Netzfilter Eigenbau - schlechter als fertig gekauftes?

[Christoph2]

Hallo!

Ich entwickle gerade ein elektronisches Gerät, das später verkauft werden soll, und habe EMV-Probleme mit dem Prototypen. Vielleicht gibt es hier ja einen Netzfilter-Experten der mir helfen kann.

Das Gerät schaltet mit einem Relais 230V Netzspannung an einen Verbraucher, der an das Gerät angeschlossen werden kann. Der Verbraucher ist also unbekannt.
Parallel zum Verbraucheranschluss hängt ein RC-Glied mit 1uF und 120 Ohm, falls ein induktiver Verbraucher angeschlossen wird. Selbst wenn kein Verbraucher angeschlossen ist, ist also das RC Glied dran, das im stationären Betrieb 70mA zieht, beim Einschalten viel mehr.

Es ist auch ein Grafikdisplay mit ILI9341 Controller verbaut. Wenn das Relais einschaltet, hat das Display bei ca. jedem 30. Mal gefreezed, und der Inhalt wurde nicht mehr upgedatet. Das Gerät funktionierte aber problemlos weiter. Der Displaycontroller ist also irgendwie hängengeblieben.

Ich habe einige Vorkehrungen gegen dieses Problem getroffen, z.B. Ferritkern über das Flachbandkabel zum Display, RC-Glieder mit 100 Ohm und 100pF an die ISP-Pins, Kondensatoren in der Stromversorgung nahe am Display, etc. Letztlich hat aber nur ein großes, teurers Netzfilter Abhilfe geschafft.
Mit diesem Filter habe ich mehrere Stunden lang automatisiert im 3-Sekunden Takt ein- und ausgeschalten, ohne einen einzigen Freeze:
Schurter 5500.2000: http://www.schurter.com/de/Komponenten/EMV-Produkte/Einphasen-Einbaufilter/FPP-01

Leider kostet es ca. 7€ und ist sehr groß und sperrig. Im Datenblatt ist angegeben, welche Kondensatoren und Spulen eingebaut sind: 15nF zwischen L und N, 2.2nF jeweils von N und L gegen PE, danach eine stromkompensierte Drossel mit 40mH für 600mA.

Ich habe das Filter nachgebaut, für 300mA (das Gerät braucht nur 50mA), für insgesamt 1,60€ und etwas kleiner:
Drossel: http://katalog.we-online.de/de/pbs/WE-LF/7446120047?m=n&sp=http%3A%2F%2Fwww.we-online.de%2Fweb%2Fde%2Fwuerth_elektronik%2Fsearchp age.php%3Fsearch%3D7446120047&_ga=1.50397355.360953482.1457305924
Kondensatoren: http://katalog.we-online.de/de/pbs/WCAP-FTXX/890334023008CS?m=n&sp=http%3A%2F%2Fwww.we-online.de%2Fweb%2Fde%2Fwuerth_elektronik%2Fsearchp age.php%3Fsearch%3D890334023008CS&_ga=1.152226235.360953482.1457305924

Allerdings funktioniert das Netzfilter nicht richtig. Mit dem selbstgebauten Filter bekomme ich wieder alle ca. 30 Schaltvorgänge einen Freeze. Wenn ich wieder das Schurter Filter einbaue, funktionier es wieder problemlos.

Weiß jemand was genau an meinem Filter schlechter ist, bzw. wie ich die selbe Leistung wie mit dem Schurter Filter bekomme?

lg
Christoph

[BMS]

Hallo,
bin jetzt kein Experte in dem Bereich, aber ein paar Anhaltspunkte habe ich doch:
- Ist der Wicklungssinn der choke beim Nachbau gleich wie beim Original?
- Sämtliche parasitären Einflüsse des Aufbaus beeinflussen die Filtercharakteristik. Das betrifft sowohl die einzelnen Bauteile (ESR,ESL) und den Aufbau: jeder cm zu viel Zuleitung bringt wieder einen kleinen R und L Beitrag.
- X-Kondensatoren haben ich schon mit größeren Kapazitäten gesehen. 15nF sind nicht viel. 100nF scheinen verbreitet zu sein. Schaue mal nach anderen Filterbeispielen.
Das Ersatzschaltbild des Filterherstellers muss nicht mit seiner exakten Realisierung übereinstimmen. Das Filter-Know-How ist mit dem Ersatzschaltbild nicht 100% offengelegt.
An der Primärseite filtern ist ok.
In dem Fall würde ich die Sekundärseite aber noch genauer untersuchen und mal mindestens ein LC-Tiefpassfilter hinter dem Netzteil in die Versorgung setzen. Oder ein Pi-Filter CLC. Bei den Kondensatoren gerne Elkos und Kerkos parallel schalten und nochmal probieren.
Es könnte auch ein Latchup beim Display sein, falls die Versorgungsspannung einen peak abbekommt. In dem Fall wäre eine Suppressordiode (TVS, Transil und wie sie auch heißen) ggf hilfreich.
Grüße, Bernhard

