Komponenten des EMI-Filters: Was sie sind und wie sie funktionieren

Blockdiagramm des Netzteils

In Ihrem Projekt ist der Zeitpunkt gekommen, an dem Sie die internen AC/DC- und DC/DC-Netzteile auswählen müssen. Beim letzten Projekt haben Sie Netzteile mit internen EMI- und EMV-Komponenten ausgewählt, aber bei diesem Projekt benötigen die Netzteile, die Sie sich ansehen, externe EMI- und EMV-Komponenten. In dieser Erörterung helfen wir Ihnen zu verstehen, warum die verschiedenen Komponenten benötigt werden und wie sie ausgewählt werden sollten. Wir werden hier nicht auf die Details von EMI und EMV eingehen. Die grundlegenden Konzepte lauten: „Anderen Systemen keinen Schaden zufügen“ und „In Gegenwart von äußeren elektrischen Störungen ordnungsgemäß funktionieren“. Eine ausführlichere Erläuterung von EMI und EMV finden Sie auf dieser Webseite: Worin besteht der Unterschied zwischen EMI und EMV bei Netzteilen?

Das Blockdiagramm eines Netzteils in Abbildung 1 wurde in einem früheren Webartikel (Die Funktionsweise von Schaltnetzteilen, Block für Block) vorgestellt und besprochen und wird als Grundlage für diese Diskussion verwendet.

In der obigen Abbildung ist der EMI-/EMV-Filter als Block am Eingang des Netzteils dargestellt. In der Praxis werden, wie in Abbildung 2 unten dargestellt, einige der EMI-/EMV-Filterkomponenten am Eingang des Netzteils, einige am Ausgang des Netzteils und einige zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Netzteils platziert.

Die EMI-/EMV-Komponenten können für die folgenden Funktionen eingesetzt werden:

• Minimierung des abgestrahlten und leitungsgebundenen Rauschens am Eingang oder Ausgang des Netzteils
• Minimierung der Auswirkungen von Spannungstransienten, die am Eingang oder Ausgang des Netzteils anliegen
• Minimierung des Eingangsstoßstroms beim ersten Anlegen der Spannung am Eingang des Netzteils
• Schutz der Eingangsstromquelle und der Leitungen bei einem Ausfall der Stromversorgung

Komponenten für den Stromkreisschutz

Sicherung

Die Sicherung dient zum Schutz der Stromquelle und der in die Stromversorgung einspeisenden Leiter und ist in Reihe mit dem Eingang der Stromversorgung geschaltet. Aus Schutzgründen sollten sich zwischen der Sicherung und den Leitern der vorgeschalteten Stromquelle keine Komponenten befinden. Die Sicherung sollte in Reihe mit der nicht geerdeten Eingangsklemme geschaltet werden, so dass beim Öffnen der Sicherung keine Spannung an der Stromversorgung anliegt. Wenn die richtig bemessene Sicherung durch einen zu hohen Eingangsstrom in das nachgeschaltete Netzteil geöffnet wurde, sollte nicht nur die Sicherung ersetzt werden, sondern das nachgeschaltete Netzteil ist beschädigt und sollte repariert oder ersetzt werden. Die Sicherung sollte basierend auf Spannung, Strom, Ansprechzeit und Betriebstemperatur der Anwendung ausgewählt werden. Es gibt auch eine Reihe von Gehäuseoptionen, wie die in Abbildung 3 gezeigten, die zur weiteren Optimierung des Designs beitragen können.

Metalloxidvaristor (MOV)

Der Metalloxidvaristor (MOV) befindet sich zwischen den Eingangsklemmen und dient dazu, Spannungsspitzen zu absorbieren, die von der Eingangsspannungsquelle stammen können. Bei einem AC/DC-Netzteil sind die Wechselstromleitungen die Eingangsspannungsquelle, und der MOV kann erforderlich sein, um transiente Energie von Blitzeinschlägen oder anderen Schäden am Wechselstromnetz zu absorbieren. Eine MOV-Komponente ist im Normalbetrieb hochohmig und wird niederohmig, wenn die Nennspannung überschritten wird, wie es bei einer transienten Eingangsspannung der Fall wäre. Zwischen dem MOV und der Eingangsstromquelle sollte immer eine Eingangssicherung eingesetzt werden. Die Sicherung kann ausgelöst werden, wenn der MOV aufgrund einer transienten Eingangsspannung niederohmig wird. Der MOV sollte auf der Grundlage der Betriebsspannung und der transienten Energie, die an die Stromversorgung angelegt werden kann, ausgewählt werden. Alternative Schutzkomponenten zu einem MOV könnten eine Zener-Diode, eine TVS-Diode (Transient Voltage Suppression) oder eine GDT-Diode (Gasentladungsröhre) sein.

