Anwendung von Filterinduktivitäten zur Entstörung in der Stromversorgung

1 Introduction

Mit der Verbreitung und Weiterentwicklung digitaler Schaltungen in Schaltnetzteilen stören die von elektronischen Geräten abgestrahlten und austretenden elektromagnetischen Wellen nicht nur erheblich den normalen Betrieb anderer elektronischer Geräte, was zu Funktionsstörungen, Übertragungsfehlern und Steuerungsausfällen führt, sondern bedroht auch die Gesundheit und Sicherheit des Menschen und hat sich zu einer unsichtbaren Form der Umweltverschmutzung entwickelt, die dem Schaden durch greifbare Umweltverschmutzungen wie Wasser, Luft und Lärm in nichts nachsteht. Daher ist die Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI) in elektronischen Geräten zu einem zentralen Anliegen der weltweiten Elektronikindustrie geworden. Zu diesem Zweck trat im Januar 1992 die entsprechende Verordnung der zuständigen EMC-Kommission der Europäischen Gemeinschaft in Kraft, 1, die schließlich am 4. Januar 1996 wirksam wurde. Diese Verordnung legt fest, dass alle Produkte, die nicht den europäischen und internationalen EMC-Normen entsprechen, nicht zum Verkauf auf den Markt gebracht werden dürfen; Zuwiderhandlungen werden streng bestraft. Gleichzeitig werden die EMC-Zertifizierung sowie die elektrische Sicherheitszertifizierung zu zentralen Voraussetzungen für die Zertifizierung bestimmter Produkte. Dieser Schritt löste auf dem weltweiten Elektronikmarkt einen enormen Schock aus, und die EMC wurde zu einem wichtigen Indikator, der den internationalen Handel beeinflusst. Um mit internationalen Standards übereinzustimmen, hat China ebenfalls sukzessive entsprechende EMC-Vorschriften erlassen. Zu diesem Zweck hat China mehrfach Normen und Demonstrationskonferenzen zur elektromagnetischen Verträglichkeit abgehalten. Es wird empfohlen, dass alle seit dem 1. Januar 1 auf dem Markt befindlichen elektronischen Geräte Maßnahmen zur Unterdrückung von Funkstörungen formulieren und konstruieren sowie entsprechende Unterdrückungskomponenten einbauen müssen, damit die erzeugten elektromagnetischen Störungen das in den Normen festgelegte Niveau nicht überschreiten. Ab dem 1. Januar 1997 müssen alle auf den Markt kommenden Produkte über das EMC-Kennzeichen verfügen. Dies stellt den ersten Schritt dar, damit chinesische Elektronikprodukte an der internationalen Wettbewerbsfähigkeit teilnehmen können.

2 Eigenschaften des Entstörfilters

Es bestehen konzeptionelle Unterschiede zwischen Entstörfiltern und herkömmlichen Signalfiltern. Der Signalfilter arbeitet unter der Bedingung der Impedanzanpassung, das heißt, er sorgt dafür, dass die Amplitude der Eingangs- und Ausgangssignale durch den Filter unverändert bleibt; dabei wird ein Teil des Frequenzbereichs wie gewünscht verarbeitet und umgewandelt. Der EMV-Filter dagegen wird eingesetzt, um elektromagnetische Störungen zu unterdrücken, die in das Gerät eintreten und aus ihm austreten, und bietet eine bidirektionale Unterdrückung. Daher ist hier eine maximale Fehlanpassung zwischen dem Anschluss des EMV-Filters und dem Gerät erforderlich. Auf diese Weise entspricht die Dämpfung elektromagnetischer Störungen durch den Filter der Dämpfung seines eigenen Netzwerks plus der Reflexion, die an den Ein- und Ausgangsanschlüssen entsteht. Dabei sind folgende Regeln zu beachten, wie in Tabelle 1 dargestellt: Rs steht für die Eingangsimpedanz des Stromnetzes, die sich mit der Strommenge ändert; RL ist die Ausgangsimpedanz des EMV-Filters und variiert entsprechend der Größe der Last.