[White_Fox]

Aus deinen Beschreibungen kann man exakt nichts herauslesen, was für dein Problem interessant wäre. Da es um EMV geht hilft hier nichtmal mehr nur ein Schaltplan (der wäre so oder so wichtig), sondern auch Bilder vom Aufbau bzw. ein Platinenlayout sowie von deinem Netzfilter und des gesamten Drumherums. Da das ne gewerbliche Geschichte wird rechne ich nicht damit, da du weitere Infos hier ohne Weiteres in der Öffentlichkeit rausrücken willst.

Was mir aber auffällt:
Viel Herumprobiere ohne Plan. Du versuchst irgendwas in der Hoffnung das es funktioniert ohne zu wissen, was es eigentlich bezwecken soll. Ich würde dir als erstes eine systematischere Herangehensweise empfehlen.

Andere Frage: Was wäre dir die Lösung des Problems wert?

[Peter(TOO)]

Hallo Christoph,

Ich denke du bist da auf dem Holzweg!

Die Störungen kommen sehr wahrscheinlich von der Relaisspule.
Der typische Fehler ist, dass über der Relaispule die Freilaufdiode fehlt.

Der nächste Fehler wäre im Netzteil zu suchen.
Und zuletzt dann im Aufbau, wenn da die falschen Drähte parallel laufen, kann dies schon das Problem sein, nennt sich Übersprechen.

Dein Netzfilter ist eher ein Zufallstreffer!
Dann hast du das Problem, dass dein Prototyp zwar läuft aber von 100 Geräten dann nur 20 oder so.
eigentlich verhindert das Netzfilter nur, dass Störungen aus dem Netz dein Gerät erreichen und von deinem Gerät erzeugte Störungen nicht ins Net gelangen.
Innerhalb des Gerätes erzeugte Störungen, welche das Gerät selbst stören kann das Filter nicht "entsorgen"!

Störsignale hat man immer.
Problematisch wird es, wenn das Nutzsignal zusammen mit dem Störsignal die Schaltschwelle erreicht.
Besonders wenn der Abstand Nutzsignal zu Schaltschwelle sehr knapp ist, kommt es dann zu Problemen. Schaut man, dass dieser Abstand möglichst gross ist, verkraftet die Schaltung auch grössere Störpegel.

Ohne Last und im Labor, muss so ein Teil auch ganz ohne Netzfilter funktionieren.
Das Netzfilter braucht es dann einerseits um andere nicht zu Stören und wenn man in einem Störversauten Umfeld ist.

Also, zuerst sollte einmal das Schaltschema auf den Tisch, dann kann man sehen ob da schob Fehler sind.
Das nächste wären dann Fotos vom Aufbau, weil als nächstes auch der räumliche Aufbau, Leitungsführung, Drahtquerschnitte usw. auch einen Einfluss haben, was aus dem Schaltschema nicht ersichtlich ist.
Achja, das Layout der Leiterplatte gehört auch dazu.

Ich habe es oft genug erlebt, dass nur das Layout darüber entschieden hat ob eine Schaltung störungsfrei funktioniert oder nicht!

MfG Peter(TOO)

[021aet04]

Ich würde an dem Relaiskontakt kein RC-Glied nehmen sondern einen VDR. Ich muss eine Schaltung auch noch umzeichnen bei dem ich beim Prototyp ein RC-Glied hatte (ein fertiges) und jetzt aber einen VDR verwende (wegen Platzbedarf).

MfG Hannes

[Christoph2]

Hi,

vielen Dank für die Antworten, ich glaube das Problem ist gelöst.

Ich habe statt der zwei 2,2nF Folienkondensatoren im Netzfilter, die gegen PE geschalten sind, Keramikkondensatoren verwendet. Die Schaltung lief danach 6 Stunden mit 3 Sekunden Schaltintervall, ohne einen einzigen Freeze. Ich muss natürlich noch weiter testen, aber das schaut einstweilen sehr gut aus.