Eingangsstoßstrom-Begrenzungswiderstand

Der Widerstand mit der Bezeichnung R1 im Diagramm der EMI-/EMV-Komponenten gilt für AC/DC-Netzteile und dient zur Begrenzung des Eingangsstoßstroms, wenn die Wechselspannung erstmals an das Netzteil angelegt wird. Der Eingangsstoßstrom ist auf das anfängliche schnelle Aufladen des Großkondensators zurückzuführen, wenn die Eingangsspannung zum ersten Mal angelegt wird. Ohne einen Strombegrenzungswiderstand kann der Eingangsstoßstrom bis zu 100-mal höher sein als der normale Betriebsstrom. Ein höherer Wert des Strombegrenzungswiderstands reduziert den Eingangsstoßstrom, kann aber zu inakzeptablen Leistungsverlusten im Normalbetrieb führen. Bei der Auswahl der Konstruktion des Eingangsstoßstromwiderstands ist Vorsicht geboten. Der Widerstand muss in der Lage sein, den hohen Energiestoß zu tolerieren, wenn der Eingangsstoßstrom fließt. Drahtgewickelte Widerstände sind oft eine gute Wahl für den Eingangsstoßstrom-Begrenzungswiderstand. Filmwiderstände sind in der Regel nicht geeignet, um die hohe Eingangsstoßenergie zu verarbeiten.

Bei einigen Ausführungen wird ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (Negative Temperature Coefficient, NTC) für den Eingangsstoßstrom-Begrenzungswiderstand verwendet. Der NTC-Widerstand hat einen hohen Widerstandswert, wenn er kalt ist, und begrenzt effektiv den Eingangsstoßstrom. Wenn sich der NTC-Widerstand aufgrund des fließenden Eingangsstroms erwärmt, sinkt der Wert des Widerstands und somit auch die damit verbundene Verlustleistung des Widerstands. Der NTC-Widerstand sollte ausreichend Zeit (zehn Sekunden) haben, um sich abzukühlen und zu einem hohen Impedanzwert zurückzukehren, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird und bevor die Eingangsleistung wieder angelegt wird. Viele DC/DC-Wandleranwendungen erfordern keinen Eingangsstoßstrom-Begrenzungswiderstand. Der Eingangsstoßstrom kann von Natur aus begrenzt sein, wenn die Eingangsspannung relativ niedrig ist (die Spitzen-Eingangsspannung für 240 VAC beträgt 340 V) oder die Quellenimpedanz der Eingangsversorgung den maximal verfügbaren Eingangsstrom begrenzt.

Unterdrückung transienter Ausgangsspannungen

Die TVS-Diode (Transient Voltage Suppression, Unterdrückung transienter Spannungen) am Ausgang des Netzteils kann zwei verschiedenen Zwecken dienen. Ein häufiger Grund für den Einbau einer TVS-Diode am Ausgang des Netzteils ist die Ableitung von Spannungstransienten, die durch externe Quellen an den Ausgangsklemmen des Netzteils induziert werden, und somit der Schutz des Netzteils. Während eine MOV-Diode häufig für einen ähnlichen Zweck am Eingang des Netzteils verwendet wird, sind die Spannung am Ausgang des Netzteils und die Energie, die mit induzierten Transienten am Ausgang des Netzteils verbunden ist, oft niedriger als am Eingang, so dass eine TVS-Diode eine geeignetere Lösung darstellt. Eine Zener-Diode kann anstelle der TVS-Diode verwendet werden, wenn die Ausgangsspannung auch im Falle eines Ausfalls des Ausgangs des Netzteils geklemmt werden soll. Es ist zu beachten, dass in dieser Situation die von der Zener-Diode abzugebende Leistung größer sein kann als die Ausgangsleistung des Netzteils. Die Zener-Diode hat eine Durchbruchspannung, die größer ist als die Ausgangsspannung des Netzteils, und während des Ausfalls kann das Netzteil wahrscheinlich mehr als den Nennausgangsstrom liefern.

