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Power-Tipps von TI, Teil 20 Unbeabsichtigte Resonanzerscheinungen

Autor / Redakteur: Robert Kollman* / Johann Wiesböck

Haben Sie schon einmal die Eingangsspannung an Ihre Stromversorgung angelegt und feststellen müssen, dass daraufhin Ihre Stromversorgung ausgefallen ist? Ursache des Problems können eine kurze Anstiegszeit der Eingangsspannung und ein Resonanzkreis hoher Güte sein, die eine Verdoppelung der Eingangsspannung bewirken können.

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Robert Kollmann präsentiert auf ELEKTRONIKPRAXIS seine Power-Tipps.
Robert Kollmann präsentiert auf ELEKTRONIKPRAXIS seine Power-Tipps.
(Bild: Texas Instruments)

Ähnliche Probleme können auch auftreten, wenn Sie einen Strom, der durch induktive Bauelemente fließt, plötzlich unterbrechen. Typischerweise kommt es zu solchen Problemen beim Umgang mit Hot-Swap- oder Hot-Plug-Baugruppen oder beim Versuch, den Eingang zu einem Funkentstörfilter (EMI-Filter) zu öffnen.

Bild 1 zeigt das vereinfachte Schaltbild eines Filters mit geschaltetem Eingang. Die Induktivität in dieser Schaltung kann bewusst dort angeordnet sein; sie kann aber auch unbeabsichtigt wirksam werden, etwa in Form von langen Zuleitungen in einem Power-over-Ethernet-System (PoE-System).

Bild 1: Das Ansprechverhalten eines Filters kann Überspannungen verursachen, die nachgelagerte Elektronikbaugruppen beschädigen können
Bild 1: Das Ansprechverhalten eines Filters kann Überspannungen verursachen, die nachgelagerte Elektronikbaugruppen beschädigen können
(Bild: Texas Instruments)

Ebenfalls abgebildet ist der Verlauf der Eingangsspannung, die eingeschaltet wird, sowie der resultierenden Ausgangsspannungen für den Fall, dass der Dämpfungsfaktor kleiner als 1 ist (Dämpfungsfaktoren über 1 bewirken kein Überschwingen). Die zum niedrigeren Dämpfungsfaktor gehörende Funktion hat folgende Form:

Gleichung 1:

(Bild: Texas Instruments)

Darin sind: ζ der Dämpfungsgrad, der auch gleich 1/(2*Q) ist, ωn die durch die Induktivität und die Kapazität gegebene Eigenfrequenz und ϕ der Arkuskosinus von ζ.

Für den hier gezeigten Serienresonanzkreis lässt sich die Güte Q leicht ermitteln. Sie ist gleich dem Wellenwiderstand, dividiert durch den Serienwiderstand, oder:

Gleichung 2:

(Bild: Texas Instruments)

Ein System mit einer hohen Güte Q (d. h. mit geringer Dämpfung) ist ungedämpft, wodurch sich die Filterausgangsspannung bis auf das Doppelte der Eingangsspannung (Vin) aufschwingen kann. In einem System mit einem niedrigeren Q wird die maximale Nachschwingspannung niedrig gehalten.

Bild 2 zeigt das prozentuale Überschwingen als Funktion des Dämpfungsgrades. Mit einem Dämpfungsgrad von 0,4 (einem Q von 1,25) lässt sich die Nachschwingspannung auf 130 Prozent der Eingangsspannung begrenzen. Dies ist unter Umständen keine praxisgerechte Lösung, da zusätzliche Verluste im Dämpfungswiderstand oder die Filterungsverluste aufgrund einer Widerstands-Kondensator-Serienschaltung inakzeptabel sein können. Wenn diese Verluste in dem jeweiligen Design nicht zu tolerieren sind, müssen möglicherweise weitere Bauelemente hinzugefügt werden.

Bild 2: Eine Erhöhung des Dämpfungsgrades (also eine Verringerung der Güte Q) setzt das Überschwingen herab
Bild 2: Eine Erhöhung des Dämpfungsgrades (also eine Verringerung der Güte Q) setzt das Überschwingen herab
(Bild: Texas Instruments)

So kann die Schaltung beispielsweise zusätzlich mit einem Serienwiderstand und einem Kondensator gedämpft werden, die parallel zum Filterkondensator (C1) geschaltet werden. Sie können auch eine Hot-Swap-Schaltung einsetzen, um Spitzenströme im Filter zu begrenzen, oder Sie können eine Diode Parallel-Schnittstelle zur Induktivität schalten, so dass der Kondensator über eine niedrige Impedanz geladen wird.

So ungünstig wie die Verhältnisse erscheinen, sind sie allerdings meist nicht, denn der Strom durch die Induktivität kann zu deren magnetischer Sättigung führen, und das Laden des Kondensators kann auch mit einer Serieninduktivität bewerkstelligt werden, die weitaus kleiner als erwartet ist. Kommt es zur magnetischen Sättigung, dann sinkt der Wellenwiderstand des Filters und mit ihm das Q, wodurch sich das Überschwingen reduziert.

Um zu ermitteln, ob dies in einem System mit hohem Q der Fall ist, berechnen Sie den Spitzenstrom, indem Sie den Spannungssprung durch den Wellenwiderstand des Systems dividieren. Dem Datenblatt zur Induktivität können Sie anschließend entnehmen, ob diese durch den Strom in Sättigung gerät.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Nachschwingen eines Filters beim Einschalten der Eingangsspannung zu Überspannungen führen kann, die nachgelagerte Elektronikbaugruppen zerstören können. Dies ist insbesondere in Systemen wie z. B. PoE-Systemen ein Problem, die tendenziell eine hohe Güte aufweisen, da sie mit verlustarmen Keramikkondensatoren und Induktivitäten, die nicht in Sättigung geraten, bestückt sind.

Wenn die Spannung ein inakzeptabel hohes Niveau erreicht, benötigt man bei diesen Systemen eine zusätzliche Dämpfung, eine Strombegrenzung oder ein anderes Begrenzungsverfahren.

Nach der folgenden simplen Methode können Sie ermitteln, ob mit Problemen zu rechnen ist:

(Bild: Texas Instruments)

Ich hoffe, Sie sind auch nächstes Mal wieder dabei, wenn wir uns mit Differenzverstärker-Konfigurationen beschäftigen wollen.

* * Robert Kollman ist Senior Applications Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments

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