Elektromagnetische Verträglichkeit

von Beleuchtungseinrichtungen

EMV-Entstördrosseln für die Lichttechnik

Application Note

Bild 1: Grenzwerte mit unentstörten Harmonischen eines Festfrequenz-Schaltreglers

[dBµV]

100

80

60

40

20

0

0.01 0.1 1 10 100

Frequenz [MHz]

EN 55015, leistungsgebundene Stör-Strahlung

CE-Kennzeichnung und Konformitätserklärung

Im Zuge der Durchsetzung der EMV-Richtlinie wurde auch für die Lichttech-

nik mit einer Harmonisierung der Normen sichergestellt, dass im europäi-

schen Binnenraum hinsichtlich der EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)

eine einheitliche Bewertung erfolgt. Leuchten und Leuchtenzubehör dürfen

nur dann in der EU in Verkehr gebracht werden, wenn der Hersteller oder

sein Vertreter dies durch eine entsprechende Konformitätserklärung bestä-

tigt. Hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Störfestig-

keit gelten dafür eigene Standards, die von den Normen für Haushalt und

Industrie in einigen Punkten abweichen.

EN 55015

Die Norm gilt für alle Beleuchtungseinrichtungen und deren Zubehör.

Ausgenommen sind Einrichtungen, die in ISM-Frequenzbändern (Industrial,

Scientific, Medical) arbeiten, Lichttechnik in Flugzeugen, Flughäfen oder

anderen ausdrücklich ausgenommenen Geräten. Für alle anderen Beleuch-

tungseinrichtungen sind die Grenzwerte für die leistungsgebundene und

die abgestrahlte Störaussendung hier festgelegt.

Der Beschluss der EU, die

Glühbirne bis 2012 endgültig

abzuschaffen, die Fortschritte

bei der Leuchtkraft von Leucht-

dioden (LED) oder die Weiterent-

wicklungen bei Nieder- und

Hochdruck-Entladungslampen

führen zu einer starken Zunah-

me von Elektronikbaugruppen

in der Lichttechnik.

2

Oberschwingungsordnung Zulässiger Höchstwert des Zulässiger Höchstwert des

Oberschwingungsstromes Oberschwingungsstromes [A]

[n] je W [mA/W] [A]

3 3,4 2,3

5 1,9 1,14

7 1,0 0,77

9 0,5 0,040

11 0,35 0.,33

13–39 3,85/n 0.15 × 15/n

Tabelle 1

Leitungsgebundene Störaussendungen

Für den Netzanschluss gelten folgende Grenzwerte:

Zwischen 9 kHz und 50 kHz ist ein Quasi-Peak (QP) von 110 dBμV zulässig. Ab

50 kHz bis 150 kHz verläuft der Grenzwert linear mit dem Logarithmus der

Frequenz von 90 auf 80 dBμV. Ab 150 kHz entsprechen die Limits für QP und

Average (AV) der Fachgrundnorm Störaussendung für Wohnbereich,

Geschäfts- und Gewerbebereich sowie Kleinbetriebe EN 61000-6-3.

Da die Elektronik und die Leuchtmittel nicht immer eine Einheit bilden und

somit auch Störaussendungen durch das Kabel zum Leuchtmittel entstehen

können, sind für die Lampenanschlüsse ebenfalls Grenzwerte vorgeschrie-

ben. Diese betragen QP (AV) 80 (70) dBμV von 150 bis 500 kHz und QP (AV)

74 (64) dBμV von 0,5 bis 30 MHz. Aufbau und Test mit einer Lastnachbildung

des Leuchtmittels sind ebenfalls beschrieben. Für Steuereingänge sind

Grenzwerte definiert, falls die Elektronik darüber verfügt.

Abgestrahlte Störaussendungen

Für die feldgebundene Störstrahlung gilt zwischen 30 MHz und 230 MHz ein

QP-Grenzwert von 30 dB (μV/m) und von 230 bis 300 MHz von 37 dB (μV/m)

bei einer Messentfernung von 10 m.

EN 61000-3-2

In dieser Norm sind die zulässigen Oberschwingungsströme für Geräte mit

einem Eingangsstrom von bis zu 16 A je Leiter beschrieben. Beleuchtungs-

einrichtungen und deren Zubehör fallen in die Klasse C.

Bis zu einer Eingangswirkleistung von 25 W gelten für Beleuchtungseinrich-

tungen für Entladungslampen die moderaten Grenzwerte, die ohne Korrek-

tur des Leistungsfaktors erreicht werden können (Tabelle 1). Für alle anderen

Beleuchtungseinrichtungen (z. B. LED-Lampen, Zünd- und Startgeräte) sind

bis 25W keine Grenzwerte für Oberschwingungen vorgeschrieben.

Alternativ zu den Grenzwerten von Tabelle 1 genügt es auch, wenn der

Oberschwingungsstrom 3. Ordnung 86% und der Oberschwingungsstrom

5. Ordnung 61% des Grundschwingungsstromes nicht überschreiten, die

Stromflussdauer mindestens von 60° bis 90° geht und der Spitzenwert vor

oder bei 65° erreicht wird.