Zu dem Schluss, dass die Störungen aus dem Netz kommen, bin ich aus zwei Gründen gekommen:
1. Das Gerät wird nie ohne Last betrieben! Selbst wenn kein Verbraucher dranhängt, ist das RC-Glied dran. Wenn ich dieses auslöte, gibt es keinen Freeze, dann funktioniert alles. Meine Erklärung: Beim Einschalten des Kondensators gibt es eine sehr steile Stromflanke, die erzeugt die Netzstörungen, die müssen mit dem Netzfilter herausgefiltert werden. Wenn ich meine PC Lautsprecher an der selben Steckdose anstecke, hört man aus den Lautsprechern auch immer ein Knacken beim Einschalten des Relais.
2. Mit dem Schurter Netzfilter funktioniert es

Vielleicht schaffe ich es, die Stromflanke flacher zu machen, indem ich das Kabel der Zuleitung zum Gerät, das dann zum Verbraucher durchgeschalten wird, ein paar Runden durch einen Ferritring wickle. Das muss ich mir am Montag anschauen, mit dem Oszi. Für eine 16A Spule auf der Platine ist kein Platz mehr...

Zuerst habe ich das Problem auch lange in der Schaltung gesucht, oder bei der Relaisspule (Freilaufdiode ist natürlich drinnen), oder sogar bei Einstreuung in die Displayelektroden über die Luft, das hat aber alles nichts gebracht.

VDRs wollte ich nicht verwenden, weil sie verschleißen, und durchschalten können, wenn sie kaputt sind. Das ist mir zu riskant bei einem Gerät, das verkauft werden soll.

Den von BMS vorgeschlagenen CLC Filter am Ausgang vom Netzteil werde ich beim nächsten Prototyp auch noch einbauen.

Vielen Dank für eure Hilfe,

lg
Christoph

[BMS]

Das muss ich mir am Montag anschauen, mit dem Oszi.

Kleine Anmerkung: Wenn das mit einer Stromzange gemessen wird, ok.
Wenn Spannungen am Netz gemessen werden, aufpassen: Der Rückleiter vom Oszi-Tastkopf ist an PE angeschlossen! Da können schnell ungewollte Verbindungen hergestellt werden... ggf Differential Voltage Probe verwenden ;)
Grüße, Bernhard

[Peter(TOO)]

Hallo Christoph,

Zu dem Schluss, dass die Störungen aus dem Netz kommen, bin ich aus zwei Gründen gekommen:
1. Das Gerät wird nie ohne Last betrieben! Selbst wenn kein Verbraucher dranhängt, ist das RC-Glied dran. Wenn ich dieses auslöte, gibt es keinen Freeze, dann funktioniert alles. Meine Erklärung: Beim Einschalten des Kondensators gibt es eine sehr steile Stromflanke, die erzeugt die Netzstörungen, die müssen mit dem Netzfilter herausgefiltert werden. Wenn ich meine PC Lautsprecher an der selben Steckdose anstecke, hört man aus den Lautsprechern auch immer ein Knacken beim Einschalten des Relais.
2. Mit dem Schurter Netzfilter funktioniert es
Dann solltest du im Netzteil suchen.

Typisches Problem sind die beiden 100-200nF Kondensatoren, möglichst nahe an den Pins, an einem 7805. Wenn man die weglässt, erzeugt der Regler selbst, Störungen am Ausgang, wenn am Eingang schnelle Transienten auftreten.

Zudem solltest du dich über die Unterschiede der Kondensator-Bauformen machen. Kapazität und Spannung sind nur die halbe Wahrheit! Wichtig ist auch noch alles rund um den ESR. Deshalb schaltet man z.B. parallel zu einem 100µF Elko noch einen 100nF KerKo. Macht von der Kapazitätswerten her keinen Sinn, aber das dynamische Verhalten ist ganz anders.

MfG Peter(TOO)

[021aet04]

VDRs wollte ich nicht verwenden, weil sie verschleißen, und durchschalten können, wenn sie kaputt sind. Das ist mir zu riskant bei einem Gerät, das verkauft werden soll

Das hab ich auch schon öfter gelesen. Aber in der Firma habe ich schon mehr RC-Glieder getauscht als VDR.
Die RC-Glieder sind bei einigen Anlagen parallel zu den Schützspulen, die VDR parallel zu SSR "Kontakt".

Ich weiß zwar nicht für was die Schaltung ist, aber ich würde nur VDR nehmen. Wenn man z.b. LED Lampen schaltet blinkt die Lampe im abgeschalteten Zustand.

MfG Hannes

[Peter(TOO)]

Hallo Hannes,

Das hab ich auch schon öfter gelesen. Aber in der Firma habe ich schon mehr RC-Glieder getauscht als VDR.
Die RC-Glieder sind bei einigen Anlagen parallel zu den Schützspulen, die VDR parallel zu SSR "Kontakt".

Ich weiß zwar nicht für was die Schaltung ist, aber ich würde nur VDR nehmen. Wenn man z.b. LED Lampen schaltet blinkt die Lampe im abgeschalteten Zustand.
RC-Glieder ist Schaltungstechnik, welche gegen 100 Jahre alt ist.
Ein RC-Glied verlangsamt die Flankensteilheit von Spannungsspitzen, nebenbei wird dadurch die Spitze auch noch etwas gekappt. Allerdings können damit keine maximalen Spannungen garantiert werden, die Spitzenspannung hängt von der Last ab. Und wie du richtig schreibst, ist das Grosse Problem der Leckstrom! Das ist nicht nur ein Problem bei ESL und LED-Lampen, bei grossen Cs kann es auch Lebensgefährlich werden, wenn man die Leitung berührt, obwohl abgeschaltet ist.

