Design-in von Netzteilen

Böse Überraschungen bei der EMV-Messung vermeiden

22. September 2022, 10:00 Uhr | Denny Vogel, Systemtechnik Leber
Systemtechnik Leber, Daitron, Power Supplies
© Systemtechnik Leber

Im Produktentwicklungsprozess steht die EMV oft erst spät auf der Agenda – mitunter sogar erst, wenn das Produkt bei der ersten EMV-Prüfung durchgefallen ist. Entwickler dagegen, die dies frühzeitig auf dem Radar haben und Störungen stetig minimieren, können die Time-to-Market deutlich reduzieren.

Wer elektronische Geräte oder Systeme auf den europäischen Markt bringen will, muss sicherstellen, dass diese bestimmte rechtliche Vorgaben und Normen erfüllen. Nur dann darf er als Hersteller eine Konformitätserklärung ausstellen und eine CE-Kennzeichnung vornehmen. Dabei gilt es zu beachten, dass für unterschiedliche Einsatzarten eines Gerätes sogar voneinander abweichende Normen gelten können. So unterscheiden sich beispielsweise OEM-Normtests im Automotive-Bereich wesentlich von denen, die beispielsweise für medizinische Geräte gelten.

Ein wesentlicher Bestandteil der Konformitätserklärung ist – neben sicherheitstechnischen Aspekten wie beispielsweise Potenzialtrennung, ESD-Festigkeit und Ableitstrom – die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Es gilt sicherzustellen, dass das neu entwickelte Produkt die produktspezifischen EMV-Normen einhält. Schwarz auf weiß belegt wird dies durch die EMV-Prüfung, deren Schwerpunkt auf der Störaussendung liegt und von unabhängigen Prüf- und Testlaboren durchgeführt wird.

Häufig erleben Produktentwickler bei diesen EMV-Messungen dann eine böse Überraschung. Grund hierfür sind sowohl verschärfte EMV-Grenzwerte bei einigen Produktgruppen sowie die Tatsache, dass Messungen der gestrahlten Störungen erst am fertig entwickelten Gesamtgerät durchgeführt werden können.

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Netzteile häufig für Störungen verantwortlich

Eine wesentliche Störquelle im Gesamtsystem sind primär getaktete Netzteile, die aufgrund ihrer hohen Taktfrequenz und steiler Schaltflanken hochfrequente elektromagnetische Störungen aussenden – leitungsgebundene und abgestrahlte. Daher ist die Auswahl eines geeigneten Netzteils bei der Entwicklung elektronischer Geräte besonders wichtig. 

Hinzu kommt: Selbst, wenn das ausgewählte Netzteil auf dem Papier alle normativen Forderungen erfüllt, ist nicht gewährleistet, dass dies auch für das neu entwickelte Gesamtsystem zutrifft. Denn die Messanordnungen, die bei der Zulassung eines Netzteils vorgegeben sind, entsprechen aber häufig nicht den Einsatzbedingungen in der Applikation.

Zudem bestehen elektronische Geräte meist aus einer Vielzahl von Schaltungsdetails, Komponenten und Baugruppen, die ihrerseits hochfrequente Störungen erzeugen können. Ein Paradebeispiel dafür sind die häufig eingesetzten DC-DC-Wandler, mit denen verschiedene Gleichspannungen generiert werden, oder Transistorschaltungen mit steilen Schaltflanken. Diese Störungen können sich mit denen des Netzteils summieren. Die Folge: Das neu entwickelte Gerät überschreitet die geforderten EMV-Grenzwerte, besteht die EMV-Prüfung nicht, und es muss nachgearbeitet werden.

Leider lassen sich EMV-Messungen in der Regel erst gegen Ende des Entwicklungszyklus durchführen. Während leitungsgebundene Störungen häufig entwicklungsbegleitend durchgeführt werden können, muss man bei abgestrahlten Störungen meist Firmen auf das Equipment und die Expertise von Prüflaboren zugreifen. Der damit verbundene Aufwand in Zeit und Kosten wird jedoch häufig unterschätzt. So sind Prüfkosten in Höhe von mehreren tausend Euro sowie Wartezeiten für einen Termin in einer EMV-Messhalle eines akkreditierten Labors vier bis acht Wochen keine Seltenheit.