Aus elektrischer Sicht kann eine maximale Absorption (oder ein maximaler Verlust) im Filter nur unter der Bedingung einer Impedanzfehlanpassung entstehen; diese wird in der EMV-Sprache als «Filtereinschubverlust» bezeichnet. EMI-Filter sind in erster Linie darauf ausgelegt, geführte Störungen zu beseitigen oder zu reduzieren. Tatsächlich werden geführte Störungen in Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen unterteilt: Die sogenannte Gleichtaktstörung bedeutet, dass die Phase des Störsignals zwischen der Phasenleitung und der Erdleitung identisch ist und das Potential gleich ist; bei der Gegentaktstörung beträgt der Phasenunterschied des Störsignals zwischen den Phasenleitungen 180° (gleiches Potential). Siehe Abbildung 1.

Daher wird die Filterschaltung auch in eine Gegenmodus- und eine Differenzmodus-Störschaltung unterteilt. In der Abbildung bilden LC1, LC2 sowie Cy1 und Cy2 eine Gegenmodus-Filterstrecke; LC1 und LC2 sind Gegenmodus-Filterinduktivitäten, während Ld1, Ld2, Cx1 und Cx2 eine Differenzmodus-Schaltung bilden. Der typische Wert für die Gegenmodus-Induktivität Lc beträgt 0,3 mH bis 38 mH; der Gegenmodus-Kondensator Cy sollte – solange der Leckstrom unter 1 mA gehalten werden kann – möglichst groß gewählt werden. Die Differenzmodus-Induktivität Ld liegt in der Regel zwischen zehn und hundert Mikrohenry; als Kondensatoren für diese Schaltung sollten Keramik- oder Polyesterkondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von mehr als 1,4 kV ausgewählt werden. Je größer die Induktivität und Kapazität der Differenzmodus-Schaltung Ld1 und Ld2 sind, desto besser ist die Niederfrequenzeffizienz. Die meisten auf dem Markt erhältlichen EMV-Filter sind auf Gegenmodus-Störungen ausgelegt; ihre Wirkung zur Unterdrückung von Differenzmodus-Störungen ist dagegen sehr begrenzt. Tatsächlich treten Gegenmodus- und Differenzmodus-Störungen bei Schaltnetzteilen gleichzeitig auf, insbesondere bei aktiven Leistungsfaktorkorrekturschaltungen ist die Intensität der Differenzmodus-Störungen sehr hoch. Bei Schaltnetzteilen lassen sich EMV-Signale in hohen Frequenzen deutlich leichter durch EMV-Filter unterdrücken als Störungen durch EMV-Leitungsdämpfung in niedrigen Frequenzen. Oft kann allein durch die Auswahl der Gegenmodus-Induktivität der Leitungsstörpegel im Bereich von 300 kHz bis 30 MHz eliminiert werden. Die Auslegung und Auswahl der Filter muss entsprechend den tatsächlichen Anforderungen der Schaltung erfolgen. Zunächst sollte man den Pegel der geleiteten Störungen messen und ihn mit den vorgeschriebenen EMV-Normgrenzwerten vergleichen. Im Allgemeinen spielt der Differenzmodus-Störanteil in den Bereichen von 0,01 MHz bis 0,1 MHz die Hauptrolle; von 0,1 MHz bis 1 MHz handelt es sich um eine Kombination aus Differenzmodus- und Gegenmodus-Störungen; während im Bereich von 1 MHz bis 30 MHz überwiegend Gegenmodus-Störungen auftreten. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse wird dann beurteilt und ausgewählt, welcher Filter oder welche Vorrichtung einen unterdrückenden Effekt auf das über den Grenzwerten liegende Signal hat. Natürlich ist die praktische Umsetzung recht komplex und erfordert ein relativ hohes technisches Niveau sowie entsprechende Erfahrung.

