Häufig installieren Entwickler EMV-Filter direkt am AC-Eingang des Endgeräts, in manchen Fällen ist jedoch ein zusätzlicher Filter notwendig. Deshalb sollten Entwickler bei der Auswahl Funktion, Wirkung und Einsatzgebiet berücksichtigen.

Bei netzbetriebenen Geräten ist es üblich, einen Netzeingangsfilter zu verwenden, der entweder im Eingangsstecker integriert oder als eingebauter Filter im Gerät eingebaut ist. Dies ist insbesondere in professionellen Umgebungen wie der Industrie, dem Gesundheitswesen und der ITE häufig der Fall. Die Endanwendungen umfassen normalerweise ein Netzteil, das für die Chassis- oder manchmal Rack- oder PCB-Montage geeignet ist. In jedem Fall erfüllt das Netzteil als eigenständiges Teil immer die gesetzlichen Anforderungen an elektromagnetische Störungen, typischerweise EN55011 / EN55032 für leitungsgebundene und gestrahlte Störungen.

Abb. 1: Typischer Aufbau eines EMV-Filters. (Bild: XP Power)

Abb. 2: EMV-Filter mit integrierter Sicherung. (Bild: XP Power)

Abbildung 3: EMV-Diagramm eines AC/DC-Netzteils mit integriertem Filter: Emissionswerte entsprechen der Emissionsgrenzwertlinie EN 55032. (Bild: XP Power)

Abb. 4: Dämpfungsdiagramm des EMV-Filters Typ FCSS06SFR. (Bild: XP Power)

Abbildung 5: EMV-Emissionswerte für ein AC/DC-Netzteil mit zusätzlichem externem EMV-Filter: Die Emissionswerte entsprechen weiterhin der EN 55032, nehmen jedoch bei höheren Frequenzen ab. (Bild: XP Power)

In manchen Fällen ist jedoch ein zusätzlicher EMV-Filter erforderlich. Erfahrenen Geräteentwicklern ist jedoch seit langem bekannt, dass die EMV-Konformität eines Endprodukts nicht allein durch den Einsatz konformer Komponenten gewährleistet werden kann. Dafür gibt es viele Gründe: Konformitätsprüfungen an einem AC/DC-Netzteil werden beispielsweise unter ganz bestimmten Bedingungen durchgeführt, wie z in Bezug auf den Schutzleiter. Wenn Entwickler beispielsweise ein Endprodukt mit einem intern eingebauten AC/DC-Netzteil testen, variieren all diese Bedingungen, was zu einem anderen und oft schlechteren EMV-Ergebnis führt. Über die Verkabelung können auch die elektromagnetischen Störsignale anderer Komponenten eingekoppelt werden, was die leitungsgebundene Störaussendung erhöht.

EMV-Filter werden häufig am AC-Eingang eines Endgeräts installiert. Die Auswahl an verfügbaren Filtern ist sehr groß und Sie können zwischen verschiedenen Strom- und Dämpfungswerten sowie Ausführungen mit oder ohne Sicherungen und Schalter wählen. Für Anwendungen im medizinischen Bereich stehen auch Filter mit geringen Ableitströmen zur Verfügung. Dieser Artikel beschreibt die Funktion des Filters und wie der EMV-Filter für die bestmögliche Wirkung in der vorgesehenen Anwendung ausgewählt werden kann.

Abb. 1: Typischer Aufbau eines EMV-Filters. XP-Leistung

Ein externer Filter kann die Lösung sein, aber bei so vielen Auswahlmöglichkeiten ist die Wahl nicht einfach. Ein Blick auf Bild 1 zeigt den internen Schaltungsaufbau eines typischen Filters sowie die einzelnen Komponenten und deren Beitrag zur Funktion des Filters.

Der Kondensator CX dämpft Gegentaktstörungen wie Rauschen, externe Signale und Spitzen, die zwischen Phase und Neutralleiter auftreten und durch schnelle Stromänderungen innerhalb des Wandlers entstehen. Dieser Kondensator ist vom Typ X1, X2 oder X3, um Spannungsspitzen des Wechselspannungsnetzes standhalten zu können. Die Induktivität L ist eine Gleichtaktdrossel mit zwei Wicklungen wie gezeigt. Gleichtaktstörungen, die durch schnelle Spannungsänderungen innerhalb des Umrichters von Phase und Neutralleiter zum Schutzleiter entstehen, werden von der Drossel als hochohmig betrachtet und jeder CY-Kondensator leitet den Störstrom zum Schutzleiter ab. Der durch die beiden Wicklungen der Drossel fließende Normalstrom bewirkt eine Magnetfeldkompensation im Kern, sodass Designer hohe Induktivitätswerte verwenden können, ohne eine magnetische Sättigung befürchten zu müssen. Die Induktivität L wird oft mit einer unvollkommenen Kopplung zwischen den Wicklungen erzeugt, so dass eine Streuinduktivität entsteht, die als separate Serieninduktivität wirkt und die Gegentaktdämpfung erhöht.

