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Wenn Strom tönt

Geräusche in elektronisch geschalteter Stromversorgung vermeiden

07. Mai 2020, 06:53 Uhr   |  Axel Schütz, Mark Schoppel & Florian Haas; Redaktion: Ute Häußler

Geräusche in elektronisch geschalteter Stromversorgung vermeiden
© Pixsooz | Shutterstock

Strom sollte nicht klingen - und tut es manchmal doch. Wie können Störgeräusche minimiert oder vermieden werden?

Hörbare Geräusche in Stromversorgungen können lästig sein oder unberechtigterweise als Mangel an Qualität oder Sicherheit gelten. Es gibt simple Methoden, die Quellen von Störgeräuschen zu bestimmen und damit unerwünschte Klänge zu minimieren oder ganz zu beseitigen.

Im Auto ist das Motorgeräusch (noch) normal, manche Hersteller haben ganze Forschungsabteilungen für wohlklingende Sound-Erlebnisse. Elektronisch geschaltete Stromversorgungen (Switched-Mode Power Supplies, SMPS) dagegen sollen bestenfalls geräuschlos sein. Brumm- oder Pfeifgeräusche gelten eher als Warnsignal  oder Störung.

Das am häufigsten als Störung empfundene Geräusch typischer AC-Stromversorgungen ist ein niederfrequentes Brummen mit 100 oder 120 Hz. Da die Stromversorgungen sich in ihrer Komplexität und Struktur stetig weiterentwickeln, verändert sich auch der Bereich der von ihnen emittierten Schallwellen. Allerdings sollten die meisten akustisch wahrnehmbaren Geräusche kein Anlass zur Besorgnis sein.

Wahrnehmung und Wirkung von Schallwellen

Menschen können Schallwellen im Frequenzbereich 16 Hz bis zu etwa 20 kHz wahrnehmen (Bild 1). Doch ob ein Schallereignis als Störung oder Irritation empfunden wird, hängt von der Wahrnehmung dieses Schalls im Kontext der akustischen Umgebung ab, in dem er auftritt.

Frequenzen Hören Mensch
© Traco Power

Hörfrequenzbereich des menschlichen Ohres

Eine industrielle Stromversorgungseinheit, die ein hörbares Geräusch erzeugt, stellt wahrscheinlich kein spezifisches Problem für Menschen dar. Denn für die meisten in der Nähe befindlichen Menschen gehört es im Kontext anderer Hintergrundgeräusche zur normalen Wahrnehmung ihrer Arbeitsumgebung. Zudem überdecken meist weitere Umgebungsgeräusche mit ähnlicher Frequenz und Lautstärke, wie die von einer Stromversorgung generierten Frequenzen. Dieser Effekt der Maskierung wurde in der Psychoakustik gründlich untersucht und wird unter anderem bei der Audio-Kompression in MP3-Geräten eingesetzt. Industrielle Stromversorgungen werden außerdem meist in Steuerpanels mit geschlossenen Türen eingebaut, was zur Dämpfung eventuell auftretender und wahrnehmbarer Geräusche beiträgt.

In anderen Arbeitsumgebungen, etwa in Büros, können die Reaktionen auf die Störgeräusche einer Stromversorgung wesentlich stärker ausfallen. Pfeif- oder Brummgeräusche aus einem elektrischen Gerät werden dort eher als unangenehm empfunden und können Sicherheitsbedenken auslösen.

Wie entstehen die Geräusche?

Magnetische Felder
Wenn sich ein stromführender Leiter innerhalb eines magnetischen Feldes befindet, ist er generell einer auf ihn wirkenden Kraft ausgesetzt. Diese Krafteinwirkung ist am größten, wenn der Strom und das Magnetfeld unter einem Winkel von 90 Grad verlaufen. In diesem Fall agiert die einwirkende Kraft vertikal zum Stromfluss und der Richtung des magnetischen Feldes. Dabei gilt die Fleming‘sche Dreifinger-Regel der rechten Hand zur Bestimmung der Richtung dieser Krafteinwirkung (Bild 2).

Dreifinger-Regel
© Traco Power

Dreifinger-Regel der rechten/linken Hand.

Bei Transformatoren und manchen Induktoren kann deren Eisenkern auch einem als Magnetostriktion bekannten Effekt unterliegen. Er wurde 1842 erstmals von James Joule beobachtet. Die Magnetostriktion bewirkt, dass ferromagnetische Materialien ihre Form oder Abmessung ändern, wenn sie durch einen Stromfluss im Leiterpfad einer Komponente magnetisiert werden. Neben dem Effekt einer geringfügigen, durch die Reibung bedingten Aufheizung, erzeugen diese Änderungen im Volumen des Materials auch wahrnehmbare Geräusche.

