Stromversorgungsdesign Grundlagen der EMV – Teil 1

Schaltnetzteile haben sich als Stromversorgungen weitgehend durchgesetzt. Doch ihr Design ist alles andere als trivial. In einer losen Artikelserie wollen wir einige Grundlagen des Stromversorgungsdesigns beleuchten. Im Folgenden geht es um Definitionen, Vorschriften und Mechanismen bei der EMV.

Jede Art von getakteter Stromversorgung »zerhackt« eine Gleichspannung. Dadurch entstehen elektromagnetische Störungen, die sich nach der Fourier-Analyse aus Signalen mit Frequenzen, die Vielfache der Schaltfrequenz (Harmonische, Oberwellen) sind, zusammensetzen. Diese Signale verursachen leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen, die zu Problemen in dem System führen können, in dem sich das Netzteil befindet. Aber auch in benachbartem Equipment, das für diese Frequenzen anfällig ist, können Probleme auftreten.

Schaltnetzteile erzeugen elektromagnetische Störungen (EMI, electro-magnetic interferences), die unter die Vorschriften der FCC und CISPR fällt (siehe Tabellen 1 bis 8 auf Seite 2). Da Elektronikgeräte der Klasse A für das kommerzielle, industrielle und geschäftliche Umfeld vermarktet werden, und Elektronikgeräte der Klasse B für das häusliche Umfeld, sind die Emissionsgrenzen für Klasse-B-Geräte, die sich näher an Radio- und Fernsehempfängern befinden, strenger ausgelegt als in Klasse A. Generell sind die Grenzwerte für Klasse B strenger als für Klasse A – in etwa um den Faktor 3 bzw. etwa 10 dB. Diese Grenzwerte treffen sowohl auf Systeme zu, in denen getaktete Stromversorgungen installiert werden, als auch auf eigenständige Anwendungen wie ein Steckernetzteil.

Gesetze, Verordnungen und Harmonisierung

Das elektromagnetische Spektrum wird vor allem für die Bereiche Rundfunk, Telekommunikation und Datenkommunikation durch bewusste Abstrahlung elektromagnetischer Felder genutzt. Um dieses Spektrum zu schützen und die Kompatibilität elektrischer und elektronischer Systeme zu gewährleisten, haben Regulierungsbehörden Normen erlassen, um leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen in elektronischen Geräten zu regeln.

In den USA hat die FCC (Federal Communications Commission) als Regulierungsbehörde Part 15 erlassen. Dieser besagt, dass jedes Störsignal größer als 10 kHz reguliert wird und die Frequenzbänder dieser Störstrahlung je nach Art der Abstrahlung behandelt werden müssen. Signale, die über die Luft abgestrahlt und gekoppelt werden (Störstrahlung), müssen zwischen 30 MHz und 1 GHz beherrscht werden. Leitungsgebundene Störstrahlung, z.B. HF-Signale, die sich im AC-Versorgungsbus befinden, muss im Frequenzband 0,45 MHz bis 30 MHz behandelt werden.

Die FCC kategorisiert digitale Elektronikgeräte zusätzlich in Klasse A (für kommerzielle, industrielle und geschäftliche Einsatzbereiche) und Klasse B (für den Heimgebrauch). Die Emissionsstandards sind für Geräte der Klasse B strenger, da sie meist in der Nähe anderer elektronischer Geräte im Haushalt betrieben werden.

In Europa ist die CISPR 22 eine der wichtigsten Normen, die von den meisten Mitgliedsländern der EU angenommen wurde. Diese Norm unterscheidet ebenfalls die Geräteklassen A und B und führt für jede Klasse leitungsgebundene Störungen und die Störstrahlung auf. darüber hinaus fordert die CISPR 22 noch eine Zertifizierung über einen breiteren Frequenzbereich von 0,15 MHz bis 30 MHz bei leistungsgebundenen Störungen.

Die FCC- und CISPR-22-Vorschriften sind an sich harmonisiert, und jeder Standard kann mit wenigen Ausnahmen zur Zertifizierung digitaler Elektronikgeräte herangezogen werden. Die Harmonisierung erfordert, dass der gleiche Standard für leistungsgebundene Störungen und für Störstrahlung verwendet wird. Messungen über 1 GHz müssen nach den FCC-Regeln und FCC-Grenzwerten erfolgen, da die CISPR 22 keine speziellen Grenzwerte für Frequenzen über 1 GHz ausweist und leitungsgebundene bzw. abgestrahlte Störungsgrenzwerte in der FCC Part 15 und CISPR 22 sich über den vorgeschriebenen Frequenzbereich nur um wenige Dezibel voneinander unterscheiden. Die FCC-Grenzwerte werden in μV angegeben; die CISPR-Grenzwerte in dBμV. Um einen direkten Vergleich zu ermöglichen, muss also eine Umrechnung der Einheiten bei einer Gruppe an Grenzwerten erfolgen.