3 Auswahl von Induktormaterialien in EMV-Filtern

Die Reduzierung elektromagnetischer Störungen in elektronischen Geräten ist zu einem entscheidenden Faktor geworden, ob es für elektronische Produkte einen Markt gibt oder nicht. Weichmagnetische Materialien sind zu unverzichtbaren Komponenten in EMI-Filtern geworden und spielen eine zentrale Rolle. Verschiedene EMI-dämpfende Bauteile aus weichmagnetischen Materialien werden in zahlreichen elektronischen Schaltungen und Geräten breit eingesetzt. Dies liegt daran, dass weichmagnetische Materialien einzigartige Eigenschaften aufweisen, die ihnen im Bereich der elektromagnetischen Störfestigkeit eine wesentliche Rolle verleihen. Allerdings ist es für Elektronikhersteller unrealistisch, allgemeingültige EMI-Filter zu erwarten, die Störungen unterhalb des Standardwertes für alle elektronischen Geräte reduzieren können. Die Auslegung des EMI-Filters sollte entsprechend den EMV-Normen des jeweiligen elektronischen Geräts erfolgen – das heißt, bezüglich des Frequenzbandbereichs und des Gradens an Überschuss, den das EMI-Signal gedämpft werden muss, insbesondere hinsichtlich der darin enthaltenen weichmagnetischen Materialien. Da es viele verschiedene Arten von weichmagnetischen Materialien gibt, besitzt jedes seine eigenen elektromagnetischen Eigenschaften. Neben grundlegenden magnetischen Parametern wie Bs, μi und Verlusten müssen auch deren elektrische Eigenschaften berücksichtigt werden: spezifischer Widerstand, Bandbreite, Impedanz usw. Entsprechend dem geforderten Dämpfungsbereich des Störsignals ist zunächst die passende Filterschaltung zu bestimmen; anschließend sollte sorgfältig das für den Frequenzbereich geeignete magnetische Material ausgewählt werden, damit der Filterinduktor sowohl wirtschaftlich als auch effektiv arbeiten kann. Falls man ein Material verwenden möchte, das für verschiedene Entstörfilter geeignet sein soll, aber nicht den gewünschten Effekt erzielt, ist es notwendig, ein für den jeweiligen Frequenzbereich geeignetes magnetisches Material auszuwählen. Aus materieller Sicht blockieren EMI-Filter unerwünschte Signale und wandeln diese in Form von Wärme um, während die gewünschten Signale mit geringer oder gar keiner Dämpfung durchgelassen werden. Es ist wichtig zu betonen, dass die in Form von Wärmeaufnahme verbrauchte Energie nicht auf die Joulesche Erwärmung (d. h. I²R) der Spule infolge des elektrischen Stromflusses zurückzuführen ist. Daher ist es bei der Wicklung der Spule erforderlich, Kupferdraht mit großem Drahtdurchmesser zu verwenden, um diesen Energieverlust möglichst gering zu halten. Aus elektrischer Sicht lässt sich die Induktivität mit magnetischem Material im Filter bei niedrigen Frequenzen äquivalent als Serienschaltung eines reinen Induktors L und eines reinen Widerstands R darstellen; ihre Impedanz Z beträgt dann Z = R + jωL. Für einen Ring mit einem mittleren Durchmesser D gilt gemäß dem Ampèreschen Gesetz sowie dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion:

e = N1S · dB/dt

H = N1I/l

wobei N1,I die Anzahl der Windungen und der Strom der Erregerspule am Ringkern ist;

S - Querschnittsfläche des Kerns;

l - durchschnittliche Länge des magnetischen Kreises (πD).

Ausgedrückt in Phasoren als:

μ = μ′ - jμ″

Der Kern kann bei niedrigen Frequenzen äquivalent sein: Z = R + jωL = E/I_m

Substitution für die obige Formel

Sie können also erhalten:

Die magnetischen Parameter sind über die obige Formel direkt mit den elektrischen Parametern verbunden. Sie verdeutlichen, welche Rolle die magnetischen Parameter eines magnetischen Materials in einem Schaltkreis spielen. Gleichung (1) drückt aus, dass die Induktivität im Schaltkreis direkt mit der elastischen Permeabilität μ′ des magnetischen Materials zusammenhängt; dies zeigt die reine Induktivität des Bauelements unabhängig von der Frequenz. Der Widerstand R im Schaltkreis hängt mit dem Imaginärteil der komplexen Permeabilität des magnetischen Materials μ" zusammen. Gleichung (2) bezieht sich auf die Wirbelstromverluste, Hystereseverluste und Restverluste des Materials und ist ebenfalls frequenzabhängig. Elektrisch gesehen entspricht sie dem äquivalenten Widerstand R. Schließlich wird die thermische Energie des Bauelements in den Raum abgegeben, und der Induktor im EMV-Filter kann das Störsignal herausfiltern, indem er diese Eigenschaft magnetischer Materialien nutzt. Aus einer anderen Perspektive betrachtet ist eine Erwärmung des EMV-Filterinduktors normal, solange sie den ordnungsgemäßen Betrieb des Schaltkreises nicht beeinträchtigt.

