Kan een universele EMC-compliant voeding nog wel compliant blijven voor al zijn toepassingen?

Door zorgvuldig te kiezen uit een groot scala aan EMC-compliant AC/DC-voedingen (en DC/DC voedingen) kan nog niet direct worden gegarandeerd dat het eindproduct aan de lichtnetzijde ook EMC-compliant zal blijven. Verder mag algemeen bekend worden verondersteld dat deze EMC-compliance-eisen alleen van toepassing zijn aan de lichtnetzijde en niet gelden aan de secundaire DC-zijde, met uitzondering van de tafelvoedingen en sommige led-verlichtingssystemen waarbij de secundaire DC-poort ook direct toegankelijk is voor de (eind-)gebruiker.

N.B.: AC/DC-voedingen/adapters/laders vallen niet onder de algemene definitie van tafelvoedingen en behoeven aan hun DC-zijde dus niet EMC-compliant te zijn. Dat geldt wel als de AC/DC-voedingen/adapters/laders worden verkocht in een applicatie, maar dan alleen voor het totaal -niet op de DC-poort.

In het kader van energie-efficiency kennen de moderne AC/DC-, maar ook voor DC/DC-converters drie modi van schakelen: de druppelmodus, bij geen of zeer lage belasting (stand-by), een burst-mode, bij lage tot middelmatige belasting en de continue modus bij middelhoge belasting tot vollast. De voedingen worden geacht in alle operationele modi EMC-compliant te zijn en te blijven.

Verder worden de EMC-compliance metingen aan een schakelende voeding nagenoeg altijd uitgevoerd met een vast instelbare, niet-geaarde resistieve belasting. Oftewel, het gedrag van een voeding als mogelijk sperfilter, wat vaak interessant is voor schakelende belastingen die er – al dan niet secundair geaard (aan PE) –  kunnen aanhangen, is niet gespecificeerd.

Naast de DC-ripple aan de DC-uitgang is de common-mode stoorspanning, die als gevolg van het schakelen van de voeding, wordt gegenereerd tussen de primaire/lichtnetzijde en de secundaire/ belastingzijde, geen eis voor EMC-compliance. De hoogte van deze common-mode spanning kan wel direct bepalend zijn voor het al dan niet kunnen functioneren van een actieve belasting, bijvoorbeeld wanneer er analoge sensoren mee worden gevoed.

In een elektrische veiligheidsklasse 2 applicatie, dus zonder randaarde, wordt de secundaire DC-spanning RF-matig gerefereerd aan de AC-ingangsspanning en er staat dan capacitief 115 volt op, bij 230 volt AC nominaal. De gebruikte Y-capaciteiten zijn dan maximaal 2 x 4,7 nF (voor een verplaatsbare applicatie) en lopen op tot maximaal 2 x 22 nF voor een stationaire applicatie, waarmee dan eventuele 50 Hz brom te verklaren valt. Deze Y-capaciteiten vormen daarmee ook weer een hoogdoorlaatfilter voor aan de lichtnetzijde gegenereerde storingen die dan één-op-één door kunnen koppelen naar de secundaire DC-zijde.

Figuur  1. Voorbeeld van de RF-emissie gemeten aan de primaire zijde, gegeven limiet is Class B wanneer de secundaire zijde geaard wordt en belast is.

Figuur  2. Voorbeeld van dezelfde voeding, dezelfde belasting, gemeten aan de primaire zijde, wanneer de secundaire zijde niet geaard is.

Terug naar EMC ….

Voor het formeel EMC-kwalificeren van een schakelende AC/DC-voeding wordt gebruik gemaakt van standaard EMC-meetopstellingen waarin het lichtnet wordt gerepresenteerd door een vast netwerk. Dit gebeurt met een V-netwerk, ook ‘artifical mains network’ (AMN) genoemd, en dit is voorgeschreven in IEC CISPR-16-1. De lichtnetimpedantie wordt hoogfrequent voorgesteld door 2 impedanties ten opzichte van de veiligheidsaarde (PE) (= V-netwerk) met een impedantie, van (50 Ω // (50 µH + 5Ω)), in de frequentieband van 9 kHz tot 30 MHz. Dus bij de lagere frequenties resistief 5 Ω, en boven 1 MHz ook weer resistief, maar dan 50 Ω ten opzichte van de veiligheidsaarde. Differentieel, nul naar fase, of fase naar fase, geldt dan de som van deze individuele impedanties: dus 10 Ω bij de lagere frequenties en 100 Ω boven de 1 MHz.

