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In elektronischen Geräten ist typischerweise ein Filter an der Wechselstrom-Eingangsleitung vorhanden. Der Grund hierfür ist, dass bei elektronischen Geräten mit einem Schaltnetzteil die Hauptquelle elektromagnetischer Störungen (EMI) das Netzteil selbst darstellt. Die Quellen von EMI sind vielfältig, darunter natürliche Phänomene wie Blitze und das Erdmagnetfeld sowie künstliche Quellen wie Motoren, Hochfrequenz-(HF-)Technologien und digitale/analoge Signale, die alle Störungen erzeugen können. Filter sind unverzichtbare Bauteile, um zu verhindern, dass diese Störsignale aus dem Gerät nach außen gelangen oder andere nahegelegene elektronische Geräte beeinträchtigen. In diesem Artikel werden die Ursachen elektromagnetischer Störungen und die dagegen ergriffenen Gegenmaßnahmen behandelt.
1- Arten von Störsignalen und ihre Entstehung
Unter Rauschen in elektronischen Geräten versteht man unerwünschte elektrische Signale innerhalb des Geräts. Dabei handelt es sich um unvermeidbare Spannungs- oder Stromstörungen. Bei übermäßigen Störungen können folgende Phänomene auftreten:
① Hören von Rauschen in Radios oder Multimedia-Geräten, das nicht mit dem gewünschten Audio zusammenhängt.
② Anzeigen verzerrter oder überladener Bilder auf Fernsehbildschirmen jenseits des ursprünglichen Inhalts.
③ Digitale Geräte starten möglicherweise falsch oder funktionieren nicht ordnungsgemäß.
④ Kommunikationsgeräte können möglicherweise keine normalen Signale übertragen.
⑤ Weitere Effekte, die die ordnungsgemäße Funktion elektronischer Geräte beeinträchtigen.
Aus diesen Gründen haben Länder und Regionen entsprechende Anforderungen und Vorschriften für elektronische Geräte erlassen, wonach die von diesen Geräten erzeugten Störsignale bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten dürfen. Die Hersteller sind verpflichtet, die von ihren Produkten erzeugte elektromagnetische Störung (EMI) innerhalb dieser vorgegebenen Grenzwerte zu halten.
In den letzten Jahren haben elektronische Geräte digitale und Schalttechnologien weitgehend übernommen. Solange ein Produkt diese Technologien verwendet, wird es zwangsläufig EMI-Signale erzeugen. Der Einsatz von Filtern ist eine effektive Möglichkeit, diese Störungen innerhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte zu halten. Die Störgrenzwerte können zwischen Ländern oder Regionen variieren, was bedeutet, dass auch die Eigenschaften der erforderlichen Filter unterschiedlich sein werden. Unten abgebildet sind Beispiele für ein externes Netzfilter für Industrieanlagen und ein internes Filter (Gleichtakt-Drossel, Gegentakt-Drossel), das in einer Stromversorgung eingebaut ist.
Abbildung 1 (links): Externes industrielles Netzfilter
Abbildung 2 (rechts): Internes Schaltnetzteil-Filter (Gleichtakt-Drossel)
In einer Schaltnetzteil erzeugen der Schalttransistor, die Hochfrequenz-Gleichrichterdiode und der Schalttransformator höhere Störpegel. Die Betriebswellenformen in einem Schaltnetzteil sind typischerweise Rechteck- oder Dreieckwellen (Grundwellen). Diese Wellenformen enthalten hochfrequente Komponenten, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Wenn diese hochfrequenten Wellenformen nach außen gelangen, werden sie zu Störsignalen.
Darüber hinaus ist die Schaltgeschwindigkeit von Transistoren äußerst hoch. Beispielsweise kann ein Strom von 2 A bei 12 V mit einer Frequenz von etwa 300 kHz ein- und ausgeschaltet werden. Wie in der unten stehenden Abbildung dargestellt, ist während des Schaltübergangszustands die Änderungsrate des Stroms (di/dt) sehr hoch. Da Induktivität nicht nur in der Spule, sondern auch als parasitäre Induktivität auf der Leiterplatte (PCB) vorhanden ist, können diese schnellen Stromänderungen Störspannungssignale erzeugen, die die umgebende Umgebung oder andere elektronische Bauteile beeinträchtigen. Diese Störsignale werden nicht nur über die Leiterbahnen der Leiterplatte geleitet, sondern auch durch elektromagnetische Wellen und Leitungen nach außen abgestrahlt. Die Frequenz dieser elektromagnetischen Störungen (EMI) ist nicht fest; innerhalb eines einzigen Schaltzyklus existieren zahlreiche di/dt-Komponenten, was zu einem breiten Frequenzspektrum der erzeugten Störspannungen führt.
