Schaltnetzteile führen zu leitungsgebundenen Störungen, weil sie auf der Netzseite eine Funkstörspannung erzeugen. Dies kann zur Störung anderer Geräte führen. Zur Unterdrückung der erzeugten Funkstörspannung helfen Netzfilter.

Störströme führen über Impedanzen zur Funkstörspannung. Bild 1 stellt den prinzipiellen Stromfluss von Störströmen in einem Schaltnetzteil dar. Auf der Netzseite fließt zunächst mit der Taktfrequenz des Schaltreglers ein hochfrequenter Nutzstrom iDM, der zur Gegentaktstörung führt. Bedingt durch schnelle Schaltvorgänge von Halbleiterbauteilen, meist MOSFETs, kommt es in Verbindung mit parasitären Effekten zu hochfrequenten Schwingungen. Im Prinzip fließt der Gegentaktstrom von der Netzleitung L über eine Gleichrichterbrücke, dann über die Primärwicklung des Trenntransformators, über den MOSFET und über den Neutralleiter N zurück zum Netz.

Zum Zweck der Kühlung wird der MOSFET auf einen Kühlkörper montiert. Der ist wiederum an den Schutzleiter PE angeschlossen. An dieser Stelle kommt es zur kapazitiven Kopplung zwischen dem Kühlkörper und dem Drain des MOSFET – dies erzeugt eine Gleichtaktstörung. Kapazitiv gekoppelt fließt nun ein Gleichtaktstrom iCM über die Erdleitung PE zurück zum Schaltnetzteileingang, wo er wieder über parasitäre Kapazitäten sowohl auf die Netzleitung L als auch auf die Neutralleitung N gekoppelt wird. Der Gleichtaktstrom iCM fließt nun wie in Bild 1 gezeigt über beide Netzleitungen, über die Gleichrichterbrücke zum MOSFET. Dort wird er wieder parasitär über den Kühlkörper auf die Erdleitung PE gekoppelt.

An der Drain-Source-Strecke des MOSFET liegt die gleichgerichtete Netzspannung an. Der Scheitelwert der gleichgerichteten Netzspannung entspricht

Vp = 230 V ∙ √2 = 325 V

Exemplarisch wurde ein Schaltnetzteil mit einer Taktfrequenz von 100 kHz herangezogen. Bei dieser Taktfrequenz entspricht die Periodendauer T 10 µs. Die Impulsdauer beträgt 2 µs. Anhand dessen lässt sich zunächst das Tastverhältnis bestimmen:

D = ton/T = 2 µs/10 µs = 0,2

Unter der Annahme, dass der Strom durch die Gleichrichterbrücke trapezförmig ist, ist das EMV-Spektrum ohne Netzfilter und ohne weitere Fourier-Transformation annähernd bestimmbar. Zunächst wird der erste Eckpunkt der einhüllenden Amplitudendichte benötigt:

Analog hierzu ist die erste Eckfrequenz der einhüllenden Amplitudendichte

fco1 = nco1 ∙ fCLK = 1,592 ∙ 100 kHz = 159,2 kHz

Daraus ist die Amplitude der ersten Harmonischen bestimmbar:

c1 = (2 ∙ Vp) / (nco1 ∙ π)  = 2 ∙ 325 V / (1,592 π) = 130 V

Basierend auf der Annahme, dass die parasitäre Koppelkapazität CP zwischen dem Schaltnetzteil und Erde 20 pF beträgt, ist nun der Gleichtaktstrom der ersten Harmonischen ermittelbar:

Icm1 = 2π ∙ fco1 ∙ Cp ∙ C1 / √(50 π ∙ fco1 ∙ Cp)2 + 1 )      = 2π ∙ 159,2 kHz ∙ 20 pF ∙ 130 V /√(50π ∙ 159,2 kHz ∙ 20 pF)2 + 1)      = 2,6 mA

Gemessen wird die Funkstörspannung mittels einer Netznachbildung und einem EMV-Messempfänger. Durch die Parallelschaltung der 50-Ω-Eingangsimpedanz des EMV-Messempfängers und der 50-Ω-Ausgangsimpedanz der Netznachbildung ergibt sich eine Gesamtimpedanz Z von 25 Ω. Jetzt lässt sich die gemessene Funkstörspannung Ucm berechnen:

Ucm = Z ∙ Icm = 25 Ω ∙ 2,6 mA = 0,065 V

Umgeformt in dBµV ergibt dies:

U = 20 ∙ log(0,065 V/1 µV) = 96,26 dBµV

Ergebnis der Berechnung ist, dass mit einer hohen Störaussendung zu rechnen ist. Beispielweise kann hier zur Bewertung der Störaussendung die Produktfamiliennorm EN 55022 herangezogen werden. Sie definiert im Frequenzbereich von 0,15 MHz bis 0,5 MHz einen zulässigen Störpegel von 66 dBµV bis 56 dBµV des Quasi-Peaks. Bild 2 zeigt das Ergebnis der leitungsgebundenen Messung der Funkstörspannung dieses Schaltnetzteils ohne Netzfilter.

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

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