N.B.: Voor lichtnet/ power-line communication (PLC) wordt door de meeste fabrikanten een differentiële impedantie verwacht tussen de 20 en 200 Ω. Er is dus maar beperkte overlap.

Voor het ingangsfilter van schakelende voedingen wordt primair gebruik gemaakt van reactieve filter-componenten: (zelf-)inducties L, en X- en Y-capaciteiten C. LC-circuits, in serie of parallel, zijn van nature resonant en hebben dissipatieve elementen nodig om bij hun resonantiefrequentie gedempt te worden. Voor de meeste toepassingen liggen de resonantiefrequenties van dergelijke laagdoorlaatfilters beneden de 150 kHz, omdat voor de meeste apparaten, met uitzondering van verlichtingapparatuur, de leidinggebonden RF-emissie pas vereist wordt vanaf 150 kHz.

Zoals al aangegeven moet het design zo zijn dat een netfilter met zijn resonanties ideaal kritisch gedempt wordt: Q ~ 1. Dit is voor menig voedingenfabrikant de aanleiding om hiervoor de resistieve belasting van de AMN te gebruiken zoals deze ook tijdens de EMC-vrijgave toegepast wordt. Echter, door toevoeging van extra belasting aan de lichtnetzijde: resistief, capacitief of inductief, wordt de resonantie verstemd (meestal verlaagd) en/of de demping verstoort. Met andere woorden: de EMC-compliant voeding wordt door zijn toepassing, namelijk ook door het toevoegen van componenten aan de primaire zijde, non-compliant.

Scheiding

Verder zijn voedingen zo opgebouwd dat er een strikte scheiding is tussen common-mode- en differentiële mode storingen. Hiervoor wordt dan gebruik gemaakt van gelijke/symmetrische Y-capaciteiten van nul en fase(n) naar PE, de veiligheidsaarde. Door toepassing van gelijke capaciteiten wordt een optimale scheiding gerealiseerd die door het aanbrengen van een asymmetrische capaciteit, voorgesteld door een ander circuitdeel, danig verstoord kan worden.

Bij het toepassen van meerdere voedingen in een apparaat worden deze aan de primaire zijde parallel geschakeld in een 1-fase applicatie. In een 3-fase applicatie zouden de voedingen, waar mogelijk, ook evenredig over de drie fasen kunnen worden verdeeld.

Of de voedingen aan de secundaire zijde parallel, in serie of alleen met een referentie gekoppeld of mogelijk volledig gescheiden blijven lijkt geen issue. Toch blijken nagenoeg identieke vrijlopend oscillerende voedingen die secundair, dus met hun control-loop, aan elkaar geschakeld worden, in staat te zijn om synchroon te gaan lopen. Dit is licht afhankelijk van de temperatuur en de belasting, maar als ze synchroniseren, zijn ze weer moeilijk uit de pas te krijgen.

Met betrekking tot de intern ingebouwde ingangsfiltering, door meer voedingen primair parallel te schakelen neemt de totale capaciteit tussen nul of fase naar PE evenredig toe. Dit geldt ook voor de capaciteit tussen nul en fase. Bij verdubbeling van de capaciteit neemt de resonantiefrequentie evenredig met de wortel van de toename af. Door de afname van de resonantiefrequentie neemt de demping ten gevolge van de gebruikte AMN impedantie(s) ook evenredig af.

Een ander punt is dat voedingen vanwege hun inductieve energieomzetting via niet volledig gesloten transformatoren de eigenschap hebben om buiten de transformator ook nog een magnetisch strooiveld te genereren. Het maken van lussen in bekabeling en/of bedrading in de buurt van voedingen zal dan leiden tot geïnduceerde spanningen en die kunnen mogelijk weer aanleiding zijn voor een verstoorde functie of mogelijk direct hun storing induceren in de netaansluiting. Hierbij kan een metalen behuizing rondom de voeding een oplossing zijn, afhankelijk van de oriëntatie van dergelijke strooivelden en het ‘kortsluitpad’ dat door de metalen behuizing wordt gerealiseerd. Over magnetische strooiflux rondom voedingen bestaan geen formele EMC-eisen meer, anders dan voor verlichtingsapparatuur: de ‘large loop antenna’.