Abbildung 2 zeigt die Kurve von R versus Frequenz für die Filterinduktivität in einem seriellen Ersatzschaltbild. Diese Kurve entspricht der Einfügungsdämpfungskurve der Induktivität. Im niedrigen Frequenzbereich, d. h. bei f < f1, ist der Widerstand R der Induktivität im Schaltkreis so klein, dass er vernachlässigt werden kann und der Strom ohne Verlust durchfließt. In diesem Stadium verbraucht der Induktionsmagnetismus selbst nur sehr wenig Energie; hauptsächlich führt die Wickelverluste (I²R) zu einer Erwärmung der Spule. Nur in Hochstrombetriebsumgebungen muss dieser Teil der Energieumwandlungswärme berücksichtigt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Entstörinduktivität in der Hochleistungs-Thyristor-Dimmlampenschaltung: Da der Strom dort bis zu 20 A bis 50 A oder sogar noch höher sein kann, ist selbst wenn der Drahtwiderstand gering ist, die Energie proportional zum Quadrat des Stroms, sodass die Wärmeentwicklung der Spule sehr groß wird. Zu diesem Zeitpunkt lässt sich die Spulentemperatur nur durch eine Vergrößerung des Drahtdurchmessers des Kupferdrahts (einzel- oder mehradrig) deutlich senken. Wenn die Frequenz im Bereich von f1 bis fc liegt, lässt sich anhand der negativen Impedanzkurve erkennen, dass der äquivalente Widerstand R mit zunehmender Frequenz allmählich ansteigt. Dies zeigt, dass die Energiespeicherfunktion der Schaltungsindektivität mit steigender Frequenz abnimmt und die Verluste mit der Frequenz zunehmen. Der äquivalente Widerstand R steigt in der Nähe des fc-Punktes rasch an; aus magnetischer Sicht absorbiert das magnetische Material die hochfrequente Energie im Schaltkreis und wandelt sie in innere Verluste des Materials um – etwa in Form der Bewegung der Magnetdomänenwand und mikroskopischer Verluste infolge des Mikro-Wirbelstromeffekts. Nahe dem fc-Punkt verliert die Induktivität ihre Energiespeichereigenschaften vollständig. Der Wert von fc hängt von den Eigenschaften der magnetischen Materialien ab. Generell gilt: Ferritmaterialien weisen einen hohen fc-Wert auf, metallische magnetische Materialien hingegen einen niedrigeren. Allerdings lässt sich bei denselben Materialien durch Änderung der Zusammensetzung des Herstellungsprozesses der fc-Wert künstlich einstellen. Überschreitet die Frequenz den Wert von fc, beginnt die Impedanz zu sinken, und bei f2 erscheint ein kleiner Spitzenwert – dies ist die Resonanzabsorption, die durch die parasitäre Kapazität Cw bei hohen Frequenzen verursacht wird. Die Frequenz dieses Spitzenwerts hängt von den Verteilungsparametern der Induktivität ab und hat kaum etwas mit den Materialeigenschaften zu tun. Tatsächlich beruht der Entstör-Effekt von EMI-Filterinduktivitäten auf den spezifischen Eigenschaften der magnetischen Materialien.