Abbildung 3: Ersatzschaltbild
Abbildung 4: Modell des Störspannungssignals
Abbildung 5: Störspannungssignal
Abbildung 6: Störstromsignal
Abbildung 7: Modell des Dioden-Ausschalt-Kurzschlussstroms
Nicht beschränkt auf Schaltnetzteile, können wir allgemein die Entstehungsorte von Störungen in einem elektronischen Gerät anhand des Spannungs-/Strompfads klassifizieren. Wie in der unten stehenden Abbildung dargestellt, werden Störungen, die im Differentialmodus und im Gleichtaktmodus erzeugt werden, als Differentialmodus-Störung bzw. Gleichtakt-Störung bezeichnet.
Abbildung 8: Modell-Diagramm des Störsignals
Störungen, die zwischen den Leitungen eines Wechselstromkabels oder zwischen den positiven und negativen Anschlüssen einer Gleichstromausgangsleitung auftreten, werden als Differenzmoden-Störungen bezeichnet. Im Gegensatz dazu bezieht sich die Gleichtaktstörung auf die störende Signalkomponente, die zwischen einer beliebigen Leitung in der Schaltung und der Erdungsleitung (d. h. bezogen auf die Erde) entsteht. Störungen, die von Stromversorgungsschaltungen erzeugt werden, sind fast immer zunächst Differenzmoden-Störungen. Wenn sich dieses Differenzmodensignal jedoch auf andere Schaltungen ausbreitet, kann das Impedanzgleichgewicht bezüglich Erde durch elektromagnetische oder elektrostatische Einflüsse gestört werden, wodurch es in ein Gleichtaktsignal umgewandelt wird. Letztendlich wandelt sich ein erheblicher Teil der Störung in eine Gleichtaktstörung um.
Zusätzlich sind externe Störsignale, die aus der natürlichen Umgebung in Geräte eindringen, typischerweise Gleichtaktstörungen, da ihre Entstehung fast immer mit der Erde (Masse) verbunden ist. Wenn Gleichtaktstörungen in eine Schaltung gelangen, können sie zudem unter verschiedenen Bedingungen und durch Einflüsse von Bauelementen in Gegentaktstörungen umgewandelt werden, was sich direkt und nachteilig auf den Betrieb der Schaltung auswirken kann.
In elektronischen Geräten oder Leistungsschaltungen ist es erforderlich, sowohl für Gleichtakt- als auch für Gegentaktstörungen, die sich grundlegend in ihrer Natur unterscheiden, geeignete Gegenmaßnahmen zu berücksichtigen und umzusetzen.
2- Gegenmaßnahmen gegen elektromagnetische Störungen
Aus der Sicht der Störsignalausbreitung kann Störung grob in leitungsgebundene und strahlungsgebundene Störung unterteilt werden. Aus der Sicht der Störsignalarten lässt sie sich in Gleichtaktstörung und Gegentaktstörung einteilen. Es gibt zwei Hauptansätze zur Unterdrückung von Störsignalen:
① Die Entstehung von Störsignalen verhindern.
② Die Ausbreitung von Störsignalen blockieren, absorbieren oder eliminieren.
Moderne elektronische Geräte verwenden überwiegend Schaltnetzteil- und digitale Technologien. Geräte, die diese Technologien nutzen, erzeugen zwangsläufig Störsignale, die allein durch technologische Verbesserungen nur schwer zu unterdrücken sind. Derzeit konzentrieren sich die meisten Lösungen darauf, die Ausbreitung von Störsignalen zu blockieren oder zu mindern.
2.1 Verwendung passiver Bauelemente, um die Leitung von Störsignalen zu blockieren (zu absorbieren oder zu eliminieren), beispielsweise durch Kombination von Gleichtaktinduktivitäten, Differenzmoden-Induktivitäten, X-Kondensatoren und Y-Kondensatoren zur Unterdrückung von leitungsgebundenen Störungen.
2.2 Verwendung von Leistungsinduktivitäten mit Ferritperlen oder magnetischen Abschirmstrukturen, um die Ausbreitung von gestrahlten Störsignalen nach außen zu verhindern.
