Elektromagnetische Verträglichkeit von Beleuchtungseinrichtungen

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1 Application Note Elektromagnetische Verträglichkeit von Beleuchtungseinrichtungen EMV-Entstördrosseln für die Lichttechnik

2 Der Beschluss der EU, die Glühbirne bis 2012 endgültig abzuschaffen, die Fortschritte bei der Leuchtkraft von Leuchtdioden (LED) oder die Weiterentwicklungen bei Nieder- und Hochdruck-Entladungslampen führen zu einer starken Zunahme von Elektronikbaugruppen in der Lichttechnik. CE-Kennzeichnung und Konformitätserklärung Im Zuge der Durchsetzung der EMV-Richtlinie wurde auch für die Lichttechnik mit einer Harmonisierung der Normen sichergestellt, dass im europäischen 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 bestätigt. Hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Störfestigkeit gelten dafür eigene Standards, die von den Normen für Haushalt und Industrie in einigen Punkten abweichen. EN 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 Beleuchtungseinrichtungen sind die Grenzwerte für die leistungsgebundene und die abgestrahlte Störaussendung hier festgelegt. [dbµv] 100 EN 55015, leistungsgebundene Stör-Strahlung Frequenz [MHz] Bild 1: Grenzwerte mit unentstörten Harmonischen eines Festfrequenz-Schaltreglers 2

3 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 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 vorgeschrieben. 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 In dieser Norm sind die zulässigen Oberschwingungsströme für Geräte mit einem Eingangsstrom von bis zu 16 A je Leiter beschrieben. Beleuchtungseinrichtungen und deren Zubehör fallen in die Klasse C. Bis zu einer Eingangswirkleistung von 25 W gelten für Beleuchtungseinrichtungen für Entladungslampen die moderaten Grenzwerte, die ohne Korrektur 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. Oberschwingungsordnung Zulässiger Höchstwert des Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes Oberschwingungsstromes [A] [n] je W [ma/w] [A] Tabelle 1 3 3,4 2,3 5 1,9 1,14 7 1,0 0,77 9 0,5 0, ,35 0., ,85/n /n 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

4 Für Einrichtungen mit einer Eingangswirkleistung von > 25 W gelten folgende Werte: Oberschwingungsordnung Zulässiger Höchstwert des Oberschwingungsstromes in Prozent des Grundschwingungseingangsstromes [%] λ * Tabelle 2: * λ ist der Leistungsfaktor der Schaltung Die Norm erlaubt den Einsatz mehrerer Betriebsgeräte mit < 25 W in einer Leuchte mit den Grenzwerten für < 25 W. EN 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 Bemessungsleistung und Leuchten mit Entladungslampen bis 600 W Bemessungsleistung müssen nicht geprüft werden. EN 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 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 Netz EMV-Filter Gleichrichter Leistungselektronik EMV-Filter Last Leuchtmittel Bild 2: Blockschaltbild mit EMV-Filter 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 Leuchtmittel aus. Bei Beleuchtungseinrichtungen grösserer Leistung ist der Einsatz von IEC-Steckerfiltern oder Einphasen-EMV-Filtern auf der Netzseite möglich. 4

5 Bild 3: Stromkompensierte Ringkern-Drosseln von Schaffner von 0,3 bis 10 A 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 elektromagnetische Verkopplungen als andere Bauformen. Auslegung eines Netzfilters für die Lichttechnik P N Cx-1 R L Cx-2 Cy P N PE Line Bild 4: Typische Anordnung eines Netzfilters Cy Load Anhand eines typischen Netzfilters sei die Wirkungsweise der Einzelkomponenten 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 Gleichtaktstörung (common mode) oder asymmetrische Störung bezeichnet. Um eine Ausbreitung über die Netzleitung zu vermeiden, bilden die lastseitigen Y-Kondensatoren im Filter eine Störsenke. Gleichzeitig wird die Impedanz 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. 5 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 Störquelle parallelen Bauelemente wie Kondensatoren und deren Leiterbahnen zu den Anschlüssen verursachen.

6 Diese Gegentaktstörungen breiten sich hauptsächlich über die angeschlossenen Netzleitungen P und N zum Netz aus. Für diese Störströme bildet der lastseitige X-Kondensator (Cx-2) eine Störsenke. 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. Netz 250 uh 50 uh 2 uf 8 uf 0.47 uf 5Ω 50Ω Testgerät EMV Messempfänger [Ω] [MHz] Bild 5: Netznachbildung mit Impedanzverlauf 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 überschreiten. Die Wahl der Schaltfrequenz legt die erste, dritte fünfte bis n-te Oberwelle fest. Die EN 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. db RN k 100k 1M 10M 6 Bild 6: Dämpfungskurven der Schaffner-RN143-Serie

7 Der Nennwert des Stromes der Drossel muss für die kleinstmögliche Netzspannung und den grössten Lastfall und die höchste zulässige Temperatur bei Volllast bemessen werden. Durch die Abstimmung der Resonanzfrequenz auf das Spektrum der Schaltvorgänge kann so zum Beispiel mit einer RN 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 Lastund 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 Nominalspannung der Drossel passen. Bei Steueranschlüssen können RN-Drosseln neben der Unterdrückung der Ausbreitung von Störungen helfen, die Störfestigkeit zur Erfüllung der Kriterien der Störfestigkeitstests «Schnelle Transienten» (EN ) und «Stoss- Spannungen/Stoss-Ströme» (EN ) 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 Leiterplatte FN402, FN405, FN406, FN409 und FN410. Einen Gesamtüberblick bietet unser Shortform-Katalog Mehr Information über die Entstörung von leistungselektronischen Baugruppen liefert unsere EMV-Broschüre Basics in EMC und Power Quality Für weitere Informationen besuchen Sie unsere Internetsite oder wenden Sie sich zur individuellen Beratung an Ihre lokale Schaffner-Niederlassung oder an Ihren nächsten Schaffner- Partner. 7