EMI-Filter können in Gleichtakt-Störschutzfilter und Gegentakt-Störschutzfilter unterteilt werden. Daher sind die magnetischen Leistungsanforderungen an den Filterinduktor völlig unterschiedlich. Nachfolgend wird dies kurz beschrieben:

(1) Auswahl des Induktormaterials für den Gleichtaktfilter Die Gleichtaktinduktor-Spule ist in Abbildung 1 dargestellt; Lc1 und Lc2 sind zwei unabhängige Spulen, die auf dem magnetischen Ring gewickelt sind und jeweils dieselbe Anzahl von Windungen sowie entgegengesetzte Wicklungsrichtungen aufweisen. Wenn der EMV-Filter an die Schaltung angeschlossen wird, heben sich die von den beiden Spulen erzeugten magnetischen Flüsse im Kern gegenseitig auf, ohne den Kern zu sättigen. Aufgrund des relativ schwachen Störsignals arbeitet der magnetische Kern in der Regel im Bereich eines niedrigen Magnetfeldes, weshalb das magnetische Material für den Gleichtaktfilterinduktor ein Material mit einer hohen Anfangspermeabilität μ0 benötigt. Allerdings handelt es sich hierbei nicht um die Anfangspermeabilität selbst.

Je höher, desto besser – auch die elektrischen Eigenschaften des magnetischen Materials im Schaltkreis sollten berücksichtigt werden. Zur Veranschaulichung sind nachfolgend verschiedene Arten von weichmagnetischen Materialien mit hohem μ0 ausgewählt worden, um deren Frequenz- und Impedanzkurven unter denselben Bedingungen zu messen; dies spiegelt den Trend der Einfügungsverluste des Induktor-Kerns wider. Die jeweiligen Leistungen sind in Tabelle 2 und Abbildung 3 dargestellt.

Kurve IV zeigt einen fremden induktiven Kern (Mn-Zn-Ferrit), der speziell zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen eingesetzt wird. Im Vergleich zu inländischen Ferriten weist dieser Kern im Niederfrequenzbereich von 100 Hz bis 10.000 Hz aufgrund des hohen spezifischen Widerstands des Materials selbst einen geringen Wechselstromäquivalentwiderstand auf, was bedeutet, dass die Verluste des Störsignals in diesem Frequenzbereich äußerst gering sind. Der Strom trägt dabei hauptsächlich zur induktiven Reaktanz bei. Daraus lässt sich schließen, dass Ferritmaterialien keine hemmende Wirkung auf niederfrequente Störsignale haben. Bei ultrakristallinen und 1J851-Materialien nimmt der Widerstand mit zunehmender Frequenz dagegen an, da deren spezifischer Widerstand relativ niedrig ist. Es zeigt sich, dass der durch Wirbelstromverluste verursachte Äquivalenzwiderstand R des Kerns wesentlich größer ist als derjenige von Ferrit. Im Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz steigt der Widerstand R weiter an, und gleichzeitig nimmt auch die Unterdrückung von Störsignalen in diesem Bereich zu. Dabei zeigen 1J851 und ultrakristalline Materialien die stärkste Dämpfung für die Unterdrückung von Störsignalen, während Ferrite nur geringfügig wirken. Für lineare Filter sollte die Stromversorgung mit Betriebsfrequenzen von 50 Hz bis 60 Hz oder 400 Hz bis 800 Hz möglichst selten eliminiert oder gedämpft werden. Bei Störsignalen um 10 kHz ist es am besten, metallische magnetische Materialien (oder amorphe ultrakristalline Materialien) zu verwenden. Die Absorption von Störsignalen durch Ferrite in diesem Frequenzbereich ist offensichtlich nicht so gut wie die von metallischen magnetischen Materialien. In dem Frequenzbereich von etwa 100 kHz bis 1 MHz steigt der Widerstand R des Ferritmaterials sprunghaft an, während der Widerstand des metallischen magnetischen Materials und des ultrakristallinen Materials weiterhin stabil ansteigt; der importierte Ferrit erreicht bei 1 MHz seinen maximalen Wert für R, gefolgt von 1J851. Inländisches Ferrit liegt an dritter Stelle, gefolgt von ultrakristallinem Material – dessen Spitzenwert liegt bei etwa 3 MHz, wobei der Verlauf relativ flach bleibt. Aus dem Kurvenverlauf lässt sich erkennen, dass der maximale Absorptionsgrad des Ferrits zwar bei etwa 7 MHz liegt, jedoch der Absorptionsbereich relativ eng ist, während der Absorptionsbereich metallischer magnetischer Materialien relativ breit ist. Somit unterscheidet sich die Absorptionsempfindlichkeit verschiedener Materialien gegenüber unterschiedlichen Frequenzen erheblich. Daher ist es äußerst wichtig, dass das beim Bau des Gleichtaktfilters verwendete Induktionsmaterial entsprechend dem vom Schaltkreis geforderten Unterdrückungsfrequenzbereich ausgewählt wird. Gleichzeitig zeigt der Vergleich zwischen der Kurve aus Tabelle 1 und Abbildung 2, dass eine höhere Induktivität grundsätzlich vorteilhaft ist; allerdings müssen dabei auch die elektrischen Parameter berücksichtigt werden. So darf die Induktivität nicht durch eine Erhöhung der Windungszahl gesteigert werden, da dies die parasitäre Hochfrequenzkapazität erhöht.

