LED-Treiber EMV-gerecht auslegen Weniger Filteraufwand

LED-Treiber sind oft Schaltregler die effizient erhöhten EMV-Filteraufwand fordern.
LED-Treiber sind oft Schaltregler die effizient erhöhten EMV-Filteraufwand fordern.

LED-Treiber sind oft Schaltregler: effizient, aber EMV-problematisch. Ein symmetrischer Aufbau der EMV-kritischen Pfade im IC ändert das durch Feldauslöschung.

Eine LED muss mit einer passenden Stromversorgung betrieben werden. Diese Treiberschaltung sollte sinnvollerweise so effizient wie möglich ausgelegt sein. Darum kommen hauptsächlich getaktete Stromversorgungen hierfür zum Einsatz.
Bei Stromversorgungen jeder Art muss die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) berücksichtigt werden. Das gilt in besonderer Weise für LED-Leuchten. Über die Zeit haben sich verschiedene Standards etabliert, um die erzeugten Störungen von LED-Leuchten zu messen, zu bewerten und zu dokumentieren.

Unkontrollierte Störausstrahlung kann sich auf die Funktionsfähigkeit von benachbarten elektronischen Geräten auswirken, angefangen von einer kaum spürbaren Beeinträchtigung bis hin zum Funktionsverlust. Es entspricht auch der persönlichen Erfahrung des Autors, dass der Austausch einer defekten E27-Glühlampe in einem elektrischen Garagentorantrieb durch eine LED-Leuchte der Beleuchtung zwar zuträglich, der Motoransteuerung per Fernbedienung aber abträglich sein kann. Die Fehlerursache ist dabei in der Störstrahlung der LED-Leuchte zu suchen, die sich negativ auf die Funkelektronik auswirkt.

Die Störungen, die von einer getakteten Stromversorgung erzeugt werden, sind zum einen leitungsgebundene Störungen und zum anderen abgestrahlte Störungen. Elektromagnetische Störungen eines LED-Treibers können also leitungsgebunden übertragen werden, aber auch magnetisch oder kapazitiv in benachbarte Schaltungsteile einkoppeln. Diese Störungen sind meistens nicht zerstörerisch, können aber zur Funktionsbeeinträchtigung von Schaltungsteilen führen. Es ist also naheliegend, dass erzeugte Störungen möglichst gering gehalten werden sollen. Aber welche Vorgaben gibt es, an die sich ein Entwickler unbedingt halten muss?

Maßgebende EMV-Richtlinien

Alle elektrischen und elektronischen Produkte innerhalb der Europäischen Union müssen ein CE-Zeichen führen. Es definiert ein Produkt als konform mit den in der EU geltenden Regeln zur Sicherheit, Gesundheit sowie zum Umweltschutz. Erst mit CE-Zeichen darf ein solches Gerät innerhalb des europäischen Wirtschaftsraums in Verkehr gebracht werden. Weltweit gibt es noch weitere maßgebende Vorgaben in Bezug auf elektromagnetische Störungen, beispielsweise UL oder CSA.

Wenn dennoch elektrische Geräte vertrieben werden, welche die Vorgaben nicht einhalten, können finanzielle Strafen verhängt oder die Zerstörung der in Umlauf gebrachten Geräte angeordnet werden. In einigen Ländern droht bei einem extremen Verstoß sogar eine Freiheitsstrafe. Spezifisch für LED-Leuchten gibt es viele Standards, die Sicherheits- und EMV-Aspekte betreffen. Eine wesentliche ist die CISPR 11. CISPR steht für »Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques« oder auch Internationales Sonderkomitee für Funkstörungen, so die offizielle Übersetzung. Es gibt viele andere Regelwerke, die sich auf die CISPR-Standards beziehen. Dazu gehören unter anderem ISO, IEC, FCC, CENELEC und SAE.

Strategien zur Entstörung

Leitungsgebundene Störungen können mit entsprechendem Aufwand gut kontrollierbar durch zusätzliche Filter reduziert werden. Das Ergebnis dieser Entstörmaßnahmen ist in der Regel auch gut voraussagbar. Die Filter sind darauf ausgelegt, um Gleichtakt oder differenzielle Störungen zu unterdrücken. Der Frequenzbereich, der hier üblicherweise eine Rolle spielt, liegt unterhalb von 30 MHz.

Die Dimensionierung bzw. Entwicklung solcher Filter ist allerdings nicht trivial: Filter sind meistens für einen gewissen Frequenzbereich optimiert. In anderen Frequenzbereichen können parasitäre Einflüsse und das dabei veränderte Verhalten der verwendeten Bauteile Probleme verursachen. Beispielsweise kann ein Filter Störungen der getakteten Stromversorgung bei 100 kHz gut dämpfen. Stromversorgungen stören jedoch üblicherweise in einem breiten Frequenzbereich gerade auch oberhalb von 10 MHz. Hier könnte der für 100 kHz optimierte Filter durch parasitäre Effekte und Resonanzen, Störungen sogar noch verstärken.

Abgestrahlten Störungen dagegen lassen sich nicht so vorhersehbar reduzieren. Hier wirken sich der Energiegehalt von parasitären Induktivitäten und Kapazitäten der Leiterbahn sowie passiver Schaltungskomponenten stark auf die Störausstrahlung aus. Der Frequenzbereich liegt üblicherweise oberhalb von 30 MHz bis zu einem oberen Limit, das in den jeweiligen Standards festgeschrieben ist. Solche abgestrahlten Störungen lassen sich nur sehr aufwendig und in begrenztem Umfang reduzieren. Auch ist hierbei einiges an Erfahrung sowie Hintergrundwissen notwendig.

Gerade bei der Stromversorgung von LED-Leuchten können die abgestrahlten Störungen sehr groß werden. Üblicherweise wird eine Kette von LEDs angesteuert. Diese Serienschaltung braucht häufig recht viel Platz auf der Platine. Dadurch hat diese geometrische Anordnung Eigenschaften einer Antenne und erzeugte Störungen werden besonders effektiv abgestrahlt. Das Schirmen von elektrischen Schaltungen ist aufwendig, teuer und im Fall von LEDs teilweise gar nicht möglich, da das gewünschte Licht nicht durch ein Schirmblech kommen würde.

Die Lösung liegt nun darin, den Anteil an abgestrahlter Störung möglichst gering zu halten. Bei dem Entwurf von LED-Leuchten mit Stromversorgung gibt es bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit die folgenden Strategien zur Entstörung:

  • Hinzufügen von Filtern an allen Ein- und Ausgängen der Stromversorgung ohne die konkreten Störungen wirklich zu verstehen. Dadurch ergeben sich üblicherweise hohe Kosten für überdimensionierte Bauteile und höhere Kosten in der Fertigung.
  • Ein bewährtes Filterkonzept wird immer wieder verwendet, ohne den Filter jedes Mal anzupassen. Auch dabei ergeben sich potenziell höhere Bauteilekosten und gegebenenfalls kein optimales Filterdesign.
  • Beauftragen eines Experten für den Filterentwurf. Hierbei muss der externe Experte zur richtigen Zeit auch verfügbar sein. Hier werden ebenfalls zusätzliche Kosten verursacht.
  • Schaltregler-ICs auswählen, die bereits für niedrige Störungen und optimiertes EMV-Verhalten ausgelegt sind. Hierbei ist entweder gar kein oder zumindest nur ein kleinerer Filteraufwand nötig.