Abb. 2: EMV-Filter mit integrierter Sicherung. XP-Leistung

Während CX ein beliebiger Kapazitätswert innerhalb praktischer Grenzen sein kann, sind die Kapazitäten der beiden CY-Kondensatoren durch die Anforderungen an den Erdableitstrom begrenzt. Die CY-Kondensatoren sind in den Typen Y1, Y2, Y3 und Y4 mit abnehmender Betriebs- und transienter Nennspannung erhältlich. Der Ableitstrom durch die Y-Kondensatoren stellt ein potenzielles Risiko dar, da sie die Sicherheitsbarriere zwischen Phasen- und Neutralleiter gegen Schutzleiter überbrücken. Ist die Schutzleiterverbindung zu den Metallteilen der Applikation defekt, "schwimmt" das Gehäuse und kann über die Y-Kondensatoren ein Spannungspotential in Höhe der Netzspannung bekommen und einen Stromschlag verursachen. Die Werte von Y-Kondensatoren werden daher so begrenzt, dass nicht mehr als der vorgeschriebene Strom gemäß der für die Anwendungsumgebung verwendeten Norm fließen kann. Die Grenzwerte können von wenigen 10 mA im Industriebereich bis unter 10 µA bei kardiologischen Anwendungen im Gesundheitswesen reichen.

R1 ist ein hochohmiger Widerstand zum Entladen des Kondensators CX, typischerweise 1 MOhm. Dies ist erforderlich, wenn die Netzversorgung abrupt abbricht und die angeschlossene Last die gespeicherte Energie nicht zuverlässig ableiten kann, wodurch an den Pins des Eingangssteckers eine potenziell gefährliche Spannung zurückbleiben könnte. Normen wie IEC 62368-1 zur Sicherheit von ITE- und Medienanwendungen schreiben vor, dass R1 den Kondensator bei CX > 300 nF nach zwei Sekunden auf weniger als 60 V entladen muss, wobei für CX < 300 nF höhere Spannungen zulässig sind. Bei Anwendungen, die nur geschultem Personal zugänglich sind, liegen die zulässigen Spannungsgrenzen noch höher.

Abbildung 3: EMV-Diagramm eines AC/DC-Netzteils mit integriertem Filter: Emissionswerte entsprechen der Emissionsgrenzwertlinie EN 55032. XP Power

Andere Standards unterscheiden sich jedoch. So fordert beispielsweise die IEC 60601-1 für Medizinprodukte eine Entladung auf weniger als 60 V nach nur einer Sekunde, aber für Kondensatoren mit weniger als 100 nF gibt es keine Vorgaben. Auch Normen wie IEC 62368-1 stellen Anforderungen an den verwendeten Widerstand, der bei Spannungstransienten eine Widerstandsabweichung von nicht mehr als zehn Prozent aufweisen darf, wenn der Widerstand vor einer Sicherung eingebaut wird. R1 ist daher eine hochspezifizierte Komponente. Bei manchen Anwendungen ist die Verlustleistung von R1 unter Normalbedingungen entscheidend für die Einhaltung von Grenzwerten für Stand-by- oder Leerlaufverluste, die von Stellen wie dem US Department of Energy (DoE) und der europäischen ErP . festgelegt werden Richtlinie. Die Sicherung in Bild 1 kann bereits im EMV-Filter integriert sein. Zum Beispiel der für die Gehäusemontage weit verbreitete Typ IEC320-C14 (Abb. 1).

Ein einzelnes Backup ist in kommerziellen Anwendungen üblich. Entspricht die Sicherung den geltenden Normen, werden die Spezifikationen für nachgeschaltete Komponenten gelockert. In manchen Anwendungen müssen Entwickler sowohl die Phase als auch den Neutralleiter mit einer Sicherung absichern, um eine versehentliche Verpolung auszuschließen. In einem solchen Fall wäre die Phase nicht mit einer einzigen Sicherung abgesichert und Entwickler müssten sich bei Kurzschluss zum Schutzleiter auf die vorgeschalteten Sicherungen oder Trenner verlassen. Um die Verkabelung vor zu hoher Belastung zu schützen, können diese vorgeschalteten Komponenten für einen höheren Nennstrom ausgelegt werden und es wäre nicht gewährleistet, dass sie bei einem einzelnen Geräteausfall schnell genug auslösen, was zu einer Brandgefahr führen könnte. Die Verwendung von zwei Sicherungen hat jedoch den Nachteil, dass ein Überstrom von Phase zu Neutralleiter nur die Sicherung des Neutralleiters auslösen könnte, so dass das Gerät spannungslos erscheint, aber im Inneren noch spannungsführende Verbindungen vorhanden sind.