(2 Die Wahl des Induktormaterials für den Differentialmodusfilter unterscheidet sich völlig von der Wahl des Induktormaterials für den Gleichtaktfilter, da Induktor und Last in Reihe geschaltet sind: Der Eingangsstrom oder Ausgangsstrom fließt direkt durch den Induktor-Kern, und sein Wechselstrom (Gleichstrom) ist entsprechend groß. Natürlich können daher keine Materialien mit hoher Permeabilität verwendet werden. Um den Anforderungen an den induktiven Kern des Differentialmodus-Störschutzfilters gerecht zu werden, wird zunächst das Verfahren angewendet, das Demagnetisierungsmagnetfeld mithilfe eines Luftspalts zwischen Ferrit- oder metallischen magnetischen Materialien zu erhöhen, um die Permeabilität zu verringern und die Sättigungsfestigkeit des Kerns zu steigern. Allerdings ist dieses Vorgehen offensichtlich ungeeignet für die Störschutzfilterung von Wechselströmen, die am Netzanschluss eingesetzt werden.

Nicht nur entsteht an dem offenen Luftspalt ein starkes wechselndes Streumagnetfeld aufgrund starker Strahlungsstörungen, sondern es treten auch lokale Verluste an der Luftspaltbruchstelle sowie Erwärmung auf, was zur Verschlechterung oder sogar zum Verschwinden des Ferritmagnetismus führt. Da die Curie-Temperatur von Ferrit bei 200 °C liegt, sinkt die Permeabilität μ0 bei dieser Temperatur auf null ab; zu diesem Zeitpunkt geht auch der Filtereffekt verloren. Darüber hinaus entstehen aufgrund der Magnetostriktion neue mechanische Geräusche am Luftspalt, die die Umwelt belasten. Aus diesem Grund setzen die Menschen neuartige Verbund-Magnetpulverkerne ein. Dieser Kerntyp ist derzeit das idealste Filterinduktionsmaterial: Es handelt sich um metallisches weichmagnetisches Pulver, das durch isolierende Ummantelung, Pressen und Glühen hergestellt wird. Der Kern entspricht einem konzentrierten Luftspalt, der in winzige Löcher zerstreut ist und gleichmäßig im Kern verteilt ist. Dadurch erhöht sich nicht nur die Sättigungsstärke des Materials, sondern auch der spezifische Widerstand des Kerns gegenüber dem ursprünglichen Wert um mehrere Größenordnungen und wird isotropisch. Somit werden die Nachteile metallischer magnetischer Materialien, die bei hohen Frequenzen nicht eingesetzt werden können, überwunden. Aus diesem Grund verwenden sämtliche Differenzmodus-Filterinduktoren im Ausland statt offener Ferritkerne nun Magnetpulverkerne. Die Frequenz-Impedanz-Kurven wurden mit Magnetpulverkernen verschiedener Eigenschaften gemessen (siehe Abbildung 4). Die Kurvenveränderung in der Abbildung zeigt Induktoren mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften; deren Impedanz und Frequenzverlauf unterscheiden sich deutlich voneinander. Die Impedanz der Eisenpulverkerne SF70 und 55930 bleibt bei Störfrequenzen unter 2 kHz praktisch unverändert, was auf keine Absorption hinweist, während bei SF30 bereits bei Frequenzen unter 60 kHz keine Absorptionseffekte auf das Signal mehr auftreten. Die Absorption steigt rasch an etwa 2 MHz an und erreicht ihren stärksten Effekt nahe 10 MHz, während sie bei SF70 erst bei 100 kHz merklich zunimmt. Später ändert sich wenig weiter. Man erkennt, dass sich für Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften auch die Absorptionsfrequenzbänder für Störsignale unterscheiden. Die meisten elektronischen Dimmgeräte, die im In- und Ausland weit verbreitet sind, nutzen Phasenverschiebungsdimmer mit Thyristoren. Im Moment der Thyristorleitung entstehen aufgrund plötzlicher Stromänderungen zahlreiche hochfrequente Harmonische, die elektromagnetische Störungen verursachen. Diese Störungen beeinträchtigen nicht nur schwerwiegend Audioanlagen, Lampen, Videorecorder und andere Geräte, sondern stören auch ernsthaft das Stromnetzsystem. Daher müssen Entstörinduktoren installiert werden (LeeColorTran in den USA, Lank im Vereinigten Königreich und RDS in Japan wenden diese Methode zur Unterdrückung von Störungen an). Zur Vereinfachung wird der Anstiegszeitpunkt des Analysestroms tr verwendet, um den Grad der Immunität des Induktorkerns zu bestimmen. Die Daten für verschiedene Materialien sind in Tabelle 3 dargestellt.