Die VDRs für den Einsatz als Überspannungsschutz gibt es etwa seit Mitte der 70er Jahre. VDRs gibt es zwar schon länger, aber die hatten ein recht weiches Knie, waren relativ hochohmig und konnten keine so hohen Spitzenströme verkraften, wie die heutigen. Da liegen die kleinsten Typen schon im Bereich von kA für µs.
Im Gegensatz zum RC-Glied begrenzt ein VDR die Spannung in jedem Fall auf bekannte Werte.

Die Freilaufdiode ist auch nicht die optimale Lösung. Durch den Strom wird die Abschaltzeit der Spule merklich verlängert.
Besser ist es die Spannung über dem Transistor zu begrenzen, dazu kann man parallel zum Transistor eine Z-Diode verwenden oder eben einen VDR. Den VDR kann man auch parallel zur Spule schalten, die Z-Diode braucht für diesen Fall noch eine zusätzliche Diode in Serie.

In meinen Industriegeräten habe ich immer nur VDR verwendet. Bei SSRs ist dies der einzige funktionierende Überspannungsschutz, RC-Glieder bringen da in der Praxis nichts!

Ausfälle bei den VDR hatte ich eigentlich kaum, bzw. nur bei entsprechenden Fehlschaltungen, wie 400V anstatt 230V angeschlossen. In einem Fall wurde ein magnetischer Spannungskonstanter versetzt und falsch angeschlossen, da bekamen alle Geräte anstatt 230V 460V, das haben die VDR natürlich nicht überlebt.

Wichtig ist es die VDRs richtig zu dimensionieren.
Die VDR bestehen aus gesintertem Zinkoxyd. Die Berührungsstellen der Körnchen bilden eine Art symmetrische Z-Diode mit einer Durchbruchspannung von ein paar Volt. Über die Korngrösse und die Materialdicke kann man bestimmen wie viele Körnchen in Serie liegen und somit die Ansprechspannung. Bei Überlastung schmelzen diese Übergänge und die Ansprechspannung des VDRs wird kleiner. Bei wiederkehrender leicht Überlastung nimmt die Ansprechspannung langsam ab. Bei einer grossen Überlast bildet sich ein Kurzschluss und das Material verdampft dann gerne, wenn genügend Leistung (Netzspannung) vorhanden ist. Dann finden sich meist nur noch die Anschlussdrähte des VDR.
Aber wie gesagt, das ist nur eine Frage der richtigen Dimensionierung!

MfG Peter(TOO)

[Christoph2]

@ 021ate04: Ich habe mein RC Glied parallel zum Verbraucher geschalten, nicht parallel zum Relaiskontakt. Dadurch habe ich keinen Leckstrom, dafür fließen aber permanent 70mA wenn der Verbraucher eingeschalten ist.

@ Peter: Das heißt du würdest den VDR parallel zu den Relaiskontakten schalten? Wenn das Relais jetzt aufmacht, und da hängt z.B. ein 2kW Motor von einer Absaugung von einer CNC Fräse dran, dann löst der beim Abschalten mal aus, weil seine Auslösespannung durch den induktiven Verbraucher überschritten ist. Wenn die Überspannung dann zurückgeht, habe ich an den Kontakten des VDR noch immer 230V. Kann das nicht sein, dass der dann leitend bleibt, die 230V Netzspannung kurzschließt und verdampft?
Wenn ich ihn parallel zum Motor schalte habe ich das gleiche Problem, weil der Motor ca. eine Minute nachläuft. Die Energie die da mechanisch gespeichert ist reicht wahrscheinlich auch, um einen VDR zu zerstören, wenn er den Motor kurzschließt. Außer der VDR ist recht groß.
Wie würdest du den VDR dimensionieren, wenn du nicht weißt, welche Verbraucher der Kunde da anschließt? Ich würde das Gerät gerne auslegen für 16A, egal ob kap./ind./ohmscher Verbraucher.

Noch eine Frage habe ich: Da ich jetzt den Netzfilter auf der Platine habe, muss ich Erde auf die Platine führen. Soll ich die Massefläche mit Erde verbinden? Bringt das EMV-technisch etwas? Ich habe bei fertigen Geräten schon vieles gesehen, verbunden, nicht verbunden oder über RC-Glied verbunden. Das Gehäuse ist komplett aus Kunststoff.

lg
Christoph