Transformatoren bestehen oft aus Siliziumstahl (Fe-Si-Stahl). Mit einem unterschiedlichem Gehalt an Silizium kann der spezifische Widerstand des Eisens erhöht werden. Ein Stahl mit einem Siliziumgehalt von 6 % bietet die optimale Zusammensetzung zur Reduktion der Magnetostriktion. Dieser Stahl erzeugt also am wenigsten Geräusche, allerdings wird er auch eher spröde.

Der Piezo-Effekt
Ein weiterer Auslöser von Störgeräuschen ist der Piezo-Effekt. ‚Piezo‘ leitet sich aus dem griechischen Wort für Druck ab. Um 1880 entdeckten Jacques und Pierre Curie, dass bei der Druckbelastung von Kristallen, etwa von Quarz, eine elektrische Ladung entsteht. Sie nannten dieses Phänomen ‚Piezo-Effekt‘. Später bemerkten sie, dass elektrische Felder piezoelek­trische Materialien verformen können. Diese Erscheinung ist als ‚umgekehrter Piezo-Effekt‘ bekannt (Bild 3).

Piezo Effekt
© Traco Power

Piezo-Effekt am Beispiel von Materialien wie Quarz.

Der umgekehrte piezoelektrische Effekt bewirkt eine Längenänderung in diesen Materialien, wenn eine elektrische Spannung anliegt. Diese Aktuator-Wirkung wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um.

Spannungsänderungen verändern außerdem auch die geometrische Masse keramischer Kondensatoren, wobei sie als winzige Lautsprecher agieren, die Druckwellen an ihre Umgebung abgeben.

Topologie von Schaltnetzteilen und Feedback

Leistungswandler bedeutet, dass geschaltete Topologien heute sogar in die einfachsten Stromversorgungsprodukte integriert werden. Die primäre Schaltfrequenz in solchen Designs wird meist oberhalb der Grenze des menschlichen Hörvermögens (>20 kHz) angesetzt. Allerdings kann in Lösungen für Schaltnetzteile, die auf der Änderung ihrer Schaltfrequenz beruhen, um sie an variable Lasten und Eingangsspannungen anzupassen, dieser Frequenzbereich auch bis in den hörbaren Bereich hinein abfallen, um optimale Wandlereffizienzen zu gewährleisten.

In Lösungen mit fester Frequenz können funktionale Eigenschaften wie das Überspringen von Zyklen oder Burst-Mode-Betrieb in einem Schaltverhalten resultieren, das in den hörbaren Bereich hineinreicht, obwohl die Schaltfrequenz selbst oberhalb 20 kHz liegt.

Falls die betreffende Lösung reguläre Schaltimpulse aufweist, die durch ir­reguläre Perioden mit zwei oder mehr übersprungenen Impulsen unterbrochen werden, kann dies auf Probleme in deren Feedback-Schleife hindeuten (Bild 4). Hier ist es angebracht, die Komponenten der Feedbackschaltung, sowie den korrekten Arbeitsbereich eventuell eingesetzter Optokoppler zu untersuchen und zu verifizieren.

Feedback-Schaltung
© Traco Power

Probleme in der Feedback-Schaltung können in Designs mit fester Schaltfrequenz irreguläre Perioden ohne Schaltimpulse bewirken (untere Kurve).

Erkennung und Beseitigung von Störgeräuschen

Da geschaltete Stromversorgungen (SMPS) beim Übergang zu immer höheren Leistungsdichten ständig kompakter werden, kann es schwierig  zu bestimmen sein, welche Komponente die Quelle einer akustischen Störung ist. Unter der Annahme, dass das Design aus elektrischer Sicht einwandfrei arbeitet, besteht eine gut geeignete Vorgehensweise darin, im laufenden Betrieb mit einem nicht leitenden Gegenstand leichten Druck auf die einzelnen Komponenten der Leiterplatte auszuüben, etwa einem feinen Holzstab. Eine Veränderung oder Verringerung des Störgeräusches, speziell beim Abtasten von Komponenten, kann ein guter Startpunkt der Untersuchung sein. Primäre Kandidaten sind etwa keramische oder magnetische Bauelemente.

Für den Fall, dass kein sicherer nichtleitender Gegenstand zur Hand ist, ist es eine gute Alternative, ein provisorisches Hörrohr aus einem Blatt Papier zu formen. Zu einem Konus zusammengerollt kann dessen Ende mit der kleinen Öffnung auf die verdächtigen Komponenten ausrichtet werden, um die Quelle des Störgeräusches zu ermitteln.
Keramische Kondensatoren, die einem großen dv/dt-Hub ausgesetzt sind, erweisen sich oft als akustisch aktive Störquellen. Sie sind meist in Klemm- und Snubber-Schaltungen zu finden, und daneben auch in den Ausgangsstufen. Um sie als Störquelle zu identifizieren oder auszuschließen, können versuchsweise Kondensatoren mit alternativem Dielektrikum, wie Metallfilm-Ausführungen, getestet werden. Ebenfalls möglich ist einen Erhöhung des Serienwiderstandes (Bild 5).