Der Effekt der Unterdrückung von Störungen bei der industriellen Erkennung von Dimmlampen lässt sich durch die Stromanstiegszeit tr ausdrücken, wenn der elektronische Dimmer eingeschaltet wird. Je länger die Anstiegszeit, desto geringer ist der Anteil der höheren Harmonischen im Schaltkreis und desto besser ist der Unterdrückungseffekt. Aus der Tabelle lässt sich leicht erkennen, dass die Anstiegszeit des inländischen Induktors ZW-1 bis zu 450 μs betragen kann, während dessen magnetische Permeabilität nur 70 beträgt. Obwohl der offene amorphen Bandkern die höchste Permeabilität (μe = 800) aufweist, ist seine Stromanstiegszeit mit nur 100 μs viel zu kurz, und es treten erhebliche mechanische Geräusche auf. Dies zeigt, dass die Entstörungsfähigkeit nach dem Einbau einer Induktivität weder bei hoher magnetischer Permeabilität noch bei niedriger magnetischer Permeabilität gut ist, sondern vielmehr von dem gewählten magnetischen Material abhängt. Zur weiteren Analyse wird die Störspannung verschiedener Materialien unter gleichen Bedingungen gemessen; Abbildung 5 zeigt die Spannungs- und Frequenzkurve, die vom britischen Lank sowie vom inländischen ZW-1-Magnetpulverkern und vom normal geöffneten Kern an den Netzanschlusspunkten stammt und Störungen verursacht.

Laut den Messergebnissen von «Zulässiger Wert und Messmethode für Funkstörungen elektronischer Dimmgeräte» lässt sich leicht erkennen, dass der inländische Induktor ZW-1 und der britische Lank im Vergleich zu anderen Induktoren einen Störfestigkeitsgrad aufweisen, der unter dem Standard A liegt. Währenddessen überschreiten die britischen Lank-Induktoren im Frequenzband von 0,16 MHz bis 3,5 MHz den Standard, und der aus offenem Siliziumstahlblech gefertigte Entstörinduktor übersteigt in dem Frequenzbereich von 0,01 MHz bis 1,2 MHz ebenfalls die vorgeschriebene Grenze. Es ist unmöglich, mit einem offenen Kern als Entstörinduktor den Standard einzuhalten. Derzeit verwenden die meisten inländischen Dimmlampen Ferrit-Magnetringe als Entstörinduktoren – ein offensichtlicher Fehler. Anstatt Störungen zu unterdrücken, verstärken diese Ferritkerne sie sogar, da Ferrite stets im Sättigungsbereich arbeiten.

