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Stromversorgung EMV-verträglich dank ein- oder mehrstufiger Filter

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

EMV-Filter gibt es in ein- und mehrstufiger Ausführung. Sie sorgen dafür, dass sich elektrische Geräte am Stromnetz nicht gegenseitig stören. Wo welche Filter sinnvoll sind, wissen die Experten von Schurter.

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Kombielement, bestehend aus IEC-Gerätestecker, Netzschalter, Sicherungshalter und zweistufigem EMV-Filter.
Kombielement, bestehend aus IEC-Gerätestecker, Netzschalter, Sicherungshalter und zweistufigem EMV-Filter.
(Bild: Schurter)

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist heute ein unverzichtbares Qualitätsmerkmal jedes elektronischen Geräts – auch in der Medizintechnik. Die Konformität der Geräte mit den Schutzzielen der EMV-Richtlinie muss vom Hersteller durch eine Konformitätserklärung sowie die Anbringung des CE-Kennzeichens auf dem Gerät und auf der Verpackung erklärt werden. Dadurch übernimmt er die Verantwortung für die Einhaltung der jeweiligen Störaussendungs- und Störfestigkeits-Anforderungen.

Das übliche Störkopplungsmodell geht von den Begriffen Störquelle, Kopplungspfad und Störsenke aus. Das Störungen erzeugende Betriebsmittel wird als Störquelle, das beeinflusste Betriebsmittel wird als Störsenke bezeichnet. Damit es zu einer Beeinflussung der Senke durch die Quelle kommen kann, muss die Störung zur Senke gelangen, um dort als Störgröße wirken zu können. Den Weg zwischen Quelle und Senke nennt man Kopplung oder Kopplungspfad.

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Vier verschiedene Störungsarten

Um eine hohe EMV überhaupt gewährleisten zu können, müssen die potentiellen Störungsmechanismen bekannt sein. Neben natürlichen Störquellen (z.B. Blitz) gibt es grundsätzlich vier verschiedene Kopplungsarten:

  • Galvanisch (Impedanzkopplung): Kopplung von zwei Stromkreisen über einen gemeinsamen Strompfad.
  • Kapazitiv: Kopplung von zwei Stromkreisen über ein elektrisches Wechselfeld. Die kapazitive Kopplung betrifft insbesondere den Hochfrequenzbereich.
  • Induktiv: Kopplung zweier Stromkreise über ein magnetisches Wechselfeld. Die induktive Kopplung tritt im Niederfrequenzbereich auf.
  • Strahlungskopplung: Sie bezeichnet die Aussendung von Wellenfeldern mit elektrischer und magnetischer Feldstärke.

Man unterscheidet zwischen dynamischen sowie statischen Störungen (zumeist elektromagnetische Felder). Ebenso zwischen leitungsgebundenen und nichtleitungsgebundenen Störungen. Die galvanische oder Impedanzkopplung ist leitungsgebunden. Alle anderen beruhen auf elektromagnetischen Wellenfeldern. Bei den leitungsgebundenen Störungen wird zudem zwischen Gleichtakt-(Common Mode) und Gegentaktstörungen (Differential Mode) unterschieden.

Störungen mittels Netzfilter reduzieren

Sinnvollerweise wird der EMV-Problematik bereits in einer frühestmöglichen Designphase Beachtung geschenkt. Viele Probleme lassen sich durch eine geschickte Auslegung des Designs umgehen. Insbesondere Störungen durch Strahlungskopplung ist im Nachhinein nur mit hohen Kosten beizukommen. Leitungsgebundene Störungen reduziert man am effizientesten mittels Netzfilter.

Ein EMV-Netzfilter stellt in der Regel einen Tiefpass dar. Er hat keinen Einfluss auf die Netzfrequenz (50/60 Hz), dämpft jedoch hochfrequente Störungen (>10 kHz). Der Filter ist ein LC-Netzwerk, bestehend aus X- und Y-Entstörkondensatoren (C) und einer stromkompensierten Drossel (L).

Mehrstufige Filter

In der Praxis kann es passieren, dass trotz Einsatz eines Filters die Dämpfung noch nicht ausreichend ist. In solchen Fällen werden dann mehrere, auf die spezifischen Störsignale optimierte Filterstufen hintereinander geschaltet, welche im Zusammenspiel sowohl Gegentakt- wie auch Gleichtaktstörungen nochmals besser bedämpfen. Üblicherweise erhält man mit einem zweistufigen Filter bereits sehr gute Resultate. Doch auch dreistufige Filter sind denkbar, realisierbar und verfügbar.

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Netzfilter-Vergleich: einstufig versus zweistufig

Nachfolgend ein überaus eindrücklicher Vergleich dreier Geräteeinbausteckdosen mit Sicherungshalter dem Hause Schurter: die Modelle DD11, DD12 und DD14. Das Modell DD11 verfügt über kein integriertes EMV-Filter. Beim DD12 kommt ein einstufiges zum Einsatz, und das neue Modell DD14 verfügt über ein zweistufiges Filter. Als Störquelle wurde für diesen Versuch ein handelsübliches Schaltnetzteil mit einer Leistung von rund 150 W für Beleuchtungen verwendet.

  • Schurter DD11: Ohne Filter ist das Gerät vor den Emissionen ungeschützt und erfüllt die EMV-Anforderungen nicht.
  • Schurter DD12: Bis auf kleine Ausreißer macht sich der einstufige Filter gut. Dennoch erfüllt er die Anforderungen nicht vollumfänglich.
  • Schurter DD14: Der zweistufige Filter verrichtet ganze Arbeit. Die EMV-Anforderungen werden vollumfänglich eingehalten

Grafiken zu den Versuchen gibt es in der Bildergalerie.

Im Kasten „Netzfilter-Vergleich“ wird ein Versuch beschrieben, der drei Geräteeinbausteckdosen mit Sicherungshalter von Schurter ohne Filter, mit einstufigem Filter und mit zweistufigem Filter vergleicht. Der Versuch zeigt, dass die angewandte Last nicht ohne Filter betrieben werden darf. Die Emissionsgrenzwerte werden in verschiedenen Frequenzbereichen überschritten. Auch der Einsatz eines einstufigen Filters reicht noch nicht aus, um die Störungen ausreichend zu bedämpfen. Erst der Einsatz des zweistufigen Filters stellt sicher, dass die Grenzwerte für Störemissionen über den gesamten Frequenzbereich eingehalten werden. Grafiken zu den Versuchen sind in der Bildergalerie zu finden. (sh)

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