Ratgeber
In elektronischen Geräten wie Schaltnetzteilen und schnellen digitale Schaltungen entstehen selbst im Normalbetrieb hochfrequente Spannungen und Ströme. Eine Abschirmung durch das Gehäuse reicht oft nicht aus. Abhilfe bringen Netzfilter. Sie verhindern einerseits, dass hochfrequente Signale des Geräts die Eingangsnetzleitung erreichen. Andererseits sorgen sie für eine erhebliche Dämpfung der Signale, bevor diese die Elektronik des Geräts negativ beeinflussen.
Lesen Sie hier, wie Netzfilter funktionieren und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.
Der Begriff EMI steht für electromagnetic interference, zu Deutsch elektromagnetische Störung. Darunter ist eine von einer externen Quelle erzeugte Störung zu verstehen, die einen elektrischen Schaltkreis durch elektromagnetische Induktion, elektrostatische Kopplung oder Leitung negativ beeinflusst.
Die Störung kann die Leistung eines Schaltkreises verschlechtern oder ihn sogar funktionsunfähig machen. Sowohl vom Menschen geschaffene als auch natürliche Quellen erzeugen wechselnde elektrische Ströme und Spannungen, die als Ursache für EMI infrage kommen. Dazu gehören beispielsweise Zündanlagen, das zellulare Netzwerk von Mobiltelefonen, Blitze, Sonneneruptionen, Polarlichter oder oft nur das Ein- und Ausschalter elektrischer Lasten. EMI kann die Funktion von Mobiltelefonen, UKW-Radios, HiFi-Anlagen und Fernsehgeräten teilweise erheblich beeinträchtigen.
EMV wiederum bezeichnet die elektromagnetische Verträglichkeit elektrischer Komponenten. Das heißt: EMV-konforme Geräte und Systeme begrenzen die unbeabsichtigte Erzeugung, Ausbreitung und den Empfang elektromagnetischer Energie, um unerwünschte elektromagnetische Störungen – siehe oben – in Betriebsmitteln auszuschließen. Ziel der EMV ist der korrekte Betrieb verschiedener Geräte in einer gemeinsamen elektromagnetischen Umgebung.
Ein Netzfilter kann dazu beitragen, dass externe Transienten und Spannungsspitzen auf der Netzleitung nicht in das Gerätegehäuse eindringen.
Diese Art von Störung entsteht häufig durch das Ein- und Ausschalten anderer wechselstrombetriebener Geräte. Die im Netzfilter eingesetzte Serieninduktivität und die Kapazität von Leitung zu Leitung und von Außenleiter zu Nullleiter können Transienten wirksam dämpfen, so dass sie die empfindlichen Schaltungen im Gehäuse nicht stören.
Ins Gerät hineinführende Netzleitungen können zudem sowohl als Antenne als auch als niederohmiger Leitungspfad für im Gerät vorhandene hochfrequente Signale dienen. Es besteht die Gefahr, dass diese Signale entweder induktiv oder kapazitiv zum Beispiel in Schaltkreise einkoppeln.
In geringerem Maß – aber immer noch als ein potenzielles Problem – können Wechselstromleitungen auch induzierte Signale von Magnetfeldern im Inneren des Gehäuses aufnehmen und an andere Geräte im Stromnetz beispielsweise über eine Steckdosenleiste weitergeben.
Netzfilter, auch EMI-Filter genannt, sind in der Regel passive elektrische Bauteile. Sie lassen Gleichspannungen und niederfrequente Wechselspannungen passieren und unterdrücken hochfrequente Störanteile. Die weitaus meisten Netzfilter sind für elektromagnetische Störungen im Stromnetz konzipiert und bestehen normalerweise aus Induktoren, Kondensatoren und Widerständen.
Entsprechend den Eigenschaften typischer EMI am Netzanschluss ist der Netzfilter ein Tiefpassfilter, der den Wechselstrom mit seiner Frequenz von 50 Hertz ohne Dämpfung an die Stromversorgung weiterleitet und das mit dem Wechselstrom eingehende EMI-Rauschen stark dämpft. Außerdem unterdrückt er effektiv EMI-Störungen, die von Leistungsgeräten erzeugt werden. Damit wird verhindert, dass diese in das Wechselstromnetz gelangen und andere elektronische Geräte stören. Ein EMI-Filter ist also gleichzeitig auch ein EMV-Filter.