Abbildung 6 zeigt die Dämpfungskurve eines 100-A-Entstörfilters für einen programmgesteuerten Schalter. Die Entstör-Dämpfungskurve I stammt von einem vergleichbaren importierten Filter; in dem Frequenzbereich von 0,01 MHz bis 100 MHz ist die Dämpfung des Störsignals relativ gleichmäßig und glatt. Bei Kurve II wird offenporiger Ferrit als Filter verwendet; der Spitzenwert bei einer Frequenz von 0,4 MHz bis 0,8 MHz deutet darauf hin, dass die Dämpfung des Störsignals in diesem Frequenzband gering ist und somit nicht den Anforderungen entspricht. Später wurde dieser Filter durch den Eisenpulverkern der US-amerikanischen Firma Micrometals ersetzt; dabei zeigte sich, dass die Entstörfähigkeit im Bereich von 0,2 MHz bis 0,45 MHz schwach war (wie in Kurve III). Obwohl dieser Kern besser war als offenporiger Ferrit, blieb er dennoch nicht ideal. Denn das nervenaufreibendste Problem für die Kommunikationsstromversorgung sind niederfrequente Störungen. Später erwies sich der Störfilter mit speziell entwickeltem magnetischem Pulverkern – wie in Kurve IV – als leistungsfähiger als Kurve II und III und übertraf sogar die Leistung ähnlicher ausländischer Filter. Aus den oben genannten Beispielen geht hervor, dass bei der Entwicklung von EMV-Filtern besondere Aufmerksamkeit auf die Auswahl der Filterinduktivitäten zu richten ist. Dabei gilt nicht nur, das geeignete magnetische Material auszuwählen, sondern auch solche magnetischen Eigenschaften zu wählen, die genau auf den erforderlichen Dämpfungsbereich abgestimmt sind. Daher spielt die Auswahl des magnetischen Materials eine entscheidende Rolle bei EMV-Filtern.

4 Der Entwicklungstrend von Entstörfiltern

Aktuelle elektronische Schaltkreise wandeln sich hin zu hochgeschwindigkeitsfähigen digitalen Schaltkreisen. Eine hohe Bauteildichte und hohe Rechengeschwindigkeit stellen höhere Anforderungen an die EMV. Die Miniaturisierung, Multifunktionalität und mobile Entwicklung elektronischer Produkte haben den Übergang elektronischer Komponenten zu Oberflächenmontagetechnologien in den Montageverfahren gefördert und somit die Störungen weiter reduziert. Gleichzeitig ist es zur Verbesserung der dynamischen Ansprache und zur Reduzierung von Störungen notwendig, die Leitungsindektanz des Stromversorgungsbus zu verringern. Die effektivste Methode hierfür besteht darin, die Stromversorgung direkt in der Nähe des Verbrauchers anzubringen und statt einer zentralisierten Stromversorgung (eine Hochleistungsquelle) eine dezentrale Stromversorgungsmethode (d. h. eine kleine Stromquelle) einzusetzen, wodurch die Länge der Zuleitungen erheblich verkürzt und die strahlungsbedingten Störungen effektiv reduziert werden können. Daher werden die Vereinigten Staaten in den kommenden Jahren energisch leistungsarme DC/DC-Schaltsteller mit 16 W bis 25 W und niedriger Spannung (Ausgangsspannung mindestens 1,2 V) entwickeln. Es zeigt sich, dass Chip-Magnetbauelemente zu den Schlüsselmaterialien für die Miniaturisierung gehören; sie lassen sich unterteilen in gewickelte Chip-Induktoren, laminierte Chip-Induktoren und Dünnfilm-Chip-Induktoren. Zu diesem Zweck hat das Shanghai Iron and Steel Research Institute begonnen, Metallfilmspulen und Dünnfilmschaltwandlerkomponenten zu entwickeln. Derzeit haben einige bedeutende Forschungsinstitute in den USA und Japan mit der Erforschung von Dünnfilmspulen und Dünnfilmschaltern begonnen und kombinieren diese mit integrierten Bauelementen zu neuartigen ultrakleinen, hochzuverlässigen und störfesten Leistungsmodulen. Daraus wird ersichtlich, dass ultrakleine Induktoren und Transformatoren die Entwicklungsrichtung für magnetische Bauelemente im 21. Jahrhundert sein werden.