Komponenten des EMI-Filters

Differentialmodus-Drossel

Der mit LDM gekennzeichnete Induktor wird mit dem Eingangsstrompfad in Reihe geschaltet. Diese Komponente bildet mit dem Eingangskondensator CX einen Tiefpass-LC-Filter, um die unerwünschte leitungsgebundene Störspannung an den Eingangsleitern zu dämpfen, damit sie die externe Stromquelle nicht erreicht. Die Spezifikation des Sättigungsstroms für diesen Induktor muss groß genug sein, um den maximalen Eingangsstrom während des normalen Betriebs zu tolerieren. Es ist akzeptabel, wenn der Induktor während des Einschaltstromstoßes gesättigt ist. Der Differentialmodus-Induktor sollte mit einem ausreichend niedrigen DCR (parasitärer Gleichstromwiderstand) ausgewählt werden, damit die Verlustleistung des Induktors akzeptabel ist.

Gleichtaktdrossel

Die Doppelwicklungsdrossel mit der Bezeichnung LCM ist eine Eingangs-Gleichtaktdrossel. Die Gleichtaktdrossel dient dazu, eine hohe Impedanz zu erzeugen, um Gleichtaktströme, die entlang der Eingangsleiter fließen, zu dämpfen. Bei der Platzierung der Gleichtaktdrossel im Schaltplan ist Vorsicht geboten, um sicherzustellen, dass die Ausrichtung der „Punkte“ korrekt ist. Die Punkte zeigen die relative Wicklungsrichtung für das Wicklungspaar an. Es ist nicht wichtig, ob sich die Punkte am Eingang oder am Ausgang der Verbindungen zur Gleichtaktdrossel befinden, aber beide Punkte sollten sich auf der gleichen elektrischen Seite der Drossel befinden. Die Differentialdrossel benötigt keine Punktnotation; es gibt nur eine Wicklung und die Richtung des Stromflusses spielt keine Rolle. Die Gleichtaktdrossel sollte so gewählt werden, dass sie den maximalen Stromfluss im Normalbetrieb des Netzteils bewältigt und eine akzeptable Verlustleistung im Normalbetrieb des Netzteils aufweist. Anders als bei der Differentialdrossel fließt bei der Gleichtaktdrossel im Gleichtakt nur ein sehr geringer Strom, so dass der Sättigungsstrom normalerweise kein Problem darstellt.

Eingangskondensator der Sicherheitsklasse X

Der Kondensator mit der Bezeichnung CX, der über die Eingangsstromleitungen platziert wird, dient dazu, das differentielle, leitungsgebundene Spannungsrauschen abzuschirmen, damit das Rauschen nicht an die externe Spannungsquelle weitergeleitet wird. Dieser Kondensator sollte eine Konstruktion der Sicherheitsklasse X oder Y sein. Sowohl die Kondensatoren der Sicherheitsklasse X als auch die der Sicherheitsklasse Y sind für den direkten Anschluss an die Wechselstrom-Eingangsleitungen ausgelegt und können daher eventuell auftretende Spannungsspitzen verkraften. Ein größerer Kapazitätswert dient als niedrigere Impedanz, um das unerwünschte Rauschen besser abzuschirmen, aber er erhöht auch den Eingangsleckstrom in einem AC/DC-Netzteil. Viele mit Wechselstrom betriebene Systeme müssen behördliche Vorschriften einhalten, die maximale Eingangsableitströme vorsehen und somit die Kapazität des Nebenschlusskondensators begrenzen.