Abb. 4: Dämpfungsdiagramm des EMV-Filters Typ FCSS06SFR. XP-Leistung

Der erforderliche mechanische Formfaktor des Filters ist entscheidend; Je nach Anforderung stehen Filtervarianten mit IEC-Gerätestecker mit Schraub- oder Schnappbefestigung, mit oder ohne Schalter, einer oder zwei Gerätesicherungen zur Verfügung. Die IEC-Gerätestecker sind für 10 A (IEC Typ C14) und 16 A (IEC Typ C20) ausgelegt, wobei Filter auch als Einbauvariante bis 20 A Nennstrom und höher erhältlich sind. Eine sehr effektive EMV-Dämpfung bieten eingebaute Filter, die typischerweise über eine 6-seitige Metallabschirmung mit direkter Befestigung an leitfähigen, geerdeten Metallteilen verfügen.

Alle Filter sind auch als medizinische Version erhältlich, allerdings fehlen die Y-Kondensatoren, um den Ableitstrom auf typisch 5 µA zu reduzieren. Dies führt dazu, dass die Gleichtaktdämpfung reduziert wird, weshalb eine Kompensation an anderer Stelle beispielsweise durch kaskadierende Filter erforderlich sein kann.

Der erforderliche Nennstrom lässt sich aus dem Leistungsbedarf der Last bei der niedrigsten Eingangsspannung und dem Leistungsfaktor der Last berechnen. Beispielsweise würde eine Belastung des Filters mit 200 W bei einem Leistungsfaktor von 0,9 bei 90 VAC einen Strom von 200 W / (0,9 × 90 VAC) = 2,47 A ziehen. In diesem Fall kann der Designer einen Filter mit einer Leistung von 3 A wählen.

Abbildung 5: EMV-Emissionswerte für ein AC/DC-Netzteil mit zusätzlichem externem EMV-Filter: Die Emissionswerte entsprechen weiterhin der EN 55032, nehmen jedoch bei höheren Frequenzen ab. XP-Leistung

Die Auswahl der benötigten Dämpfung eines Filters erfolgt am besten durch Messung ohne Filter und anschließende Berechnung der zusätzlich benötigten Dämpfung mit einem externen Filter. Die Dämpfungskurven in den Filterdatenblättern geben einen Hinweis auf die Dämpfung, wobei zu beachten ist, dass die im Datenblatt angegebene Dämpfungsleistung unter bestimmten Testbedingungen, typischerweise einer 50 Ohm Quelle und Lastimpedanz, erreicht wird. Obwohl die Wechselstromquelle unter Verwendung eines Line Impedance Stabilizer Network (LISN) standardisiert werden kann, variiert die Anwendungslast wahrscheinlich stark. Auch ein Filtermodul, das mit einem internen Filter eines AC/DC-Netzteils kaskadiert ist, kann durch potentielle Resonanzen zu unerwarteten Ergebnissen führen, die bei kritischen Frequenzen sogar zu einer Verschlechterung der EMV führen können. Als Beispiel dient ein EMV-Diagramm des XP Power AC/DC-Netzteils PBR500PS12B, das mit 230 VAC und 180 W betrieben wurde. Das Diagramm zeigt eine gute Übereinstimmung mit der Emissionsgrenzlinie EN 55032 Kurve B der Quasi-Peak-Detektion. Anschließend fügten die Entwickler einen EMV-Filter Typ FCSS06SFR von XP Power mit den in Abbildung 4 gezeigten Dämpfungseigenschaften hinzu. Die gestrichelte Linie repräsentiert die Gegentakt- und die durchgezogene Linie die Gleichtaktdämpfung. Das resultierende Gesamtergebnis ist in Abbildung 5 dargestellt.

Es ist deutlich zu erkennen, dass bis ca. 1 MHz die Dämpfung des Filters die Emissionen um das erwartete Maß reduziert, ab 10 MHz jedoch die Messung nicht den Erwartungen entspricht. Das bedeutet, dass der modulare Filter bei diesen Frequenzen 50 Ohm nicht als Abschlusswiderstand sieht. Damit wird bestätigt, dass zur Sicherstellung der Konformität im Vorfeld praktische Messungen erforderlich sind.

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