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Schaltnetzteile,
LED-Lampen und Solaranlagen-Wechselrichter.
Moderne
Energie-Effizienz im Widerspruch zur EMV (elektromagnetische Verträglichkeit).
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Wir
kommen nicht mehr umhin, unter audiophilen Gesichtspunkten die aktuelle
Störsituation im Netz noch mehr zu berücksichtigen, und uns mit
professioneller Leistungselektronik zu befassen.
Diese Seite ist kein Fachbericht
und auch nicht als solcher zu verstehen.
Sie soll dem Audio Liebhaber
helfen, die EMV-Problematik besser einzuordnen.
Schaltnetzteile,
DC/DC-Wandler und auch LED-Lampen ermöglichen
eine hohe Effizienz, können jedoch zu einer erhöhten Störaussendung
von Funkstörungen führen. Diese breiten sich mittels elektromagnetischer
Felder im freien Raum, und leitungsgebunden über die Netzanschlussleitungen
in Form von hochfrequenten Störspannungen und -strömen aus.
Jede Art von getakteter Stromversorgung,
ob Ladegeräte, LED-Lampen, Haushaltsgeräte, CD-Player, uvm. verursachen
eine breitbandige Störaussendung, welche zur Funktionsstörung
anderer elektrischer Geräte führen kann.
Hauptursache für die Störspannung
ist am Eingang der Strom, welcher mit der Taktfrequenz des Schaltreglers
durch dessen Eingangskondensator fließt und über den ESR einen
Spannungsabfall hervorruft, der aus einem proportionalen Anteil durch den
ESR und einem integrierten Anteil durch die Kapazität besteht.
Abhilfe schafft das gesetzlich vorgeschriebene
Eingangsfilter, das die Störspannung in seiner Amplitude dämpft,
Oberwellen unterdrückt und entscheidend die Funkstörspannung
auf einen akzeptablen Wert reduziert.
Beispielsweise legt die Fachgrundnorm
EN61000-6-4 bei 150kHz einen Grenzwert non 79dBµV fest (0dbµV=1µV).
Bei den derzeitigen Filtern werden beispielsweise Einfügungsdämpfungen
zwischen 70dB und 100dB deklariert. Jedoch können diese Werte in der
Praxis selten erreicht werden, da solche Filter in einem 50-Ohm-System
vermessen wurden (CISPR17 Norm)
und die Impedanzen der Stromversorgungen von diesen Werten abweichen. Eine
für den Musikliebhaber kaum akzeptable Situation, denn all diese
Gesetze verlangen nur die Einhaltung eines Grenzwertes. Die Forderung,
dass eine Störspannung erst gar nicht entsteht wird nicht gestellt,
da dies nicht möglich erscheint.
Und es kommt noch schlimmer
Die EU hat für die nächste Zeit
bereits eine neue Verordnung ins Leben gerufen.
Im Jahr 2019 verliert die Norm für
Sicherheitszulassung EN 60950-1 ihre Gültigkeit. Die Nachfolgenorm
ist die DIN EN 62368-1/VDE 0868-1.
Das bedeutet neben Überspannungsschutz,
usw., auch einen weltweit genormten Eingangsspannungsbereich von 90V bis
264V AC (angegeben werden darf nur 100-240V, die vorige Angabe
bezieht sich auf die vorgeschriebene Toleranz von +/-10%).
Das bedeutet aber auch, dass für
diese Einhaltung wohl kaum ein analoges Netzteil geeignet ist, denn eine
manuelle Umschaltung, wie bisher, ist nicht mehr vorgesehen.
Für den weltweiten Einsatz solcher
Geräte ist diese Norm ein logistischer Vorteil.
Ein solcher Vorteil und höchste Effizienz,
um Klimaschutzforderungen einzuhalten, bedeutet gleichzeitig einen Widerspruch
zur EMV, also der Wahnsinn für High-End Liebhaber. |
Wechselrichter
in Solaranlagen
Solaranlagen sollen
mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad arbeiten, das macht Sinn. Allerdings
wird hier die saubere Gleichspannung in Wechselrichtern zerhackt, damit
die Spannung ins 50Hz-Netz eingespeist werden kann. Das ergibt massive
EMV-Probleme. Daher müssen Wechselrichter eine Vorrichtung zur Entstörung
haben, um das starke Störspektrum auf gesetzlich festgelegte max.
Werte zu dämpfen. Aber jede Verringerung des Störmaßes
geht zu lasten des Wirkungsgrades, umgekehrt bewirkt ein hoher Wirkungsgrad
durch schnelle Schaltvorgänge ein höheres Störmaß.
Eine unvorhersehbare
Störsituation kann sich auch ergeben, wenn mehrere induktive und kapazitive
Entstörkomponenten im Netz untereinander Resonanzen erzeugen. Dann
kann die Störspannung auf ein weit größeres als zulässiges
Maß ansteigen, obwohl jede einzelne Anlage den Normen entspricht.
Obendrein gibt es immer noch Defizite in der Normengebung.
Wir wollen an dieser Stelle keine Zweifel
am Nutzen von Solaranlagen streuen, sondern uns nur auf den Teil der negativen
Auswirkungen beschränken, die den Musikgenuss im eigenen Heim stören.
Der Unterschied zu den Störungen
durch im Haus befindliche Schaltnetzteile besteht in der Energie der Störungen,
oder anders ausgedrückt: Im Quellwiderstand.
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Hilft die Messung
nach CISPR17 wirklich?
