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Auswahl der richtigen Gleichtaktdrosseln

May 17, 2018

Gleichtaktdrosseln (CM-Drosseln, auch als Netzfilter bekannt) werden häufig in Schaltnetzteilen (SMPS) eingesetzt, um leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen zu unterdrücken, wenn dies zur Erfüllung der Anforderungen der internationalen EMV-Standards erforderlich ist. Das fertige Produkt sollte keine ernsthafte elektromagnetische Verunreinigung des öffentlichen elektromagnetischen Netzes verursachen und gleichzeitig vor elektromagnetischen Störungen geschützt sein, die von derselben Umgebung ausgehen. Besonders hervorzuheben ist, dass bei einer wirksamen Kontrolle der leitungsgebundenen Störungen (für den in den EMV-Normen festgelegten Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz) auch die abgestrahlten Störungen gedämpft werden können (für Störfrequenzen> 30 MHz). Daher ist es wichtig, die geeigneten Gleichtaktdrosseln auf der Grundlage der Stärke und Frequenz der elektromagnetischen Interferenz zu entwerfen und auszuwählen, damit die SMPS die entsprechenden Standards erfolgreich erfüllen. Je effektiver und schneller dies durchgeführt werden kann, desto weniger Zeit und Kosten wird es kosten, ein neues Produkt auf den Markt zu bringen.

 

Es scheint , dass die beliebteste Methode für die Auswahl einer CM-Drossel die Auswahl einer geeigneten Grenzfrequenz aus einem L-Cy-Tiefpassfilter ist. Dies zielt darauf ab, das geleitete Rauschen in einem bestimmten Frequenzbereich stark zu reduzieren. Um den Leckstrom des Produkts zu begrenzen, ist es offensichtlich nicht wünschenswert, den Wert des Y-Kondensators (Leitung zu Masse-Kondensator) zu groß zu machen, da dies dazu führt, dass die Induktivität der CM-Drossel so hoch wie möglich sein muss. Der Nachteil dabei ist, dass je höher der Induktivitätswert der Drossel ist, desto größer ihre physikalische Größe ist und Ingenieure daher zu einem kostspieligen Kompromiss gezwungen werden, da CM-Drosseln im Allgemeinen ein sehr begrenzter Platz in der SMPS-Schaltung zugewiesen wird. Daher müssen sie eine CM-Drossel finden, die in den kleinen zugewiesenen Raum passt und dies nur unter Verwendung eines Kerns mit höherer Permeabilität tun kann, was mit erhöhten Kosten verbunden ist. Es gibt einen besseren Weg!

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Kerne, die üblicherweise in CM-Drosseln verwendet werden, werden im Allgemeinen aus Materialien mit hoher Permeabilität hergestellt, die bei einer Permeabilität von 5000 (5 K) beginnen und bei Ferritmaterialien aus MnZn bis zu 7000 (7 K), 10.000 (10 K) oder noch höher reichen. Die wichtige Frage ist: "Gibt die höhere Induktivität einer CM-Drossel ein besseres Ergebnis bei der Unterdrückung und Immunität gegen elektromagnetische Störungen?"

Um einen Einblick in dieses Thema zu erhalten, wurden zunächst CM-Drosseln mit unterschiedlichen Kernmaterialien untersucht. In den Testproben wurden Ringkerne gleicher Größe, Drahtstärke und Anzahl der Windungen verwendet. Es wurden drei Sätze dieser Proben hergestellt, die sich nur durch das Kernmaterial mit einer Anfangspermeabilität von 5 K, 7 K bzw. 10 K unterschieden. Ein Impendence Analyzer wurde verwendet, um Frequenzen von 10 kHz bis 120 kHz auf einer einzelnen Wicklung dieser Gleichtaktdrosseln zu überstreichen. Die erhaltenen Induktivitäts- und Impedanzfrequenzkennlinien sind in Fig. 1 bzw. Fig. 2 gezeigt.

Artikel 4 CMK Abb. 1

Abb. 1 - Frequenzcharakteristik der Einzelwicklungsinduktivität der CM-Drossel mit identischen Kerngrößen, aber unterschiedlichen Anfangspermeabilitätsmaterialien

  Die Ergebnisse in Abbildung 1 zeigen, dass die Induktivität proportional zur Anfangspermeabilität des Kernmaterials ist . Je höher die Anfangspermeabilität des Kernmaterials ist, desto höher ist die Induktivität der CM-Drossel bei gleicher Windungszahl und gleicher Kerngröße. Die Induktivität einer 10K-Materialdrossel hat fast die doppelte Induktivität einer 5K-Materialdrossel, wenn die Drossel unter 100 kHz arbeitet, während die Induktivität einer 7K-Drossel im gleichen Frequenzbereich nur geringfügig höher ist als die der 5K-Materialdrossel.

 

Die Impedanzmessungen spiegeln jedoch nicht die Leistung der Induktivitätsergebnisse wider, wie in Fig. 2 gezeigt. Die höhere Anfangspermeabilität des Kernmaterials führt nicht immer zu einer höheren Impedanz. Die beste Geräuschdämpfung ergibt sich aus dem 7K-Material mit dem höchsten Impedanzwert bei einer Frequenz zwischen 300 kHz und 400 kHz. Dieser Frequenzbereich ist die optimale Arbeitsfrequenz des 7K-Kernmaterials. Das 5K- und das 10K-Material haben sehr enge Spitzenimpedanzwerte, treten jedoch in verschiedenen optimalen Frequenzbereichen auf. Bei der 5K-Materialdrossel liegt die Spitzenimpedanz bei einer Frequenz um 400 kHz, bei der 10K-Materialdrossel liegt die Spitzenimpedanz jedoch im Bereich zwischen 200 kHz und 300 kHz. Wenn das Kernmaterial eine höhere Anfangspermeabilität aufweist, kann die Drossel niederfrequente Gleichtaktstörungen stärker unterdrücken. Wenn die Frequenz höher als 200 kHz ist, führt die 7K-Drossel die Impedanz allmählich über die 5K- und 10K-Materialien. Die 7K-Materialdrossel hat jedoch eine scharfe Glockenformkurve im Vergleich zu 5K- und 10K-Material, deren Impedanzkurven in der Nähe der Spitzenimpedanzwerte viel glatter sind.