Um leitungsgebundene EMI zu bekämpfen, Codaca bietet eine Reihe von Gleichtaktinduktivitäten für Signalleitungen (SPRHS-Serie, CSTP-Serie, VSTCB-Serie usw.), Gleichtaktinduktivitäten für Stromleitungen (TCB-Serie, SQH-Serie, TCMB-Serie) sowie Differenzmoden-Induktivitäten (SPRH-Serie, PRD-Serie und andere Leistungsinduktivitäten, die als Differenzmoden-Induktivitäten verwendet werden können). Diese Gleichtakt- und Differenzmoden-Induktivitäten helfen elektronischen Geräten, gegen äußere elektromagnetische Störungen widerstandsfähig zu sein, und verhindern zudem, dass Geräte intern erzeugte EMI abstrahlen.
Die Wirksamkeit der Störunterdrückung hängt eng mit der Impedanz der Drossel zusammen. Bitte beachten Sie die folgenden Spezifikationstabellen und Frequenzkennliniendiagramme für weitere Details.
Tabelle 1: Codaca Eigenschaften von Gleichtakt-Drosseln Tisch
Hinweis: Diese Tabelle zeigt nur eine Auswahl an Drosselmodellen. Weitere Informationen finden Sie auf der offiziellen Codaca-Website.
Abbildung 9: Impedanz-Frequenz-Kennliniendiagramm für Gleichtakt-Drosseln in Signalleitungen
Abbildung 10: Impedanz-Frequenz-Kennliniendiagramm für Gleichtakt-Drosseln in Stromleitungen
Für Lösungen zur unterdrückung abgestrahlter elektromagnetischer Störungen können Ferritperlen verwendet werden. In einigen Hochfrequenzschaltungen, wie z. B. HF- und Oszillatorschaltungen, ist es notwendig, am Eingang der Stromversorgung eine Ferritperle einzubauen. Codaca bietet eine Reihe von Ferritperlen an, wie beispielsweise die Serien RHD, RHV, SMB und UUN.
Tabelle 2: Kennlinientabelle für Ferritperlen
Hinweis: Diese Tabelle zeigt nur eine Auswahl an Modellen. Weitere Informationen finden Sie auf der offiziellen Codaca-Website.
Wie bereits erwähnt, können magnetisch abgeschirmte Leistungsinduktivitäten auch die Ausbreitung von gestrahlten Störungen blockieren. Für gestrahlte EMI bietet Codaca eine Serie magnetisch abgeschirmter Bauteile an, darunter geformte Induktivitäten, Hochstrom-Induktivitäten, Digitalverstärker-Induktivitäten und Chip-Induktivitäten. Diese Leistungsinduktivitäten können in den Stromleitungen von Schaltnetzteilen eingesetzt werden. Die magnetische Abschirmstruktur verhindert effektiv, dass vom Induktor erzeugte Störungen nach außen abgestrahlt werden, und schützt gleichzeitig den Induktor vor äußeren gestrahlten Störungen. Solche abgeschirmten Induktivitäten werden auch in Lösungen für Gegentaktstörungen bei Signal- und Stromleitungen verwendet.
Tabelle 3: Kennlinientabelle magnetisch abgeschirmter Induktivitäten
Hinweis: Diese Tabelle zeigt nur eine Auswahl an Modellen. Weitere Informationen finden Sie auf der offiziellen Codaca-Website.
Abbildung 11: Temperaturanstieg & Sättigungsstrom-Kurven, Induktivität-Frequenz & Impedanz-Frequenz-Kennlinien für VSHB0421-4R7MC
3- Fazit
Mit der zunehmenden Integration und Komplexität elektronischer Produkte stehen auch die elektromagnetischen Umgebungen (EMI/EMC), in denen sie betrieben werden, vor erheblichen Herausforderungen. Um elektronischen Geräten bei der Lösung von EMI/EMC-Problemen zu helfen, hat Codaca verschiedene Serien standardisierter gleichtaktfilter für Signalleitungen , stromleitung Gemeinsame Modus Drossel s , Differenzmodus-Drosseln, ferritperlen , und verschiedenen magnetisch abgeschirmte Leistungsinduktivitäten . Ingenieure können je nach den spezifischen Anforderungen ihres Stromkreis-Designs geeignete standardisierte Gegentakt-Drosseln, Differenzmodus-Drosseln oder Leistungsinduktivitäten von Codaca auswählen.