3

Tabelle 2: * λ ist der Leistungsfaktor der Schaltung

Oberschwingungsordnung Zulässiger Höchstwert des

Oberschwingungsstromes in Prozent des

Grundschwingungseingangsstromes [%]

2 2

3 30 λ *

5 10

7 7

9 5

11–39 3

Für Einrichtungen mit einer Eingangswirkleistung von > 25 W gelten folgen-

de Werte:

Die Norm erlaubt den Einsatz mehrerer Betriebsgeräte mit < 25 W in einer

Leuchte mit den Grenzwerten für < 25 W.

EN 61000-3-3

Diese Norm beschreibt die Grenzwerte für Spannungsschwankungen und

Flicker in Niederspannungsnetzen bis zu 16 A je Leiter. Für Lampen gelten

keine Grenzwerte. Leuchten mit Glühlampen bis 1000 W Bemessungsleis-

tung und Leuchten mit Entladungslampen bis 600 W Bemessungsleistung

müssen nicht geprüft werden.

EN 61547

Hier sind die Störfestigkeitsanforderungen für Einrichtungen für allgemeine

Beleuchtungszwecke festgelegt. Für die Tests wie elektrostatische

Entladung, HF-EM-Feld, NF-EM-Feld, Burst, Surge, Spannungseinbrüche wird

auf die entsprechenden Fachgrundnormen EN 61000-4-x verwiesen und der

Schärfegrad der Prüfungen sowie die Kriterien für die verschiedenen Arten

von Beleuchtungseinrichtungen (z. B. Startergeräte, Entladungslampen,

Notbeleuchtungen) werden individuell festgelegt.

EMV-Filter in der Lichttechnik

Ziel der Entstörmassnahme ist es, die Ausbreitung der in der Elektronik

erzeugten Störströme zu vermeiden. Leitungsgebundene Störungen

breiten sich in erster Linie über die Netzleitung und die Leitung zum Leucht-

mittel aus. Bei Beleuchtungseinrichtungen grösserer Leistung ist der Einsatz

von IEC-Steckerfiltern oder Einphasen-EMV-Filtern auf der Netzseite möglich.

Bild 2: Blockschaltbild mit EMV-Filter

4

Netz EMV-Filter Gleichrichter

Leistungs-elektronik

EMV-Filter Last

Leuchtmittel

Bild 4: Typische Anordnung eines Netzfilters

Bei kleineren Leistungen ist die Integration des Filters auf der Leiterplatte mit

Hilfe von stromkompensierten Drosseln empfehlenswert. Die RN-Serie

ermöglicht durch den Einsatz von Ringkernen den Aufbau von EMV-Filtern

mit hoher Leistungsdichte, hat eine hohe Sättigungsfestigkeit sowie ein

ausgezeichnetes thermisches Verhalten.

Durch den geschlossenen Ringkern und die kompakte Bauform des

Magnetkreises sind RN-Drosseln weniger empfindlich gegen elektromagne-

tische Verkopplungen als andere Bauformen.

Auslegung eines Netzfilters für die Lichttechnik

Anhand eines typischen Netzfilters sei die Wirkungsweise der Einzelkompo-

nenten kurz erklärt. Ein Ausbreitungsweg für Störungen sind parasitäre

Kapazitäten der Störquelle gegen Erde. Typisches Beispiel hierfür bei

leistungselektronischen Baugruppen ist der Kühlkörper. Die Störströme

fliessen über die parasitäre Kapazität zur Erde und über die Netzleitungen

oder andere Leitungen zur Störquelle zurück. Diese Störung wird als Gleich-

taktstörung (common mode) oder asymmetrische Störung bezeichnet.

Um eine Ausbreitung über die Netzleitung zu vermeiden, bilden die lastseiti-

gen Y-Kondensatoren im Filter eine Störsenke. Gleichzeitig wird die Impe-

danz der Netzleiter durch eine stromkompensierte Drossel erhöht. Bei

kleinen Leistungen, geringer parasitärer Kapazität gegen Erde oder hohen

Anforderungen an die Ableitströme wie in der Medizintechnik kann auf die

Entstörung mit Y-Kondensatoren auch verzichtet werden.

Der zweite Weg der Ausbreitung von Störungen ist die Gegentaktstörung

(differential mode) oder symmetrische Störung. Typische Quelle dafür ist der

Spannungsrippel, den der Schaltvorgang und Impedanzen der zur Störquel-

le parallelen Bauelemente wie Kondensatoren und deren Leiterbahnen zu

den Anschlüssen verursachen.

