Juni 2009

EMV-Filter

Neue Einsatzfelder dank verringertem Ableitstrom

Immer mehr elektronische Geräte und ihre Wechselwirkung führen dazu, dass passende EMV-Filter heute wichtiger sind denn je. Dabei gilt es nicht nur die EMV-Gerätegrenzwerte einzuhalten (Störaussendung), sondern der zuverlässige Betrieb des Geräts muss selbst unter schwierigen Bedingungen gewährleistet sein. So ist auch der Schutz gegen Störungen von anderen Geräten und aus dem Netz erforderlich (Beeinflussung). Ein zuverlässiger EMV-Schutz trägt wesentlich zur Sicherung der Maschinenverfügbarkeit bei, was wiederum Hersteller von Systemen, Maschinen und Anlagen als Verkaufsargument für ihre Produkte nutzen können.


Die 2-Leiter-Filter der neuen SIFI®-Serien von EPCOS werden inzwischen in den vielfältigsten Anwendungen erfolgreich eingesetzt. Durch die Verwendung innovativer Materialien ließen sich die Abmessungen der neuen SIFI-Serien gegenüber ihren Vorgängertypen bei gleicher Stromtragfähigkeit weiter verringern. Daneben wurden Kostensenkungen durch konstruktive Verbesserungen erreicht.

 ABBILDUNG 1: AUSWAHLHILFE FÜR EMV-FILTER DER SIFI-FAMILIE

Alle Filter der drei SIFI-Familien sind nun auch mit einem verringerten Ableitstrom von nur 0,002 mA verfügbar und eignen sich damit für Anwendungen in der Medizintechnik.

Derzeit bietet EPCOS drei neue SIFI-Familien: SIFI-F (B84111F), SIFI-G (B84112G) und SIFI-H (B84113H). Sie wurden als modular aufgebaute Standardfilter mit unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften für 1-Phasensysteme (2-Leiter) entwickelt. Abbildung 1 bietet eine Auswahlhilfe und führt in wenigen Schritten zum EMV-Filter mit den richtig dimensionierten Eigenschaften und damit zur kostengünstigsten Lösung.

Die neuen SIFI-Familien unterscheiden sich hauptsächlich in den Dämpfungseigenschaften und Abmessungen. SIFI-F (B84111F) deckt mit den kleinsten Abmessungen den Bereich der normalen Anforderungen an die Entstörwirkung ab. Selbst ein begrenztes Raumangebot reicht meist für SIFI-F, denn das Gehäuse der 10-A-Version benötigt inklusive der Anschlüsse und Befestigungslaschen nur eine Grundfläche von 60 x 60 mm2.


Bei erhöhten Anforderungen an die Dämpfungseigenschaften empfiehlt sich der Einsatz von SIFI-G (B84112G). Besonders bei Frequenzen unterhalb von 1 MHz bietet es gegenüber SIFI-F verbesserte Werte bei der asymmetrischen Einfügungsdämpfung. In Abbildung 2 ist die asymmetrische Einfügungsdämpfung (Common Mode) der 3-A-Versionen von SIFI-F (B84111FB30), SIFI-G (B84112GB30) und SIFI-H (B84113HB30) in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt.

 ABBILDUNG 2: DÄMPFUNGSVERLAUF UNTERSCHIEDLICHER SIFI-TYPEN

Vergleich asymmetrische Einfügungsdämpfung von 3A-Versionen von SIFI-F, SIFI-G und SIFI-H in Abhängigkeit von der Frequenz.

Reicht die Einfügungsdämpfung von SIFI-G nicht aus, sollte SIFI-H (B84113H) eingesetzt werden. Es ist ein zweistufiges Filter mit der höchsten Einfügungsdämpfung. Bereits ab ca. 0,1 MHz und bis ca. 50 MHz reduziert es zuverlässig die leitungsgebundenen symmetrischen und asymmetrischen Störspannungen. Damit können je nach Störquelle auch für starke Störer hohe Anforderungen wie zum Beispiel die Grenzwerte der Klasse C1 nach EN 61800−3 (2004) für leitungsgebundene Störspannungen eingehalten werden.


Wenn anhand der Dämpfungsanforderungen die passende SIFI-Familie (F, G oder H) gewählt ist, gilt es den Ableitstrom zu betrachten. Alle neuen SIFI sind sowohl als Standard-, als auch als Version für die Medizintechnik verfügbar. Die Standardversion hat je nach Ausführung einen Ableitstrom im Bereich von 0,5 bis 3,5 mA. Bei der Filterversion für die Medizintechnik wurde der Ableitstrom auf maximal 0,002 mA begrenzt, da für diesen bei solchen Anwendungen strenge Grenzen gelten.


Bei der Auswahl des Bemessungsstroms stehen Filter von 3 A bis 36 A zur Verfügung. Die Bemessungsspannung beträgt für alle Typen 250 VDC/AC. Eine Optimierung der eingesetzten Komponenten ermöglicht die Steigerung der maximalen Umgebungstemperatur auf 100 °C, entsprechend Klimakategorie 25/100/21 nach IEC 60068-1. Dies führt bei höheren Temperaturen zu einem geringeren und damit verbesserten Stromderating. Selbstverständlich wurde das komplette SIFI-Spektrum UL-, cUL- und ENEC-approbiert. Damit wird die Zulassung der Endprodukte für den amerikanischen, kanadischen und europäischen Markt erleichtert. Als Anschlüsse dienen bei SIFI-G und H Flachstecker bis 16 A und Gewindebolzen ab 20 A. SIFI-F hat Flachstecker bis 20 A und Gewindebolzen ab 25 A.