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Abb. 2: Impedanzkennlinie der Einzelwicklung CM CHK für dieselbe Kerngröße, dieselbe Windungszahl, aber unterschiedliche Materialien für die Anfangspermeabilität

Hier zeigt sich daher ein deutlicher Hinweis, dass bei der richtigen Auslegung und Auswahl einer CM-Drossel nicht nur die Induktivität, sondern auch der Frequenzbereich berücksichtigt werden sollte, in dem die Störfrequenz auftritt. Daher sollte das geeignete Kernmaterial ausgewählt werden, um ein optimales Ergebnis der EMV-Unterdrückung zu erzielen, ohne das Bauteil zu überdimensionieren oder teurere Materialien höherer Güte zu verwenden.

 

Um ähnliche Induktivitäten bei Toroidkernen gleicher Größe mit unterschiedlichen Kernmaterialien zu erhalten, wurden die CM-Drosseln mit der gleichen Drahtstärke mit unterschiedlichen Windungszahlen gewickelt. Hier zielen wir auf Drosseln mit einer Induktivität im Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz. Die Leistung dieser CM-Drosseln ist in Fig. 3 bzw. Fig. 4 gezeigt.

 

Die in Abb. 3 gezeigten Induktivitätskurven geben die optimale Betriebsfrequenz der verschiedenen Materialien wieder. Die Frequenz, die der Induktivität bei Null in Fig. 3 entspricht, stimmt mit der Frequenz überein, bei der die maximale Impedanz in Fig. 4 auftritt. (Hinweis: Die Frequenz an diesem Punkt wird als Frequenz mit Nullphasenwinkel (ZPA) bezeichnet.)

 

Es ist bekannt, dass eine höhere Anzahl von Windungen erforderlich ist, damit ein Kern mit niedrigerer Permeabilität die äquivalente Induktivität eines Kerns mit höherer Permeabilität aufweist. Wenn die Anzahl der Windungen erhöht wird, wird die Induktivität und die Kapazität erhöht, wobei letztere langsamer zunimmt, wie dies in Fig. 3 ersichtlich ist.

Artikel 4 CMK Abb. 3

Abb. 3 Die Induktivitätskennlinie der CM CHK-Einzelwicklung mit gleicher Induktivität, aber unterschiedlichen Materialien bei gleicher Kerngröße

Artikel 4 CMK Abb. 4

Abb. 4 Die Impedanzkennlinie der CM CHK-Einzelwicklung mit ähnlicher Induktivität, aber unterschiedlichen Materialien bei gleicher Kerngröße

Die Impedanzkurven in Fig. 4 veranschaulichen, dass je mehr Windungen an einer CM-Drossel vorhanden sind, desto stärker ist das Entstörungsvermögen der Drossel. Der Spitzenimpedanzwert des 5K-Materials ist fast doppelt so hoch wie der des 10K-Materials, obwohl seine Induktivität ziemlich ähnlich ist. Die höhere Anzahl von Windungen bedeutet auch eine Erhöhung des Kupferverlusts in der Drossel, was sie weniger attraktiv macht, da die Gesamteffizienz des Produkts immer ein wichtiger Gesichtspunkt ist.

Andererseits ist die optimale Frequenzspanne für verschiedene Kernmaterialien völlig unterschiedlich. Unter den drei Arten von CM-Drosseln hat die Drossel aus 5K-Kernmaterial die schärfste Form. Die optimale Frequenzspanne (Bandbreite) der 10K-Kernmaterialdrossel ist breiter und wir empfehlen dringend die Verwendung in SMPS-Schaltkreisen, die Störungen in einem viel niedrigeren Frequenzbereich geleitet haben.

  Es ist also klar, dass das Kernmaterial den Frequenzbereich der Störungsreduzierung bestimmt, während die Anzahl der Windungen seine Fähigkeit zur Störungsreduzierung bestimmt.

In Anbetracht der Gesamtleistung dieser CM-Drosseln zeigte das 7K-Material nicht nur die bessere Leistung im Hochfrequenzband als das 5K-Material, sondern zeigte auch ein breiteres Frequenzband zur Reduzierung von Störungen, das der Leistung des 10K-Materials ähnlich ist. Daher sollten die 7K-Kernmaterialdrosseln die ersten sein, die von Konstrukteuren in Betracht gezogen werden.

Sollten Sie eine CM-Drosselanforderung haben, beachten Sie bitte die obigen Kurven in Abb. 5, die unseren CM-Drosselprodukten von der Stange entsprechen.

Artikel 4 CMK Abb. 5

Artikel 4 CMK Abb. 5b

Abb.5 Marque Magnetics “von der Stange” CM-Drosseln mit Einzelwindungsimpedanz-Frequenzcharakteristik


In Tabelle I sind weitere Einzelheiten zu unseren Standard-CM-Drosseln aufgeführt. Wenn Sie eine außerhalb dieser Tabelle benötigen, können wir Ihnen eine maßgeschneiderte Drossel für Ihre Anwendung zur Verfügung stellen.

 

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