Um sicherzustellen, dass elektronische Geräte keine unzulässigen Störungen verursachen oder nicht selbst durch elektromagnetische Einflüsse beeinträchtigt werden, existieren strenge EMV-Normen. Industrielle, wissenschaftliche und haushaltsübliche Geräte unterliegen beispielsweise den Anforderungen der CISPR 11/32, während für IT- und Multimedia-Technik die EN 55022/55032 relevant ist. In industriellen Umgebungen regeln die Normen EC 61000-6-1 bis IEC 61000-6-4 sowohl die zulässige Störaussendung als auch die geforderte Störfestigkeit gegenüber äußeren Einflüssen.

Geräte, die diese Normen nicht erfüllen, müssen aufwendig überarbeitet werden oder dürfen gar nicht erst in Verkehr gebracht werden. Ein wesentlicher Bestandteil jeder EMV-Strategie ist daher ein effektiv ausgelegter EMV-Filter, der unerwünschte leitungsgebundene Störungen reduziert und die Normkonformität sicherstellt.

Lesen Sie hier weiter für ein Praxisbeispiel:

https://bkt-prenzlau.de/app/uploads/2025/05/Praxisbeispiel.pdf

Asymmetrische Störungen, auch als Gleichtaktstörungen bezeichnet, treten auf, wenn sich in beiden Leitern eines Leitungspaares dieselbe Störspannung mit identischer Polarität ausbreitet. Das bedeutet, dass die Störung in beiden Leitern gleichzeitig und in die gleiche Richtung fließt. Eine typische Quelle asymmetrischer Störungen sind externe, sowie interne elektromagnetische Felder, die kapazitiv und induktiv, aber auch über Strahlung in das Netz einkoppeln. Beispielsweise können Frequenzumrichter, die nicht ausreichend entstört sind, solche Felder erzeugen, die sich als Gleichtaktstörungen über die Stromversorgung auf andere Geräte übertragen. Da die Störung auf beide Leiter in gleicher Weise einwirkt, kann sie sich über große Flächen ausbreiten und mehrere Geräte gleichzeitig beeinflussen. Ein weiteres charakteristisches Merkmal von Gleichtaktstörungen ist, dass sie sich oft über Gehäuse und Masseverbindungen einkoppeln und zu Funktionsstörungen in empfindlichen Geräten führen können.

Dabei unterliegt der Einsatz von Schutzleiterdrosseln zahlreichen gesetzlichen Vorgaben und Normen, die die Sicherheit und Störfestigkeit elektrischer Systeme regeln. Schutzleiterdrosseln dienen der Unterdrückung von Gleichtaktstörungen (Common-Mode Interference), die durch unsymmetrische Ströme entstehen und über den Schutzleiter zurückgeführt werden.

Diese Störungen treten insbesondere in Systemen auf, die mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten, wie beispielsweise in Frequenzumrichtern, Schaltnetzteilen oder Wechselrichtern. Die hohe Impedanz der Schutzleiterdrossel für hochfrequente Signale unterbricht den Störstrompfad effektiv, ohne dabei die niederfrequenten Schutzfunktionen des PE-Leiters zu beeinträchtigen.

Die Einsatzgebiete von Schutzleiterdrosseln sind vielfältig, jedoch sind es vor allem Geräte und industrielle Anwendungen, in denen hohe elektromagnetische Verträglichkeitsanforderungen erfüllt werden müssen. In Frequenzumrichtern und Antriebssystemen tragen sie zur Minimierung der Rückwirkungen auf andere elektrische Geräte bei und sind wesentlich daran beteiligt, die gesetzlich vorgegebenen Störgrenzwerte einzuhalten. Ebenso relevant ist ihr Einsatz in erneuerbaren Energieanlagen, insbesondere in Wechselrichtern von Photovoltaikanlagen und Windkraftsystemen, wo sie die Ausbreitung leistungsgebundener Störungen auf andere Netzsegmente unterbinden. Ein zentraler Nutzen von Schutzleiterdrosseln liegt in der Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Anlagen und Systemen. Gemäß der Europäischen EMV-Richtlinie 2014/30/EU [1] müssen elektrische Geräte und Systeme so konstruiert sein, dass sie geringe elektromagnetische Störungen verursachen und selbst unempfindlich gegenüber solchen Störungen sind. Schutzleiterdrosseln unterstützen die Einhaltung dieser Anforderungen, indem sie die Störfestigkeit erhöhen und gleichzeitig sicherstellen, dass keine unzulässigen Störungen auf das Stromnetz oder benachbarte Geräte übertragen werden.