Snubber Kondensator Strom
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Der Kondensator in der Snubber-Schaltung lässt sich gegen eine Metallfilm-Ausführung austauschen. Oder man erwägt den Einsatz eines größeren Widerstandes.

Sollte sich dabei das hörbare Geräusch verringern, kann man eine permanente Änderung der Komponente in Betracht ziehen. Weiter kann sich die Änderung von Klemmschaltungen mit Einsatz von Zenerdioden als hilfreich erweisen.

Problematische Kondensatoren in den Ausgangsstufen können gegen solche mit unterschiedlichem Dielektrikum ausgetauscht werden oder durch pa­rallele keramische Kondensatoren mit äquivalentem Wert ersetzt werden, falls die Platzbedingungen dies erlauben.

Wenn magnetische Komponenten die Quelle des Störgeräusches sind, sollte zunächst sichergestellt sein, dass die Eingangsspannung und die anliegende Last stets innerhalb des spezifizierten Bereichs liegen. Die Erhöhung der Kapazität auf der Eingangsseite kann helfen, wenn die Eingangsspannung zuweilen zu stark abfällt. Tauchgrundierung von Transformatoren, sowie tauchlackierte und vergossene Induktoren sind eine gute Methode zur Reduzierung von Störgeräuschen. Auch tendieren Transformatoren mit langen Kernen häufiger zu hörbaren Resonanzen als solche mit kurzen Kernen. Wenn möglich, sollte der Einsatz eines alternativen kürzeren Kerns erwogen werden, der noch die geforderte Anzahl an Windungen aufnehmen kann.

Falls es keine praktikablen Alternativen gibt, kann es notwendig werden, den Zusatz von Klebstoffen, Epoxid oder gummierten Adhäsiven zu den vibrierenden Komponenten in Betracht zu ziehen. Oder, falls möglich, das gesamte Design in eine Vergussmasse einzubetten. Die beschriebenen möglichen Vorgehensweisen machen allerdings auch eine erneute Design-Verifizierung und wiederholte Produktionstests sehr wahrscheinlich.

Keine Sorge um Sicherheit oder Funktion

Sowohl die Krafteinwirkung auf stromführende Leiter in magnetischen Feldern, als auch der umgekehrte Piezo-Effekt in Kondensatoren sind primäre Auslöser für die Emission hörbarer Störgeräusche in Stromversorgungseinheiten. Und trotz aller Fortschritte bei den Simulationsverfahren tritt das hörbare Störgeräusch meist erst dann in Erscheinung, nachdem ein Design physisch erstellt wurde - manchmal sogar erst dann, wenn eine Charge von Stromversorgungen für die Vorproduktion vorbereitet wird.

Obwohl das Auftreten akustischer Störgeräusche in Stromversorgungen meist kein Anlass zur Besorgnis in Bezug auf mangelnde Sicherheit oder Funktionalität ist, kann es doch lästig sein und von Anwendern sogar als Qualitätsproblem eingestuft werden. Wenn man einige der hier unterbreiteten simplen Tipps beherzigt, lassen sich die als Störquellen agierenden Komponenten schnell bestimmen und mit den vorgeschlagenen Methoden ersetzen, fixieren oder abändern, um die auftretenden Störgeräusche zu minimieren oder ganz zu beseitigen.

Die Autoren

Axel Schütz Traco
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Axel Schütz

Axel Schütz
arbeitet seit über 20 Jahren bei Traco Electronics in München als Sales Engineer für den Bereich DC-DC-Wandler, Stromversorgungen und Sensoren. Er hat einen Abschluss als Elektroingenieur für Energiemanagement der Universität Paderborn.

Mark Schoppel Traco
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Mark Schoppel

Mark Schoppel
ist Spezialist für kundenspezifische Stromversorgungen bei der Traco Power Group. Er hat über zehn Jahre Berufserfahrung in der Leistungselektronik und Netzgeräteentwicklung. Seinen Abschluss als Diplom-Ingenieur (FH) erlangte er an der HTW Dresden.

Traco Power Florian Haas
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Florian Haas

Florian Haas
ist Marketingleiter der Traco Power Group. Seit über zehn Jahren hilft er, die Anforderungen von Ingenieuren und Produktentwicklern zu kommunizieren. Haas besitzt zwei Abschlüsse der Schweizer Universität Luzern – einen in BWL und einen in IT.

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