Und liefern die durchgeführten Messungen nicht das gewünschte Ergebnis, sodass weitere Designzyklen und Messungen nötig werden, ziehen bis zur endgültigen, erfolgreichen Prüfung oftmals weitere Monate ins Land – das Produkt kann folglich erst deutlich später als geplant in den Verkauf kommen. Bei der Entwicklung von elektronischen Geräten ist deshalb die Auswahl eines geeigneten Netzteils essenziell.

Weniger Entstöraufwand durch störungsarme Netzteile

Gibt es Alternativen zu den häufig störenden, primär getakteten Netzteilen? Gibt es! Doch auf diese wird derzeit noch in vielen Fällen aus Budgetgründen verzichten, da diese teurer sind als Standardnetzteile asiatischer Großserienhersteller. Dass sich dies hinten heraus durch viele eingesparte Arbeitsstunden für die Entstörung und mehrfaches Beauftragen eines EMV-Testlabors oft gleich mehrfach rechnet, wird beim Design-in nur selten gesehen.

Die Rede ist von störungsarmen Netzteilen. Der Vorteil: Während Standardnetzteile aus Kostengründen meist nur so entstört werden, dass der Störpegel nur geringfügig unterhalb der zulässigen Grenzwerte liegt, und damit weiterhin Störungsgefahr besteht, liegt bei der Entwicklung störungsarmer Netzteile der Fokus auf möglichst geringen Störungen sowohl bei der Netzrückwirkung als auch auf der DC-Ausgangsseite und den abgestrahlten Emissionen. Das Herzstück der Netzteile ist der Übertrager. Ein Beispiel dafür sind die Ultra-Low-Noise-Netzteile des japanischen Herstellers Daitron, die konsequent auf Störarmut hin entwickelt werden.

Sieht man sich diese Netzteile genauer an, fällt sofort auf, dass sie mit deutlich weniger Entstörkomponenten – beispielsweise Kondensatoren oder Induktivitäten – auskommen als industrielle Primärschaltregler. Den Unterschied macht der HF-Übertrager. So arbeiten die Daitron-Netzteile im sanft schaltenden Resonanzbetrieb. Durch die flacheren Schaltflanken entstehen deutlich weniger Störungen als beim harten Schalten mit steilen Flanken. Um Störungen zu minimieren, schalten die Netzteile synchron zu den Nulldurchgängen mit einer minimalen Überlappung von Spannung und Strom. In Kauf genommen wird dabei, dass lediglich Wirkungsgrade zwischen 82 und 90 Prozent erreicht werden, je nach Ausgangsspannung. Bei industriellen Netzteilen liegt dieser Wert teilweise wesentlich höher.

Systemtechnik Leber, Daitron, Power Supplies
Bild 1: Sowohl die leitungsgebundenen (links) als auch die abgestrahlten Störungen (rechts) bleiben bei den Ultra-Low-Noise-Netzteilen von Daitron deutlich unter den Grenzwerten der EN 55022 Klasse B.
© Systemtechnik Leber

Sowohl die leitungsgebundenen als auch die abgestrahlten Störungen liegen weit unterhalb der zulässigen Grenzwerte beispielsweise der EN 55022 Klasse B (Bild 1). Gleiches gilt für den Ableitstrom, der unter 0,15 mA liegt – besonders wichtig für den Einsatz in medizinischen Anwendungen. Den wichtigsten Unterschied zum industriellen Netzteil machen jedoch die extrem geringen Störungen der DC-Ausgangsspannung aus, die bei unter 10 mV Spitze zu Spitze liegen, während sich dieser Wert beim industriellen Netzteil in der Größenordnung von 100 bis 200 mV Spitze zu Spitze bewegt (Bild 2).

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Bild 2: Ausgangsspannung bei einem Standardnetzteil (links) und einem Ultra-Low-Noise-Netzteil von Daitron (rechts)
© Systemtechnik Leber

Anwendungsbereiche

Daitron bietet seine Ultra-Low-Noise-Netzteile mit 50, 150 und 300 W Leistung und Ausgangsspannungen von 5 bis 48 V an. Alle Geräte sind konvektionsgekühlt bei einem Betriebstemperaturbereich von –10 bis +60 °C. Alle sind sowohl nach EN 60950-1 als auch nach EN60601-1-2 zugelassen.

