berechnung der Y-Kondensatoren wird als Faktor für die Eckfrequenz ein Zehntel der Taktfrequenz verwendet. Jetzt wird die Schwingungsgleichung umgeformt und verwendet, um die X-Kapazität zu bestimmen:

Da zwei Y-Kondensatoren benötigt werden, wird der berechnete Wert durch zwei geteilt. Y-Kondensatoren leiten Gleichtaktstörungen vom Schaltnetzteil zurück zur Schutzerde. Weil abhängig vom Gerätetyp nur Ableitströme von 0,25 bis ≤3,5 mA zulässig sind, sollte keine Kapazität mit einem Wert von größer als 4,7 nF eingesetzt werden. Aus diesem Grund wurden zwei Y-Kondensatoren mit einem E 12-Wert von 2,2 nF gewählt. Bild 6 zeigt das Ergebnis der Messung mit diesem Netzfilter.

Mit Filter wird die EMV-Prüfung der Funkstörspannung bestanden. Bei der untersten Frequenz von 150 kHz liegt der geringste Störsicherheitsabstand von 10 dB des Quasi-Peaks vor. Im weiteren Frequenzbereich liegen Quasi-Peak und Average-Peak weit unter dem zulässigen Störpegel.

Optimierung des Netzfilters

Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, den Störsicherheitsabstand im unteren Frequenzbereich weiter zu erhöhen. Hierzu werden die beiden X-Kondensatoren mit 330 nF gegen zwei 1,5 µF X-Kondensatoren getauscht. Bild 7 zeigt die Messung des optimierten Netzfilters.

Die Änderung der Kapazität bewirkt im unteren Frequenzbereich eine Reduzierung der Funkstörspannung um circa 15 dB. Es wurde ein größerer Störsicherheitsabstand geschaffen und ein guter Netzfilter entworfen.

Irrtum durch Verzicht der Netzdrossel

Oft wird zu Beginn versucht, nur mit X- und Y-Kondensatoren zu entstören, um auf eine Gleichtaktdrossel zu verzichten. Dies spricht aber gegen das Prinzip des Netzfilters – dem Störstrom entgegen zu wirken – indem ein hochimpedantes Filterelement hinzugefügt wird. Versuchsweise wurde die Funkstörspannung mit demselben Filter, ohne Gleichtaktdrossel gemessen. Bild 8 zeigt die Messung. Wie erwartet, steigt die Störaussendung im unteren Frequenzbereich ohne die Netzdrossel WE-CMB stark an. Bei 200 kHz weist der Quasi-Peak einen Wert von circa 78 dBµV und der Average-Peak einen Wert von 60 dBµV auf. Bis zu 600 kHz wird der zulässige Störpegel sowohl vom Quasi-, als auch vom Average-Peak überschritten. Ein Netzfilter kommt ohne eine Netzdrossel nicht aus!

Zusätzlicher Gegentaktfilter

Reicht die Gegentaktunterdrückung mit der WE-CMB und den X-Kondensatoren nicht aus, so hilft ein zusätzlicher Gegentaktfilter aus zwei weiteren in Reihe geschalteten Spulen. Bild 9 zeigt den Aufbau.

Am besten eignen sich für die Gegentaktunterdrückung die Würth Elektronik Spulen WE-TI HV, bzw. WE-PD2 HV, oder die WE-SD Serie. Im Fall von hochfrequenten Störungen wird die Serie WE-UKW empfohlen. An dieser Stelle könnte wieder die „Thomsonsche“ Schwingungsgleichung verwendet werden, um die Spulen zu berechnen. Würde von jeder Spule eine Einfügedämpfung von 40 dB/Dekade abverlangt werden, so sollte mit einer Eckfrequenz von ein Zehntel der Taktfrequenz gerechnet werden. Zur Berechnung der Spule kann der bereits verwendete Wert der X-Kondensatoren verwendet werden:

Da die Spulen für den Gegentaktstrom in Reihe liegen wird der berechnete Wert durch zwei geteilt. Der nächst größere Induktivitätswert einer WE-TI HV wäre 470 µH. Bei der Auswahl einer Gegentaktspule sollte darauf geachtet werden, dass ihr Nennstrom „IR“ weit über dem Nennstrom des Schaltnetzteileingangs liegt.

Ergebnis des Netzfilters

Schlussfolgernd kommt ein Netzfilter für Schaltnetzteile ohne eine Gleichtaktdrossel nicht aus. Einzelne Kondensatoren genügen nicht, um die Störaussendung vollständig zu unterdrücken. Ist eine weitere Unterdrückung der Gegentaktstörung erforderlich, so helfen vor dem Netzfilter zusätzliche Längsspulen. Mit einem Netzfilter liegen alle Störpegel unter dem zulässigen Grenzwert und das Schaltnetzteil kann eine EMV-Prüfung bestehen.

Literaturhinweise:

[1] Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG „Trilogie der Induktiven Bauelemente“, Applikationshandbuch für EMV-Filter, getaktete Stromversorgungen und HF-Schaltungen, 4. erweiterte und überarbeitete Auflage, Dr. Thomas Brander, Alexander Gerfer, Bernhard Rall, Heinz Zenkner

* Stefan Klein ist Applikationsingenieur in der Abteilung für Technisches Marketing bei der Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG in Waldenburg und Dozent an der Fachhochschule Heilbronn.

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