Figuur  3. H-veld van een voeding: geel: burst mode, low load; groen: 2 A; Oranje: 3 A output load, gemeten met 36 windingen lus op 0,07 m afstand (geen probe-correctie toegepast).

Spanningsvariaties

Omdat er in voedingen driftig wordt geschakeld, zullen er ook hoge spanningsvariaties optreden bij de schakelende elementen: transistor, FET, IGBT. Als deze zijn voorzien van een koellichaam, dan is het afhankelijk van de interne verbinding die dit koellichaam heeft ten opzichte van een referentie of dit koellichaam een elektrisch veld zal gaan afstralen. Ook hier geldt weer: als er een metalen behuizing wordt toegepast rondom de voeding, dan kan de bijdrage hiervan nihil zijn.

Bij open AC/DC-voedingen blijft montage aan een metalen referentie op de hoekpunten vaak een cruciaal punt. De bevestigingsgaten zijn dan mede de elektrische contactgaten voor de filtering en ontkoppelingscomponenten op de print. Het plaatsen van een open voeding op een kunststof plaat, of het gebruik van kunststof studs om deze voeding geïsoleerd te bevestigen op een metalen plaat zorgt ervoor dat de door de fabrikant voorziene filtering teniet wordt gedaan.

Power Factor

Naast EMC gelden er ook nog regels voor de Power Factor (PF) en de netfrequentie-harmonische emissie: harmonischen in de frequentieband van 50 Hz tot 2 kHz (IEC/EN 61000-3-2), die norm-technisch Power Quality (PQ) gerelateerd zijn. In het bijzonder gelden er nog weinig eisen voor de inschakelstroom, ook wel ‘inrush current’ genoemd. Dit is de instantane stroom die ontstaat bij het aanschakelen van de voedingen, ten gevolge van het opladen van de ontkoppel- en buffercondensatoren, vaak te zien als de vonk die optreedt wanneer een netsteker in een wandcontactdoor wordt gestoken. Zolang deze inschakelstroom er geen zekeringen doet uitvliegen, wordt veel toegestaan. Er bestaan ook elektronische oplossingen die dergelijke inschakelstromen minimaliseren.

Door het gebruik van schakelende voedingen met daarin toegepast netfiltering ontstaan lekstromen oftewel ‘leakage currents’. Hiervoor gelden limieten ten aanzien van de aanraakveiligheid van het apparaat. Het toepassen van vele schakelende voedingen parallel of het combineren van voedingen met een extern netfilter (om aan de EMC-eisen te voldoen) kan er toe leiden dat niet meer wordt voldaan aan deze lekstroomeisen. In het bijzonder gelden er zeer zware lekstroomeisen voor medische toepassingen. Verder als hekkensluiter geldt ook nog de ‘touch voltage after disconnect’. Als een voeding wordt losgekoppeld van het lichtnet, dan moet binnen 2 seconden de spanning tussen de aanraakbare metaaldelen van de connector gedaald zijn tot beneden de 60 volt, dus vanaf nominaal 325 volt piek bij een netspanning van 230 V_{AC, RMS}.

Conclusies

Een EMC-compliant voeding zal bijdragen tot het EMC-compliant kunnen maken van een daarmee gevoede applicatie mits aan een groot aantal voorwaarden is voldaan. Doordat deze voorwaarden, respectievelijk de oorzaken van het degraderen van de EMC-performance van voedingen niet algemeen bekend zijn, mag je concluderen dat het toepassen van een EMC-compliant voeding nog geen garantie is voor het EMC-compliant worden van een applicatie op zijn lichtnet- of voedingspoort.

Omdat een leverancier/fabrikant van voedingen niet alle toepassingen en applicaties kan overzien, blijft het noodzakelijk om hiermee zorgvuldig om te gaan en ná toepassing te verifiëren of de totale applicatie nog EMC-compliant is gebleven.

Mart Coenen, EMCMCC