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Grundlagen Leitungsgebundene Gleichtaktstörungen in isolierten Schaltnetzteilen

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Gleichtaktströme entstehen durch einen großen Spannungshub in Schaltstufen, die Ströme in Kapazitäten zur Chassis-Masse leiten. In isolierten Netzteilen verschlimmert sich die Situation.

Leitungsgebundene Gleichtaktstörungen in isolierten Schaltnetzteilen
Leitungsgebundene Gleichtaktstörungen in isolierten Schaltnetzteilen
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)
In diesem Power-Tipp setzen wir unsere in Nr. 38 begonnene Abhandlung über Gleichtaktströme fort. Damals ging es um das Entstehen von Gleichtaktströmen durch einen großen Spannungshub in Schaltstufen, die Ströme in Kapazitäten zur Chassis-Masse leiten. In isolierten Netzteilen verschlimmert sich die Situation, da die Sekundärseite des Isolationsübertragers mit der Chassis-Masse verbunden ist.

Durch diese Masseverbindung entsteht eine beträchtliche parasitäre Kapazität zwischen Primär- und Sekundärseite. Bild 1 gibt diese Situation vereinfacht wieder.

Bild 1: Eine stromkompensierte Drossel mit hoher Impedanz (L1) verringert die Störaussendungen (Bild: TI)

Bild 1: Eine stromkompensierte Drossel mit hoher Impedanz (L1) verringert die Störaussendungen

Dargestellt ist ein offline arbeitender Sperrwandler. Die eingangsseitige Wechselspannung von 110 bis 220 V wird gleichgerichtet, sodass am Leistungsteil eine Gleichspannung von 100 bis 400 V anliegt. Der mit hoher Frequenz ein- und ausschaltende Leistungsschalter erzeugt am Drain-Anschluss von Q1 eine getaktete Spannung von 500 bis 600 V, die auch der Primärseite des Leistungsübertragers zugeführt wird. Die getaktete Spannung bewirkt darüber hinaus einen Stromfluss in die zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung des Übertragers existierende Streukapazität.

Dieser Strom fließt entweder, wie in Bild 1 dargestellt, über eine eigens angebrachte Verbindung zur Chassis-Masse oder aber durch kapazitive Kopplung zur Erde. Dieser Strom muss in die geschaltete Quelle zurückfließen, die die Störungen hervorruft. Ohne C1 würde er in die Wechselspannungsquelle am Eingang zurückfließen, wo er mit großer Wahrscheinlichkeit zu einem Überschreiten der Störstrom-Grenzwerte führen würde.

Wegen der hohen Quellimpedanz gestaltet sich das Ausfiltern dieses Stroms besonders schwierig. Die Streukapazität im Übertrager liegt in der Größenordnung von 100 pF, was bei den typischen Netzteil-Schaltfrequenzen eine Impedanz von 10 kΩ ergibt. Das schlichte Einfügen einer Drossel in den Stromweg mit dem Ziel, den Strom zu verringern, wäre nicht praktikabel, wie die folgende einfache Rechnung zeigt: Wollte man den Strom auf ein Zehntel verringern, wäre ein Blindwiderstand von 100 kΩ (0,1 H) erforderlich, bei einem Kapazitätsbelag von unter 10 pF. Dies aber ist physikalisch nicht realisierbar.

Eine Alternativlösung stellt der Kondensator C1 dar, der dem Strom einen lokalen Rücklaufweg zur Verfügung stellt. Der Großteil des Gleichtaktstroms fließt somit innerhalb des Netzteils über diesen Kondensator zurück und nimmt nicht den Weg über die Spannungsquelle am Eingang. Da C1 außerdem die Quellimpedanz des Systems verringert, wird eine in Reihe geschaltete stromkompensierte Drossel L1 jetzt realisierbar.

Bild 2: C1 kann das Risiko eines Stromschlags heraufbeschwören (Archiv: VBM) Bild 2: C1 kann das Risiko eines Stromschlags heraufbeschwören

Ein entscheidender Aspekt beim Design des Gleichtaktfilters ist die Festlegung des Kapazitätswerts von C1. Mit Blick auf die elektromagnetischen Interferenzen sollte die Kapazität möglichst hoch gewählt werden. Eine hohe Kapazität führt nämlich zu einem kleineren Störsignal bei geringerer Quellimpedanz. Allerdings würde eine größere Kapazität auch dafür sorgen, dass die netzfrequenten Ströme in der Verbindung zum Chassis zunehmen.

Aus Sicherheitsgründen gelten für diese Ströme aber Grenzwerte, um die Gefahr eines Stromschlags für den Fall zu verringern, dass die Chassis-Verbindung des Netzteils unterbrochen wird und eine Person den Stromkreis schließt, wie in Bild 2 gezeigt. Gemäß IEC Std 601-1 darf dieser Strom höchstens 0,5 mA effektiv betragen, und es wird bereits über noch strengere Vorschriften diskutiert. Bei einer Eingangsspannung von 230 V darf der Kapazitätswert von C1 nach den IEC-Vorschriften höchstens 4700 pF betragen.

Das Fazit lautet also: Steile Spannungsflanken an der parasitären Kapazität zur Chassis-Masse erzeugen Gleichtaktströme, die sich wegen der großen Quellimpedanz nur sehr schwierig ausfiltern lassen. Dieses Filter erfordert einen Chassis-Kondensator, der dem Strom einen lokalen Rücklaufweg bietet und die Impedanz verringert. Während diese Kapazität mit Blick auf die EMV-Filterwirkung nicht hoch genug sein kann, setzen Sicherheits-Erwägungen hier eine gewisse Obergrenze.

