Lernfeld 12 · Prüfung Teil 2

EMV und Stromversorgung

EMV und Stromversorgung: Abblockkondensatoren, Drossel, Varistor, Freilaufdiode, Linear- und Schaltregler und Wärmeberechnung erklärt.

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Darum geht es

Elektromagnetische Verträglichkeit heißt: Ein Gerät stört andere nicht und lässt sich selbst nicht stören. Auf der Leiterplatte erreichst du das mit einer durchgehenden Massefläche, kurzen Stromschleifen und Abblockkondensatoren von typisch $100 nF$ direkt an den Versorgungspins jedes ICs. Schnelle Signale führst du kurz und über der Massefläche.

Am Netzeingang filtert eine stromkompensierte Drossel Gleichtaktstörungen. Außen- und Neutralleiter sind gegensinnig gewickelt, deshalb hebt sich das Feld des Betriebsstroms auf, während Gleichtaktstörungen auf eine hohe Impedanz treffen. Varistoren und Suppressordioden begrenzen Überspannungen, an Schnittstellen wie RS-485 schützen TVS-Dioden die Treiber. Eine Freilaufdiode antiparallel zur Relaisspule nimmt beim Abschalten die Induktionsspannung auf und schützt den Transistor.

Ein Linearregler setzt die Spannungsdifferenz mal Laststrom vollständig in Wärme um. Die Sperrschichttemperatur ergibt sich aus Umgebungstemperatur plus Verlustleistung mal Wärmewiderstand; wird sie zu hoch, brauchst du einen Kühlkörper oder einen Schaltregler. Schaltregler arbeiten mit hohem Wirkungsgrad, erzeugen aber durch das schnelle Schalten Störungen, die du durch Layout und Filter beherrschst. Die Ausgangsspannung stellst du über einen Spannungsteiler an der Rückführung ein.

Das solltest du dir merken

Abblockkondensatoren gehören so nah wie möglich an die Versorgungspins.
Die stromkompensierte Drossel dämpft Gleichtakt-, nicht Gegentaktströme.
Ohne Freilaufdiode zerstört die Abschaltspannung der Spule den Transistor.
Linearregler verheizen $(U_{e} - U_{a}) \cdot I$ .

Formeln

Verlustleistung im Linearregler: $P_{V} = (U_{e} - U_{a}) \cdot I$; $P_{V}$ Verlustleistung in W, $U_{e}$ Eingangsspannung, $U_{a}$ Ausgangsspannung in V, $I$ Laststrom in A
Sperrschichttemperatur: $ϑ_{J} = ϑ_{U} + P_{V} \cdot R_{th,JU}$; $ϑ_{J}$ Sperrschicht, $ϑ_{U}$ Umgebung in °C, $R_{th,JU}$ Wärmewiderstand Sperrschicht zu Umgebung in K/W
Ausgangsspannung über Spannungsteiler: $U_{a} = U_{ref} \cdot (1 + \frac{R _{1}}{R _{2}})$; $U_{ref}$ Referenzspannung des Reglers, $R_{1}$ oberer, $R_{2}$ unterer Widerstand des Teilers

Typische Fehler in der Prüfung

Beim Linearregler die Ausgangsspannung statt der Differenzspannung mit dem Strom multipliziert.
Abblockkondensatoren gesammelt am Rand der Platine platziert.
Freilaufdiode in Durchlassrichtung parallel zur Spule geschaltet, sie schließt dann die Versorgung kurz.
Die Wärmewiderstände von Gehäuse und Kühlkörper nicht addiert.

Tipps aus der Werkstatt

Beim Abschalten einer Spule will der Strom weiterfließen; ohne Freilaufdiode entsteht eine hohe Spannungsspitze, die den Transistor zerstört. Die Diode wird in Sperrrichtung zur Versorgung geschaltet, also Kathode an Plus.
EMV hat zwei Seiten: nicht zu viel stören (Emission) und sich nicht stören lassen (Störfestigkeit). Auf der Baugruppe helfen 100-nF-Abblockkondensatoren direkt am IC, Massefläche, kurze Leitungen und Schirmung. Verlustleistung eines Linearreglers: (Ue − Ua) mal I.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

16 Aufgaben zu „EMV und Stromversorgung“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Geräte und Systeme 18.12.2020, Lernfeld 12; EMV-Richtlinie 2014/30/EU, DIN EN 61000-6-1 bis -4. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.