Elektromagnetische Verträglichkeit

Entstören mit Kondensatoren und Spulen

27. April 2017, 11:00 Uhr | Ralf Higgelke

Elektromagnetische Störungen können zu Unannehmlichkeiten führen wie abgebrochene WLAN-Verbindungen oder Handy-Telefonate, aber auch zu Störungen wichtiger Dienste oder sogar zu schwere Verletzungen und Todesfällen, wenn sicherheitskritische Systeme versagen. Eine Einführung.

von Derick Stevens, European FAE Manager, Kemet

Verordnungen wie die kürzlich aktualisierte EMV-Richtlinie 2014/30/EU bilden einen Rahmen, um die gewünschte Koexistenz unterschiedlicher Geräte und Einrichtungen zu gewährleisten. Neue Produkte sind entsprechend der EMV-Richtlinie zu testen, bevor sie in einem Land der Europäischen Union vermarktet werden dürfen. Produkte, die in gewerblicher, industrieller oder geschäftlicher Umgebung zum Einsatz kommen, werden als Klasse A eingestuft, Produkte im häuslichen Bereich als Klasse B (in der Regel strengere Werte).

Elektromagnetische Störungen (EMI, Electro-Magnetic Interference) mit Frequenzen bis etwa 30 MHz neigen dazu, über Kabel und Strompfade geleitet oder über induktive/kapazitive Mechanismen zwischen Kabeln eingekoppelt zu werden. Störsignale über 30 MHz werden hingegen von metallischen Teilen, Komponenten oder Kabeln, die als Antennen wirken, abgestrahlt. Bild 1 beziffert die allgemein anerkannten Frequenzbereiche für leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen. Entwickler wollen diese Störungen auf verschiedene Art und Weise unterdrücken (dämpfen) und Kompatibilität herstellen.

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Abgestrahlte Störungen

Eine Schirmung verhindert, dass ausgestrahlte Störsignale in ein Gehäuse eindringen oder dieses verlassen. Entwickler können verschiedene Schirmmechanismen einsetzen, z. B. auf der Platine montierte Schirmungen (Schilde), die kundenspezifisch ausgelegt sein können, um eine bestimmte Störquelle oder eine Gruppe von Bauelementen zu schirmen. Ein metallisches Gehäuse oder Chassis eignet sich als Gesamtschirmung, ein Kunststoffgehäuse kann mit einem metallischen Überzug versehen werden. Dieser bewirkt eine kontinuierlich leitende Oberfläche, welche die Schirmung unterstützt. Öffnungen wie Aussparungen für Bildschirme oder Nahtstellen, an denen Gehäusehälften aufeinandertreffen, stellen Diskontinuitäten in der Schirmung dar, durch die elektromagnetische Störungen eindringen oder austreten können. Entwickler sollten Größe und Anzahl solcher Löcher und Nahtstellen in ihren Designs so gering wie möglich halten. Um Leckstellen an den Verbindungsstellen zwischen getrennten Gehäuseteilen abzudichten, eignen sich leitfähige Dichtungen oder Federfinger.

Werden EMV-Probleme erst später im Laufe eines Projekts festgestellt, wurde aus Kostengründen ein nichtmetallisches Gehäuse gewählt oder erweisen sich ausgewählte Schirmansätze als unpraktisch, ist ein schnelles und bequemes Mittel zur Absorption abgestrahlter Störungen erforderlich. »Flex Suppressor« von Kemet ist eine flexible Polymerschicht mit mikromagnetischen Folien, die HF-Störungen unterdrückt. Das Material steht in Schichtform oder als vorgeschnittene Teile zur Verfügung, es lässt sich befestigen, aufwickeln, in Zwischenräume einbringen oder anderweitig positionieren, um ein Austreten von Strahlung oder eine Störung empfindlicher Schaltkreise zu vermeiden. Flex Suppressor kann innerhalb von Gehäusen, zwischen Leiterplatten, um Kabel oder Flachbandstecker verwendet oder an den Rändern unvermeidbarer Öffnungen angebracht werden, um die Auswirkungen auftretender Störungen so weit wie möglich zu verringern.

Das flexible Entstörungsmaterial weist eine Dicke von 25 µm bis 1 mm auf und bietet eine relative Permeabilität µ_r, die bei 3 MHz von 20 bis 130 reicht. Sowohl die Permeabilität als auch die Dicke dieser Schicht beeinflusst die Fähigkeit, abgestrahlte Energie zu absorbieren, die in geringe Wärmemengen umgewandelt wird. Diese Wärme wird einfach an die Umgebung abgeführt, ohne dass sich dabei die Temperatur merklich erhöht. Der Permeabilitätsbereich und die vorhandenen Dicken ermöglichen den Gebrauch des Materials bei abgestrahlten Frequenzen von 10 MHz bis 10 GHz.

Leitungsgebundene Störungen

Störungen auf Stromleitungen und Rauschen, das von Schaltnetzteilen verursacht wird, sind Hauptquellen für leitungsgebundene EMV-Störungen. Wechselstromleitungen stellen den wichtigsten Kanal dar, über den leitungsgebundene elektromagnetische Störungen in Geräte eindringen oder austreten. Durch die Phasen- und Neutralleiter können Rauschströme gleichzeitig in die gleiche Richtung fließen (Gleichtaktrauschen). Andererseits bezieht sich das Gegentaktrauschen (Differenzmodus) auf Ströme, die in entgegengesetzte Richtung im Leiter fließen.

Bild 2 zeigt Filter zur Bedämpfung des Gleich- und Gegentaktrauschens. Gemeinsam bilden der X-Kondensator, die Y-Kondensatoren und die Gleichtaktdrossel in Bild 2 ein Netzfilter, das sich am netzseitigen Wechselstromeingang von Geräten befindet. Y-Kondensatoren werden zwischen jeder Leitung und Masse (Erde) des Geräts angeschlossen. Sie verringern das Gleichtaktrauschen. Ein Ausfall kann jedoch zu einem Kurzschluss zwischen Netz und Erde führen, was die Gefahr eines elektrischen Schlags erhöht. Zusammen mit einer Gleichtaktdrossel sind X-Kondensatoren normalerweise parallel zum Netz angeschlossen, um Differenzrauschen zu verringern. Bei einem Ausfall dieser Bauteile besteht Brandgefahr.

Die X- und Y-Kondensatoren sind speziell für den Einsatz in netzbetriebenen Geräten konzipiert. Neben der Filterung von Störungen, die von außen in das Gerät gelangen, verhindern sie auch, dass intern erzeugte elektromagnetische Störungen zurück in das Netz gespeist werden und so die Qualität der Stromzufuhr für andere Nutzer beeinträchtigen.

Die Gleichtaktdrossel (Entstördrossel) besteht aus zwei Spulen, die um einen einzelnen Kern gewickelt sind. Gleichtaktströme, die in der gleichen Richtung durch jede Spule fließen, erzeugen einen elektromagnetischen Fluss, der die Wirkung der Drossel gegen den Stromfluss verstärkt. Umgekehrt wird der Fluss neutralisiert, der durch Gegentaktströme in entgegengesetzter Richtung entsteht. Gegentaktströme werden also durchgelassen, nur Gleichtaktströme werden gefiltert.