Bild 3: Stromkompensierte Ringkern-Drosseln von Schaffner von 0,3 bis 10 A

5

P

N

PE

Line

Cx-1 R L Cx-2 Cy

Cy

Load

P‘

N‘

Bild 5:Netznachbildung mit Impedanzverlauf

Bild 6:Dämpfungskurven der Schaffner-RN143-Serie

Diese Gegentaktstörungen breiten sich hauptsächlich über die angeschlos-

senen Netzleitungen P und N zum Netz aus.

Für diese Störströme bildet der lastseitige X-Kondensator (Cx-2) eine Störsen-

ke. Die Kapazität dieses Kondensators bildet im Falle einer lampenseitigen

Induktivität (PFC-Drossel oder Glättungsdrossel) einen ersten Tiefpass und

symmetriert den Störpegel auf beiden Netzleitungen. Die Streuinduktivität

der stromkompensierten Drossel ergibt mit dem netzseitigen Cx-1 einen

weiteren Tiefpass, um das Ausbreiten der symmetrischen Störung zum Netz

hin zu unterdrücken.

In der Regel genügt der Aufbau einer Filterstufe wie in Bild 4 dargestellt. Der

Dämpfungsbedarf ergibt sich aus der Messung der unentstörten Baugruppe

mit der Netznachbildung.

Wie in Bild 1 dargestellt, können die Harmonischen des Schaltvorganges die

zulässigen Grenzwerte der EN 55015 überschreiten. Die Wahl der Schaltfre-

quenz legt die erste, dritte fünfte bis n-te Oberwelle fest. Die EN 55015 lässt

bis 50 kHz 110 dBμV als Limit zu und danach verläuft der Grenzwert linear mit

dem Logarithmus der Frequenz von 90 auf 80 dBμV. Es empfiehlt sich daher

mit der Schaltfrequenz unter 50 kHz zu bleiben.

Wird zum Beispiel mit Berücksichtigung der Bandbreite der Quasi-Peak-

Messung die Schaltfrequenz 48 kHz gewählt, wird unterhalb dieser Frequenz

vom Schaltvorgang keine Störung verursacht. Für die erste Harmonische gilt

somit ein Grenzwert von 110 dBμV, für die dritte Harmonische bei 144 kHz

sind es dann ca. 81 dBμV.

Sind nach der Messung der unentstörten Baugruppe mit dem lastseitigen

X-Kondensator Überscheitungen der Grenzwertkurve aufgetreten, kann

man anhand der Dämpfungskurven der RN-Drosseln (siehe Bild 6) eine

entsprechende Vorauswahl treffen.

Netz 250 uH 50 uH

2 uF 8 uF 0.47 uF

5Ω 50Ω

EMVMessempfänger

60

50

40

30

20

10

0

0.01 0.10 1.00 10.00 [MHz]

[Ω]

70

60

50

40

30

20

10

0

10k 100k 1M 10M

dB

RN 143

6

Testgerät

Der Nennwert des Stromes der Drossel muss für die kleinstmögliche

Netzspannung und den grössten Lastfall und die höchste zulässige Tempera-

tur bei Volllast bemessen werden. Durch die Abstimmung der Resonanzfre-

quenz auf das Spektrum der Schaltvorgänge kann so zum Beispiel mit einer

RN 143-05-02 die dritte Harmonische bei 144 kHz mit gut 70 dB bedämpft

werden, falls dies erforderlich ist. Entscheidend ist aber letztlich die Messung

mit der Netznachbildung.

Stromkompensierte Drosseln für die Last-und Steueranschlüsse

Neben der Verwendung als Netzfilter können stromkompensierte Drosseln

auch für die Entstörung des Lastanschlusses eingesetzt werden. Bei

Vorschaltgeräten mit einer Zündspannung muss diese Höhe zur Nominal-

spannung der Drossel passen.

Bei Steueranschlüssen können RN-Drosseln neben der Unterdrückung der

Ausbreitung von Störungen helfen, die Störfestigkeit zur Erfüllung der Kriteri-

en der Störfestigkeitstests «Schnelle Transienten» (EN 61000-4-4) und «Stoss-

Spannungen/Stoss-Ströme» (EN 61000-4-5) zu verbessern.

RN-Drosseln – bewährte Qualität

Die UL-geprüften RN-Drosseln sind von –40 °C bis +125 °C einsetzbar,

haben eine MBTF von > 4 Mio. Stunden und entsprechen den

Anforderungen zu RoHS und REACH. RN-Drosseln sind durch ein

weltweites Distributions- und Vertriebsnetz überall ab Lager verfügbar:

Lagerbestand

Datenblatt

Mehr Information über EMV

Neben den RN-Drosseln umfasst das Produktespektrum von Schaffner auch

noch weitere Entstör-Bauelemente und Filter wie z. B. die zwei-Kammer-

Drosseln der Baureihe EV/EH oder komplette Filterlösungen für die Leiter-

platte FN402, FN405, FN406, FN409 und FN410.

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Mehr Information über die Entstörung von leistungselektronischen

Baugrup-pen liefert unsere EMV-Broschüre Basics in EMC und Power

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