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Passive gegen Funkstörspannungen

Netzfilter – die letzte Hürde im Schaltnetzteil

25. September 2018, 14:35 Uhr | Engelbert Hopf

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Entwurf eines Netzfilters

Bild 3 zeigt den schematischen Aufbau eines einfachen Einphasennetzfilters. Für den Aufbau von Netzfiltern bietet Würth Elektronik in verschiedenen Bauformen Netzdrosseln an, wie etwa die WE-CMB Serie. Eine Netzdrossel besteht im Prinzip aus einem MnZn-Ringkern, auf dem zwei Wicklungen geometrisch getrennt und gegensinnig aufgewickelt sind. Bild 4 zeigt den Aufbau der WE-CMB. Diese wirkt wie eine Filterspule, welche dem Strom entgegenwirkt und ihn in seiner Amplitude reduziert. Weil das hier verwendete Schaltnetzteil mit einer sehr geringen Taktfrequenz schaltet, sollte eine Gleichtaktdrossel mit möglichst geringer Eigenresonanzfrequenz (Self Resonance Frequency, SRF) im untersten Frequenzbereich zum Einsatz kommen. Eine geringe SRF bewirkt eine hohe Einfügedämpfung im unteren Frequenzbereich.

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Passend hierzu wurde eine WE-CMB der Bauform XS von 39 mH gewählt. Bild 5 zeigt die Kennlinie ihrer Einfügedämpfung im 50-Ω-System. In der Einfügedämpfung wird stets zwischen der Gleichtakt- (schwarze Linie) und Gegentaktunterdrückung (rote, gestrichelte Linie) unterschieden. Im Gleichtaktbetrieb erreicht die Netzdrossel WE-CMB ihre höchste Einfügedämpfung bei 150 kHz. Jedoch fällt die Einfügedämpfung mit steigender Frequenz. Weil der Netzfilter Störungen bis zu 30 MHz unterdrücken soll, werden im Weiteren X-/Y-Kondensatoren benötigt. Um Gegentaktstörungen von der Netzseite und dem Schaltnetzteil zu blocken, wird sowohl vor als auch nach dem Netzfilter ein X-Kondensator platziert. In Kombination mit dem X-Kondensator bildet die WE-CMB mit ihrer Streuinduktivität einen Tiefpassfilter, der Gegentaktstörungen und folgend die Gleichtaktstörungen reduziert. Exemplarisch wurden hier zwei X-Kondensatoren mit einem Wert von 330 nF gewählt. Ihre SRF liegt bei circa 2 MHz.

Aus Sicherheitsgründen ist auf der Netzseite parallel zum X-Kondensator ein Widerstand zu platzieren, um den Kondensator zu entladen, wenn das Schaltnetzteil vom Netz getrennt wird. Zusätzlich sollte vor dem Netzfilter ein Varistor gesetzt werden, um transiente Überspannungen vom Netz kurzzuschließen. Hierfür eignen sich Scheibenvaristoren aus der Serie WE-VD von Würth Elektronik. Eine Sicherung gegen Überlastung darf auch nicht fehlen. Diese ist stets vor dem Varistor zu platzieren. Im Falle eines Kurzschlusses durch den Varistor löst die Sicherung aus. Zur weiteren Unterdrückung der Gleichtaktstörungen werden Y-Kondensatoren benötigt. Sie bilden in Kombination mit der WE-CMB eine Eckfrequenz f0, die definiert ist durch die Thomsonsche Schwingungsgleichung:

f0 = 1 / (2π √L ∙ C)

Um unter den zulässigen Störpegel von 66 dBµV (bei 150 kHz) zu gelangen, ist eine Einfügedämpfung von 40 dB erforderlich. Dies entspricht zwei Dekaden 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:

CY = 1 / ((2π ∙ fCLK/10)2 ∙ LCMC) = 1 /((2π ∙ 100 kHz/10)2 ∙ 39 mH) = 6,5 nF

Da zwei Y-Kondensatoren notwendig sind, 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 mA bis 3,5 mA zulässig sind, sollte keine Kapazität mit einem Wert größer als 4,7 nF eingesetzt werden. Aus diesem Grund wurden zwei Y-Kondensatoren mit einem E12-Wert von 2,2 nF gewählt. Bild 6 zeigt das Ergebnis der Messung mit diesem Netzfilter.

Mit Filter besteht die Schaltung die EMV-Prüfung der Funkstörspannung. 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.