Maßnahmen gegen leitungsgebundene Gleichtakt-Abstrahlungen

Bereits beschrieben wurde, wie sich Gleichtaktströme mit Hilfe eines Chassis-Kondensators, der auch die Quellimpedanz der Störungen reduziert, zu ihrer Quelle zurückleiten lassen. Die Tatsache, dass die Kapazität dieses Kondensators aus Sicherheitsgründen nicht beliebig hoch gewählt werden darf, bestimmt darüber, wie der Rest des Gleichtaktfilters implementiert werden muss.

Bild 1 zeigt, wie der Gleichtaktstrom durch das Schalten hoher Wechselspannungen an der Drain von Q1 entsteht. Über die Streukapazität fließt ein Strom zur Chassis-Masse. Mit dem Chassis-Kondensator C1 nun wird diesem Strom die Möglichkeit gegeben, innerhalb des Netzteils zurückzufließen anstatt über die Masseverbindung der Eingangsspannung. Die stromkompensierte Drossel L1 begrenzt die Gleichtakt-Störaussendungen, indem sie eine Impedanz im Stromweg zwischen dem Netzteil-Chassis und der eingangsseitigen Wechselspannung einfügt.

Bei einer Frequenz von 1 MHz entspricht die maximal zulässige Chassis-Kapazität von 4700 pF einem Blindwiderstand von 30 Ω. Um zu erreichen, dass der gesamte vom Schalter erzeugte Strom in den Chassis-Kondensator C1 fließt, muss die Induktivität jedoch über einen großen Frequenzbereich hinweg eine hohe Impedanz in der Größenordnung von einigen tausend Ohm darstellen.

Untersucht man L1 genauer, befindet sich die Impedanz im gemeinsamen Stromweg von Phase und Nullleiter, und die differenzielle Induktivität wird nicht zur Verringerung der Gleichtaktströme genutzt. Viele Entwickler verwenden die Streuinduktivität von L1 zur differenziellen Filterung. Wird die Drossel jedoch gemäß Bild 1 verschaltet, fließt in ihr unter dem Strich kein Gleichstrom. Aus diesem Grund kann ein Kern von hoher Permeabilität und ohne Luftspalt verwendet werden.

Bild 3: Es sollte ein Kernwerkstoff mit einer hohen absoluten Permeabilität gewählt werden (Bild: TI) Bild 3: Es sollte ein Kernwerkstoff mit einer hohen absoluten Permeabilität gewählt werden

In Bild 3 ist die Serien-Permeabilität eines typischen Kernwerkstoffs für stromkompensierte Drosseln als Funktion der Frequenz aufgetragen. Die Permeabilität besteht aus einem Realteil und einem Imaginärteil. Während sich der Realteil auf die normale Induktivität bezieht, hängt der Imaginärteil mit den Verlusten im Material zusammen. Da das Diagramm die Serienschaltung wiedergibt, handelt es sich bei der Gesamt-Impedanz um die Vektorsumme von beiden. Dies ist überaus nützlich, denn während der Realteil der Induktivität bei 300 kHz abzunehmen beginnt und oberhalb von 1 bis 2 MHz nicht mehr nutzbar wäre, wird die Impedanz oberhalb von 1 MHz durch die Materialverluste dominiert und bleibt bis 10 MHz wirksam.

Bild 4: Verteilte Kapazitäten verringern die Impedanz einer stromkompensierten Drossel (Bild: TI) Bild 4: Verteilte Kapazitäten verringern die Impedanz einer stromkompensierten Drossel

Ist die Entscheidung für einen Kernwerkstoff gefallen, besteht die nächste Herausforderung darin, die hohe Permeabilität des Materials maximal auszuschöpfen. Bild 4 gibt die Impedanz einer stromkompensierten Drossel von 28 nH als Funktion der Frequenz wieder.

Wie man sieht, verhält sich das Bauelement bei geringen Frequenzen wie eine Induktivität, während bei hohen Frequenzen eine verteilte Kapazität zutage tritt, die mit der Induktivität in Resonanz tritt. Wegen der hohen Induktivität lässt eine verteilte Kapazität von 23 pF die Leistungsfähigkeit der Drossel oberhalb von 200 kHz einbrechen.

Fazit

Bei der Entwicklung einer leistungsfähigen stromkompensierten Drossel kommt es darauf an, die Kapazität zu minimieren, indem man Sektorwicklungen verwendet, einzelne Wicklungen einsetzt und die Zahl der Windungen durch eine überlegte Auswahl des Kerns minimiert. Gelegentlich lassen sich die besagten Resonanzen nicht vermeiden, sodass bei höheren Frequenzen zusätzliche Filtermaßnahmen erforderlich sind. In solchen Fällen kann zum Ausfiltern höherer Frequenzen eine weitere Drossel hinzugefügt werden.

Die Gleichtaktfilterung in einem Netzteil erfordert also Bauelemente mit hoher Impedanz. Dies ist einerseits auf die hohe Quellimpedanz der Störungen zurückzuführen und begründet sich andererseits daraus, dass die Kapazität gegenüber dem Chassis aus Sicherheitsgründen nicht beliebig groß sein darf.

Bei stromkompensierten Drosseln stellt die Forderung nach hoher Impedanz bei hohen Frequenzen wegen die Kapazität zwischen den Wicklungen eine Herausforderung dar. Bei der Wahl des Kernwerkstoffs muss sorgfältig vorgegangen werden, denn die Permeabilität des Materials muss durchgehend hoch bleiben. Außerdem gilt es die verteilte Kapazität der Wicklungen in den Griff zu bekommen. Schon eine verteilte Kapazität von nur 30 pF kann die Impedanz der Drossel zunichtemachen. In einigen Fällen kann eine Reihenschaltung aus zwei Drosseln, die jeweils die Filterung in einem bestimmten Frequenzband übernehmen, Abhilfe schaffen.