Breites Anwendungsspektrum


Die Version für die Medizintechnik wird dort eingesetzt, wo es auf einen geringen Ableitstrom ankommt. Dies kann der Fall sein bei Röntgengeräten, Computertomographen, Ultraschallgeräten und anderen Diagnosegeräten.


Gerade in der Medizintechnik ist eine leistungsstarke und zuverlässige EMV wichtig, da Patienten in engsten Kontakt mit den medizinischen Diagnosegeräten kommen. Entsprechend müssen Ableitströme gering gehalten werden und Gerätefehlfunktionen z.B. bei lebenserhaltenden Systemen ausgeschlossen werden. Aber auch bei anderen Anwendungen, bei denen der Ableitstrom begrenzt werden muss, kann die SIFI-Version für die Medizintechnik eingesetzt werden – etwa bei einem Einsatz in einer FI-Schutzschalter-Umgebung.

 ABBILDUNG 3: STÖRSPANNUNGSMESSUNG

Störspannung gegen Frequenz ohne EMV-Filter (oben) und mit EMV-Filter B84112GG125 (unten). Die blauen Kurven zeigen die gemessenen Durchschnittswerte (Average Peak), die roten Kurven die Ergebnisse der Quasi-Peak-Messung.

Die Standardversionen der SIFI werden in nahezu allen Bereichen der Industrie-Elektronik verwendet; sowohl in AC wie auch in DC-Anwendungen. SIFI werden wegen ihrer hohen Leistungsfähigkeit und der kompakten Abmessungen in Schweißgeräten, Messgeräten, Maschinensteuerungen ebenso verbaut wie in Fitnessgeräten oder Telekommunikationsanlagen. Auch in Stromversorgungen von kleinen Maschinen, Schaltschränken und Lüfteranlagen haben sie sich schon vielfach bewährt.


Zudem werden sie vermehrt in Solarwechselrichtern eingesetzt. In Abbildung 3 sind beispielhaft die Störspannungsmessungen an einem Solarwechselrichter zu sehen. Im ersten Fall – ohne EMV-Filter – liegen die Werte teilweise deutlich über den Grenzwerten der Klasse A (industrielle Umgebung). Im zweiten Fall wurde ein SIFI-G B84112GG125 (25A) mit erhöhter Dämpfung eingesetzt. Damit konnten die Störspannungen auf Werte unterhalb der Grenzen für Klasse A nach DIN EN 55011 (2007) reduziert werden.

Alle SIFI sind in kleinen Mengen ab Lager verfügbar. Die Bestellbezeichnungen starten mit B84111F* (SIFI-F), B84112G* (SIFI-G) bzw. B84113H* (SIFI-H). Auch werden die Vorgänger-Produktfamilien von SIFI, also SIFI-A, SIFI-B, SIFI-C, SIFI-D und SIFI-E, weiterhin gefertigt. Allerdings sollten für neue Designs vorzugsweise neue SIFI-Versionen berücksichtigt werden. So kann in der Regel SIFI-A durch SIFI-F, SIFI-B durch SIFI-G und SIFI-C durch SIFI-H ersetzt werden.

 EINBAUHINWEISE FÜR EMV-FILTER
Beim Einbau des Filters sollte das Gehäuse möglichst großflächig mit der Masse (Oberfläche ohne Lackschicht) der anderen Baugruppen verbunden werden. Dies ist besonders bei Störfrequenzen >1 MHz zu beachten. Bei solch hohen Frequenzen ist der Masse-Anschluss per Kabellitze unbedingt zu vermeiden (siehe Abbildung).

Eine Kabellitze von 10 cm Länge hat eine Impedanz von ca. 140 nH. Damit ergibt sich zum Beispiel bei einer Störfrequenz von 20 MHz bereits eine Impedanz von 17 Ω. Dies ist als Masseverbindung zu hochohmig, so dass aufgrund dieser Litzenanbindung im höherfrequenten Bereich praktisch keine Filterwirkung unabhängig von dem eingesetzten Filter mehr erzielt wird. Ob ein- oder zweistufig, in diesem Beispiel würden alle Filterkonzepte versagen. Einzig die niederohmige, breitflächige Massung schafft Abhilfe.

Eine in der Praxis häufig auftauchende Fehlerquelle ist die fehlende Trennung von störbehafteten Leitungen und gefilterten Leitungen. Dadurch können Störungen überkoppeln und somit die Filterwirkung stark reduzieren. Daher ist in jedem Fall auf eine räumliche Trennung von ungefilterten und gefilterten Leitungen zu achten. Wo dies nicht möglich ist, müssen Trennbleche oder Kalbelkanäle die Leitungen voneinander entkoppeln. Abhilfe kann auch eine rechtwinklige Kreuzung oder eine Verdrillung der Leitungen schaffen. Dadurch kann die magnetische Streufeldkopplung verringert werden. Beim Einsatz von geschirmten Leitungen muss der Schirm beidseitig großflächig mit dem Bezugspotential verbunden werden.

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