Eine Störspannung,
die durch eine benachbarte, oder der eigenen Solaranlage hervorgerufen
wird, mag die gleiche Spannung haben, wie ein im Haus betriebenes Schaltnetzteil
(beide halten die Spannungsgrenzwerte ein). Der Unterschied ist jedoch,
dass sich auf Grund der geringeren Energie (hoher Quellwiderstand) die
Spannung des Schaltnetzteils besser dämpfen lässt, als die Störspannung
mit höherer Energie (kleiner Quellwiderstand) der Solaranlage.
Netz-Filter werden
allerdings mit einem normierten Netzquellwiderstand von 50 Ohm gemessen,
damit sie untereinander vergleichbar bleiben, während die Störungen
im Stromnetz durch eine Solaranlage und anderen Störungen im Bereich
um 1 Ohm liegen können.
Da Solaranlagen außerdem
ein Störspektrum haben, das bereits ab ca. 10kHz stark einsetzt, sind
Netzfilter mit Dämpfungsangaben von 20dB und mehr im 10kHz Bereich
mit Vorsicht zu bewerten. Die normierte 50 Ohm-Messung kann in der Praxis
bedeuten, dass z.B. ein üblicher Dämpfungswert bei 10kHz von
10-20dB bedeutet, dass in diesem Bereich gar keine Dämpfung, oder
eine wesentlich geringere stattfindet.
Auch bei unseren
Netzfiltern der EMI-Serie haben wir die Werte der CISPR17
Norm angegeben, um Vergleichswerte mit anderen Filtern zu haben. Hier
zeigen wir zusätzlich die Ergebnisse unserer eigenen Messanordnung
in einem 1 Ohm-System, das so aufgebaut wurde, dass es der Störsituation
von Solaranlagen und anderen niederohmigen Störquellen besser angepasst
ist. Die so ermittelten Dämpfungswerte sind deshalb auch niedriger
als bei 50 Ohm-Messungen. Diese Abweichung ist dann auch auf andere Filter
ähnlich übertragbar. Somit kann man besser einschätzen,
welche Dämpfungswirkung die Filter im Bereich >10kHz tatsächlich
haben.
1-Ohm
Messung vs CISPR17-Messung
Messkurven unseres
Filters EMI-306
Die schwarzen Linien
zeigen die genormte CISPR17-Messung (symmetrisch und asymmetrisch)
Die roten Linien
zeigen unsere Netzsimulation mit 1 Ohm Quellwiderstand (symmetrisch und
asymmetrisch) |
Diese Zusammenhänge sind ähnlich
den Verbrauchsangaben von PKWs. Die Messungen werden unter idealen Bedingungen
durchgeführt, die in der Praxis meistens gar nicht erreicht werden
können.
Wie stark die CISPR17-Messungen von der
Realität abweichen, hängt im Wesentlichen von dem Wechselstromwiderstand
(Induktivität) der Drossel im Filter ab. Je höher die Induktivität,
desto näher liegen die tatsächlichen Dämpfungswerte und
die Werte der normierten 50 Ohm-Messung beieinander.
Drosseln mit hohen Induktivitäten
besitzen aber auch einen höheren DC-Widerstand, was auch einen höheren
Netzspannungsabfall und eine größere Verlustwärme zur Folge
hat. Dem kann man entgegenwirken, durch sehr große Drosseln (dicker
Draht), deren Abmessungen im Bereich eines 100 Watt Trafos liegen können.
Ideal sind deshalb Drosseln mit hochpermeablen Magnetwerskstoffen,
die trotz eines hohen Wechselstromwiderstandes sehr geringe Verlustwiderstände
bei kleinen Maßen aufweisen.
Ausgeklügelte Netzfilterschaltungen,
die dieser Situation angepasst sind, können die Freude am Musikhören
steigern, die nur noch wie folgt übertroffen werden kann:
Nachts Musik hören, wenn keine
Sonne scheint. |
Wir bleiben dran
Das EMV Gesetzt
ist 1996 in Kraft getreten. Bereits Anfang der 90er haben wir mehrtägige
Seminare der PTB (Physikalisch technischen Bundesanstalt in Braunschweig)
besucht, um dieses Thema so früh wie möglich zu verstehen. Obwohl
wir kein Gerätehersteller sind, helfen solche Kenntnisse bei der Entwicklung
und dem Design von Audiomodulen.
Im Laufe der Jahre
kamen nicht nur neue gesetzliche Regelungen hinzu, auch wurden alte abgeschafft
oder verändert. Wir haben immer auf den Stand der Dinge geachtet,
der sich auf den High-End Musikgenuss auswirken kann, denn hier gibt es
keine EU-Regeln.
Ein Glück
Die EMV-Gesetze
gelten u.a. für in der EU erhältliche Fertiggeräte, die
im Handel erworben werden können.
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Weitere
Aussichten: Die Störungen nehmen zu
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Bei Eingriffen
in elektrische Geräte - oder dem Selbstbau von solchen - gilt folgende
Warnung:
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Bei allen
Arbeiten mit Netz-Spannungen und anderen hohen Spannungen ist besondere
Vorsicht geboten.
Wir lehnen in
jedem Falle jegliche Haftung für resultierende Sach- und Personenschäden
und sich daraus ergebende Folgeschäden grundsätzlich ab.
Jeder, der im
privaten Bereich Geräte selbst baut, oder in Geräte eingreift,
handelt nur und ausschließlich auf eigene Gefahr.
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