Darüber hinaus reduzieren Schutzleiterdrosseln unerwünschte hochfrequente Fehlerströme, die insbesondere in industriellen Umgebungen zu Problemen führen können, da sie die Auslösung von Fehlerstrom-Schutzschaltern (RCDs) beeinträchtigen oder deren ungewollte Aktivierung auslösen. Weiterhin tragen Schutzleiterdrosseln zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Installationen bei, indem sie den PE-Leiter vor einer potenziellen thermischen Belastung durch hochfrequente Störströme schützen.

Die Verwendung von Schutzleiterdrosseln unterliegt aufgrund ihrer Integration in die Schutzleiterstruktur strengen regulatorischen Vorgaben, die durch gesetzliche Richtlinien und Normen definiert sind. Gemäß DIN VDE 0100-540 [2] sind Schutzleiterdrosseln so zu konstruieren, dass sie niederfrequente Fehlerströme ungehindert ableiten, während hochfrequente Störungen wirksam blockiert werden. Insbesondere bei leistungsstarken Anlagen und Systemen erfordert dies eine sorgfältige Dimensionierung der Drosseln, um den Anforderungen gerecht zu werden. Gemäß DIN EN 60938-1 [3] werden für unterschiedliche Bemessungsstrombereiche Mindestquerschnitte für den Leitungsquerschnitt der Schutzleiterdrossel definiert, wobei die Schutzleiterdrossel selbst für den maximalen Fehlerstrom, der durch den Schutzleiter fließen kann, dimensioniert sein muss. Des Weiteren beschreibt diese Norm sowohl die zulässige Spannung, die an der Drossel auftreten darf, sowie die daraus resultierende maximal zulässige Impedanz. Daraus ergibt sich ein antiproportionaler Zusammenhang zwischen dem maximalen Bemessungsstrom und der geforderten Induktivität. Die Wicklungen und die verwendeten Materialien der Schutzleiterdrossel müssen thermisch und elektrisch stabil bleiben, auch bei kurzzeitigen hohen Strömen, die im Fehlerfall auftreten können.

Obwohl Schutzleiterdrosseln in vielen Anwendungen unverzichtbar sind, bringen sie auch technische Herausforderungen mit sich. Eine davon ist die thermische Belastung, die bei hohen Fehlerströmen auftreten kann. Diese kann die Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit des Bauteils beeinträchtigen. Darüber hinaus ist es essenziell, dass Schutzleiterdrosseln so konstruiert werden, dass sie keine unzulässigen Spannungsfälle oder Verzögerungen im Schutzstrompfad verursachen, um die Funktionalität von Schutzsystemen nicht zu beeinträchtigen.

In der praktischen Anwendung erweist sich die Schutzleiterdrossel als ein wichtiges Bauteil zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit innerhalb industrieller und energietechnischer Kontexte, wobei ihre Anwendung maßgeblich zur Einhaltung gesetzlicher Vorgaben sowie zur Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit elektrischer Systeme beiträgt. Nichtsdestotrotz erfordert ihre Implementierung eine akribische Planungsphase sowie eine sorgfältige Anpassung an die spezifischen Erfordernisse des Anwendungsbereichs. In Anbetracht der fortschreitenden Entwicklung leistungsfähigerer Systeme und der zunehmenden Bedeutung erneuerbarer Energien wird die zielgerichtete Auslegung von Schutzleiterdrosseln in den kommenden Jahren eine wichtige Rolle spielen.

Quellen

Seit Jahrzehnten werden passive EMV-Filter eingesetzt, deren Funktionsweise auf passiven Bauelementen wie Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen basiert. In Anbetracht neuer Technologien wie aktiver Filter und digitaler Signalverarbeitung erscheint jedoch die Frage berechtigt, ob passive EMV-Filter noch als zeitgemäß zu betrachten sind oder ob sie allmählich von moderneren Lösungen verdrängt werden.

Passive EMV-Filter basieren auf physikalischen Effekten wie Resonanz und Impedanzanpassung, um unerwünschte Frequenzen zu blockieren. Dabei wird keine externe Stromquelle benötigt. Typische Topologien wie LC-, RC- oder Pi-Filter erweisen sich als effektiv bei der Unterdrückung leitungsgebundener und strahlungsbedingter Störungen. Ihre Vorteile liegen in der Einfachheit, Robustheit und Zuverlässigkeit. Insbesondere in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte und strengen EMV-Anforderungen werden sie geschätzt. Allerdings stehen sie auch vor Herausforderungen, die durch den technischen Fortschritt und die Miniaturisierung moderner Systeme entstehen.