Bei der Auswahl des Netzfilters sollten drei Hauptindikatoren berücksichtigt werden: erstens die Spannung und der Strom, zweitens die Einfügungsdämpfung und drittens die Größe und Struktur. Da der Filter im Inneren typischerweise vergossen ist, spielt die Umgebung keine große Rolle. Allerdings haben die Temperatureigenschaften aller Vergussmaterialien und Filterkondensatoren einen gewissen Einfluss auf den Netzfilter.
Hinsichtlich der Nennspannung sind die weitaus meisten erhältlichen Netzfilter auf 230 Volt Wechselstrom ausgelegt, es gibt aber auch Typen für 305, 440 und 500 Volt Wechselstrom sowie für 300 Volt Gleichstrom. Die Strombelastbarkeit reicht von 1 bis 48 Ampere. Da Netzfilter unmittelbar mit der Netzspannungsversorgung eines Geräts zu tun haben, sind diese Komponenten überwiegend mit einer dreipoligen Kaltgerätebuchse für 230 Volt Wechselstrom ausgestattet. Optional stehen zusätzlich integrierte Schalter, Feinsicherungen und Netzspannungswähler zur Verfügung. Modelle für 250 und mehr Volt verfügen über Schraubanschlüsse für den Stromeingang.
In der Beschreibung von Netzfiltern taucht immer die Eigenschaft mH auf. Was hat es damit auf sich?
Die Abkürzung steht für Millihenry, den tausendsten Teil eines Henry. Dieser Wert repräsentiert die SI-abgeleitete Einheit der elektrischen Induktivität. So besitzt eine Spule die Induktivität von genau einem Henry, wenn bei gleichförmiger Stromänderung von einem Ampere in einer Sekunde eine Selbstinduktionsspannung von einem Volt entsteht. Die Einheit ist nach dem amerikanischen Wissenschaftler Joseph Henry (1797 bis 1878) benannt, der die elektromagnetische Induktion unabhängig von Michael Faraday (1791 bis 1867) entdeckte.
Welcher Norm müssen Netzfilter für medizinische Geräte entsprechen?
International ist dies die Norm IEC 60601-1, auf europäischer beziehungsweise nationaler Ebene gelten DIN EN 60601-1 und VDE 0750. Festgelegt werden darin allgemeine Vorgaben für die Sicherheit medizinischer elektrischer Geräte einschließlich der wesentlichen Leistungsmerkmale.
In welchen Frequenzbereichen wirken Netzfilter am besten?
Filter für Netzspannungen sind häufig für den Frequenzbereich von 150 Kilohertz bis 30 Megahertz optimiert, gleichzeitig bieten sie aber oft auch eine Dämpfung bei etwa 400 Megahertz für das als Antenne wirkende Netzkabel.
Worauf ist bei der Montage eines Netzfilters besonders zu achten?
Eine wichtige Voraussetzung für die Wirksamkeit ist die Platzierung des Filters im Gehäuse. Der Filter sollte unmittelbar an der Eintrittsstelle der Stromversorgung montiert sein. Bei Filtern mit integrierter Kaltgerätebuchse ist dies immer der Fall ist, bei höheren Wechselspannungen oder Gleichspannungen aber fehlt in der Regel eine solche Buchse.
Vermieden werden sollte außerdem eine unsachgemäße Verlegung der Leitungen. Bündeln oder kreuzen Sie nicht die Eingangs- und Ausgangsleitungen der Filterdrähte. Auch hier gilt: Wenn sich die Leitungen kreuzen, lässt sich ein Übersprechen der Signale zwischen den Drähten kaum verhindern.
Besteht bei der Einrichtung eines Netzwerks über Powerline (PLC – Datenkommunikation über das Stromnetz) die Gefahr von EMI?
Normalerweise sind die Powerline-Zwischenstecker mit einem integrierten Netzfilter ausgestattet. Dennoch kann es vorkommen, dass die ungeschirmten Netzleitungen wie Antennen funktionieren und Frequenzen bis in den zweistelligen Megahertz-Bereich abstrahlen. Da hilft nur die Umstellung auf WLAN oder Ethernet-Kabel.