Isolationskondensator der Sicherheitsklasse Y

Der Kondensator, der sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang befindet und in der schematischen Darstellung mit CY1 bezeichnet ist, dient dazu, das Gleichtaktspannungsrauschen am Ausgang des Netzteils zu dämpfen. Dieser Kondensator ist als Sicherheitsklasse Y ausgewählt, da er sich über der Isolationsbarriere befindet. Kondensatoren der Sicherheitsklasse Y sind so ausgelegt, dass sie als offener Stromkreis ausfallen und somit die Integrität der Isolierung zwischen Eingang und Ausgang des Netzteils im Falle eines Ausfalls des Kondensators erhalten bleibt. In einigen Anwendungen müssen zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet werden, um die Integrität der Isolierung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Netzteils noch besser zu gewährleisten.

Die Notwendigkeit des Kondensators CY1 ergibt sich aus der durch den primärseitigen Schalttransistor verursachten Spannungswellenform und der parasitären Kapazität zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Isolationsmagneten (Abb. 9). Der Kondensator CY1 sollte zwischen der Quelle des primärseitigen Schalt-FET und den Anschlüssen der Sekundärwicklung der Isolationsmagneten platziert werden. Wie wir gleich sehen werden, sind die Ausgangsklemmen der Isolationsmagnete mit großvolumigen Bypass-Kondensatoren versehen und liegen daher auf demselben Wechselspannungspotential. Daher kann die Ausgangsklemme des Kondensators CY1 mit einer der beiden Ausgangsklemmen verbunden werden. Der Wert der Kapazität von CY1 wird so gewählt, dass er deutlich größer ist als der Wert der parasitären Kapazität zwischen Primär- und Sekundärseite, um eine akzeptable Dämpfung der Gleichtaktspannung am Ausgang des Netzteils zu gewährleisten. Es ist zu beachten, dass ein größerer Wert des Kondensators CY1 den nachteiligen Effekt hat, dass ein größerer Wechselstrom zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Netzteils fließt.

Eingangsstützkondensator

Der in der schematischen Darstellung mit C1 bezeichnete Kondensator befindet sich direkt über dem Eingang eines DC/DC-Wandlers und hinter dem Brückengleichrichter (und der Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur, falls vorhanden) in einer AC/DC-Versorgung. In einem DC/DC-Wandler dient dieser Kondensator als Eingangsladungsspeicher, um Störungen der Eingangsspannung aufgrund von Eingangsstromtransienten abzuschwächen. Der Zweck dieses Kondensators in einer AC-DC-Versorgung besteht darin, die gleichgerichtete Eingangswechselspannung zu filtern und Energie zur Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung zu liefern, wenn die Eingangswechselspannung entfernt wird. Der zuvor besprochene Begrenzungswiderstand für den Eingangsstoßstrom wird verwendet, um den maximalen Strom zu begrenzen, der beim ersten Aufladen dieses Kondensators gezogen wird.

Ausgangsfilterung

Die Filterkomponenten an den Ausgangsklemmen des Netzteils können verwendet werden, um EMI- und EMV-Probleme zu lösen. Sie werden jedoch häufig in der Nähe der Last platziert und die Werte der Komponenten werden so gewählt, dass die Ausgangswelligkeitsspannung auf ein für die Last akzeptables Niveau reduziert wird. Der Einfachheit halber wird bei vielen Stromversorgungsanwendungen L1 durch einen Kurzschluss ersetzt. Wie bereits erwähnt, sorgt der Kondensator C2 für einen niederohmigen Wechselstrompfad zwischen den Ausgangsklemmen des Netzteils und ermöglicht so, dass CY1 an eine der beiden Ausgangsklemmen des Netzteils angeschlossen werden kann.

Auswahl der EMV-Komponenten

Inzwischen ist es wahrscheinlich offensichtlich, dass die Auswahl der richtigen Komponenten zur Vermeidung von EMI- und EMV-Problemen im Zusammenhang mit Stromversorgungen nicht schwierig ist, aber es gibt viele Details zu beachten. Oftmals ist die endgültige Wahl der Komponenten und Komponentenwerte ein Kompromiss zwischen Leistung, Kosten, Größe und Wirkungsgrad der Stromwandlung. Die meisten Stromversorgungsanbieter, wie z. B. CUI, verfügen über Kundendiensttechniker, die Ihnen bei Bedarf im Laufe Ihres Projekts weiterhelfen können.

Kategorien: Grundlagen, Sicherheit und Konformität

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