Ein wesentlicher Nachteil passiver EMV-Filter besteht in ihrem Platzbedarf. Insbesondere Induktivitäten weisen häufig eine hohe räumliche Ausdehnung auf, wodurch sich die Integration in kompakte Designs als anspruchsvoll erweisen kann. Des Weiteren sind passive Filter in ihrer Fähigkeit, sehr breitbandige oder hochfrequente Störungen zu unterdrücken, begrenzt, was insbesondere in modernen Elektroniksystemen ein zunehmendes Problem darstellt. Zusätzlich sind die Kosten für hochwertige Bauelemente zu berücksichtigen, die in Anwendung mit hohen Leistungsanforderungen erforderlich sind [1].

Demgegenüber eröffnen moderne aktive EMV-Filter und digitale Lösungen neue Perspektiven. Diese nutzen Verstärker und Sensoren, um Störungen gezielt zu eliminieren. Eine Methode besteht in der Erzeugung eines Gegensignals, welches die Störung kompensiert, ähnlich wie bei der aktiven Geräuschunterdrückung. Diese Technologien erweisen sich bei niedrigen Frequenzen als effizient und ermöglichen eine flexible Reaktion auf variable Störquellen. Digitale Filter, die auf Mikrocontrollern oder FPGAs basieren, erlauben eine Echtzeit-Analyse und Unterdrückung von Störungen. Sie finden insbesondere in Systemen Anwendung, die ohnehin über leistungsstarke digitale Steuerungen verfügen [2].

Trotz dieser modernen Ansätze sind passive EMV-Filter in vielen Anwendungen nach wie vor unverzichtbar. Im Bereich der Netzfilterung, beispielsweise bei Schaltnetzteilen, stellen LC-Filter nach wie vor die gängige Lösung dar. Ihre Robustheit und Wartungsfreiheit machen sie insbesondere für den Einsatz in industriellen Umgebungen attraktiv, in denen elektronische Systeme hohen Belastungen ausgesetzt sind. Auch in der Automobilindustrie, beispielsweise in Steuergeräten oder Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge, werden passive Filter aufgrund ihrer Zuverlässigkeit weiterhin bevorzugt eingesetzt. Eine Studie von Fischer et al. [3] belegt, dass passive Filter bei frequenzvariablen Antrieben in der Industrie weiterhin die bevorzugte Wahl darstellen, insbesondere bei hohen Leistungsanforderungen.

Die Zukunft wird in hybriden Ansätzen liegen, welche die Stärken passiver und aktiver Technologien kombinieren. Ein Beispiel hierfür ist die Integration passiver LC-Strukturen mit digital gesteuerten aktiven Komponenten, wie sie in Berichten des Fraunhofer IISB [4] beschrieben wird. Solche Systeme ermöglichen eine gezielte Anpassung an die jeweilige Störquelle, während gleichzeitig die Vorteile passiver Bauelemente genutzt werden.

EMV-Filter, die lediglich die Funktion der passiven Filterung erfüllen, sind demnach keineswegs als veraltet zu betrachten, auch wenn sie in bestimmten Anwendungsbereichen an Bedeutung verlieren. Ihre Stärken – Einfachheit, Robustheit und Kosteneffizienz – gewährleisten ihnen weiterhin einen festen Platz in der Entwicklung moderner Systeme. Dennoch ist bei der Wahl der Filtertechnologie stets auf die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung Rücksicht zu nehmen. Während aktive und digitale Filter in dynamischen und hochkomplexen Umgebungen zunehmend an Bedeutung gewinnen, bleiben passive EMV-Filter in Anwendungen mit hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität unersetzlich.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass passive EMV-Filter nicht obsolet sind, sondern weiterhin ein wesentlicher Bestandteil moderner EMV-Konzepte bleiben. Die Zukunft wird jedoch zunehmend von hybriden Lösungen geprägt sein, die das Beste aus beiden Welten vereinen. Die fortlaufende Forschung und Entwicklung in diesem Bereich verspricht spannende Fortschritte, die die Grenzen traditioneller EMV-Technologien erweitern werden.

Quellen

• [1] Paul, C. R. (2018): „Introduction to Electromagnetic Compatibility“, Wiley.
  
• [2] Grasso, F., et al. (2021): „Active vs. Passive Filtering: A Comparative Study in Automotive Applications“, SAE International Journal of Passenger Cars.
  
• [3] Fischer, K., et al. (2023): „Advances in Electromagnetic Interference Filtering for Variable Speed Drives“, IEEE Transactions on Industrial Electronics.
  
• [4] Fraunhofer IISB (2022): „Hybrid Filtering Solutions for Electromagnetic Compatibility“, Fraunhofer Reports.

Dieser Artikel ist ein Ergebnis aus dem im Rahmen des von der ILB geförderten BIG FuE.