Vor allem Systeme, die grundsätzlich sehr strenge Normen zu erfüllen haben, profitieren von solchen störungsarmen Netzteilen. Darunter fällt zum Beispiel in der Medizintechnik bildgebende Systeme wie Röntgen- und Ultraschallgeräte oder Computertomographie. Aber es gibt auch andere Bereiche:

  • Sensoren einer Messeinrichtung: Das Messsignal muss für die Auswertung verstärkt werden. Die Störungen der Spannungsversorgung werden mitverstärkt und müssen – teilweise aufwendig – herausgefiltert werden.
  • Systemkomponenten sitzen weit entfernt von Netzteilen und Messeinrichtungen. Dies bedeutet, dass Versorgungsleitungen und Datenkabel über eine gemeinsame Strecke geführt werden. Hierbei kann es zu Übersprechen kommen, also Störungen von der Versorgungsleitung in die Messleitung einkoppeln.
  • Bei bildgebenden Systemen in der Röntgentechnik kommen Flachbilddetektoren zum Einsatz, die eine äußerst störungsfreie Versorgungsspannung benötigen, damit die Aufnahmen nicht durch Störungen verrauscht werden.

Konkrete Praxisbeispiele

Die Ingenieure bei Systemtechnik Leber haben jahrelange Erfahrungen mit dem Einsatz von störungsarmen Schaltnetzteilen gesammelt und stehen Kunden beratend zur Seite. Dies umfasst sowohl die Auswahl des auf den Anwendungsfall optimal zugeschnittenen Netzteils als auch bei dessen Integration ins Kundensystem.

Ein Beispiel ist ein Hersteller von Geräten zur Atmosphärenmessung, die weltweit Verwendung an Raketenabschussbasen finden. Außerdem lassen sich mit dieser Messmethode Spurengase und Emissionsmengen – beispielsweise aus Schornsteinen – bestimmen. Dazu senden diese LiDAR-Systeme (Light Detection And Ranging) Laserimpulse aus und detektieren das aus der Atmosphäre zurückgestreute Licht. Aus der Lichtlaufzeit des Signals wird die Entfernung zum Ort der Streuung berechnet. Wolken und Staubpartikel in der Luft streuen das Laserlicht, sodass sich Wolken und Aerosolschichten hochauflösend und präzise detektieren und die Entfernung messen lässt.

Ein weiterer Anwendungsfall für den Einsatz von Ultra-Low-Noise-Netzteilen sind Femtosekundenlaser – Grundelemente im umfangreichen Bereich der Photonik. Eine weitere Anwendung finden diese Laser im Bereich der Messtechnik. Durch die kurze Impulsdauer können entsprechend schnelle Ereignisse – beispielsweise in der Photochemie – untersucht werden. In der Medizintechnik werden diese Systeme in der Augenheilkunde, der Zahnmedizin und in der Krebstherapie eingesetzt. Mit diesen Instrumenten können Ärzte wie mit einem Präzisionsskalpell kleinste Gewebe- oder Materialmengen ohne nennenswerte Wärmeentwicklung präzise und rückstandsfrei abtragen.

Und auch digitale Lock-in-Verstärker, die in der Quanten- und Nanoelektronik, der Tieftemperaturphysik, bei seismischen Messungen oder bei Rastertunnelmikroskopen zum Einsatz kommen, funktionieren besser mit einem störungsarmen Netzteilen. Sie kommen bei Messungen im mittleren und niedrigen Frequenzbereich von 500 kHz bis ca. 5 MHz  zum Einsatz. Die Verstärker verwenden dabei den Effekt der Zeitabhängigkeit eines Signals, um dieses aus einem verrauschten Hintergrundspektrum zu extrahieren. Durch diese Demodulation lässt sich das Signal mit der interessierenden Frequenz von allen anderen Frequenzkomponenten separieren.

In allen drei Anwendungsfällen würden durch herkömmliche Netzteile verursachte hochfrequente Störungen die Messergebnisse verfälschen.

Fazit

Mithilfe von Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteilen können Ingenieure bei der Entwicklung eines Gerätes oder eines komplexen Systems die EMV-Normen leichter erfüllen. Zwar sind diese Netzteile hochpreisiger als Standardnetzteile asiatischer Großserienhersteller. Doch können sich die Mehrkosten durch eine schnellere Time-to-Market und deutlich weniger zeitlicher und monetärer Aufwand für Redesign und erneutes Testen relativieren.


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