Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik abgestrahlte Störaussendung DC/DC Converter


von Ben (blackstar)


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Hallo!
Wir wollen einen DC/DC Converter in einer stationären Anwendung 
integrieren und haben die abgestrahlte Störaussendung gemessen. Hier die 
Daten:
Eingang: 30..50VDC
Ausgang 24VDC Last sowie 3,3V und 12VDC (Signal)
Alugehäuse
Testbedingungen: 36V Batterieversorgung, 2 Ohm Leistungswiderstand am 
Ausgang.
Ziel: Zertifizierung nach EN 55014

Anbei die Messkurven aus einem EMV-Labor. Die grüne Kurve ist vom 
'ungestörten' Raum. Dann ohne und mit Last. Wir kommen bei verschiedenen 
Frequenzen sehr nah an die Normgrenze.
Wir haben die Ein- und Ausgangsleitungen in Ferritkernen testweise 
durchgeführt und konnten leichte Verbesserungen sehen.
Nun wollen wir Eingang- und Ausgangfilter (Kondensator + Ferrit Beads) 
an den vier Anschlüssen einbauen und jeweils die Auswirkung testen.
Frage 1: ist die Störungskurve unter Null-Last normal (nur Step-down 
Converter für 3,3 und 12V aktiv)?
Frage 2: wie legt man den Filter aus? und welche Werte für die 
Kapazitäten würdet ihr einbauen?
danke vorab!

von Daniel F. (foxi_the_daywalker)


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Hi,

Würth Elektronik hatte mal ein super Webinar dazu, aber leider finde ich 
es nicht mehr.
Auf deren Seite findet man aber noch die Application Note 005 dazu:
https://www.we-online.com/de/support/wissen/application-notes?d=anp005-emv-filter-fur-dcdc-schaltregler

Vielleicht hilft das etwas.

von Wolf17 (wolf17)


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Ben schrieb:
> Wir kommen bei verschiedenen Frequenzen sehr nah an die Normgrenze.
Bis auf den 200MHz Peak sind doch überall >10dB Abstand. Wie gut soll es 
werden?
Im betroffenen Frequenzbereich können sich zwei wertegleiche 
Kondensatoren verschiedener Bauart unterschiedlich verhalten. Auch 
einige mm Leiterbahn können alles ändern. Da hilft nur ausprobieren.
Wenn Zu- und Ableitung schon gefiltert sind, bringt wahrscheinlich nur 
ein geschlossenes Metallgehäuse mit Durchführungskondensatoren eine 
deutliche Verbesserung gegen Abstrahlung.

: Bearbeitet durch User
von Mark S. (voltwide)


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Sieht für mich auch durchaus normal aus. Die Störungen sind vmtl 
Gleichtaktstörungen, in dem Fall sind die üblichen CLC-Filter eher 
wirkungslos.
Ich würde mal die Sekundärleitungen bündeln und durch einen gemeinsamen 
Dämpfungsferrit (Klappferrit) mit möglichst hoher Impedanz ziehen.

von Res (resmon)


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Anstatt Ferrite und Filter reinzuwerfen, wäre es lohnenswert, 
herauszufinden wo die Emissionen entstehen und da entgegenzuwirken, 
sofern die Schaltung noch angepasst werden kann.

von Vorname N. (mcu32)


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Erstmal solltest du identifizieren was für Störungen es sind. 
Differential oder Common Mode oder ein Spektrum aus beidem, meistens 
dominiert eins von beidem.
Bei Schaltapplikationen wie deinem Wandler sind es i.d.R. common mode 
Störungen.
Hier hilft meistens eine entsprechend dimensionierte Common Mode Choke.

Es gibt sehr gute Application notes von coilcraft und wie schon erwähnt 
von WE.

von Omega G. (omega) Benutzerseite


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Wird das durch die Anschlußleitungen abgestrahlt, oder durch die Platine 
selbst?

Nur wenn es durch die Kabel abgestrahlt wird, wird ein Filter an den 
Anschlüssen etwas bringen.

Für meinen Geschmack ist das schon etwas viel Pegel ohne Last, ist aber 
noch ok.

Unter Last klingelt wohl einer der FETs im DC/DC, das kann schon mal bei 
200 MHz und mehr sichtbar sein. Das kann z.B. am Layout liegen, an 
ungünstig gewähltem FET und lässt sich mit einem Snubber zumindest 
verbessern.
Außerdem scheint die Schaltfrequenz sichtbar zu sein.

Wie sehen denn die leitungsgeführten Aussendungen aus? Ist da auch die 
Schaltfrequenz deutlich sichtbar?

von Mark S. (voltwide)


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Res schrieb:
> Anstatt Ferrite und Filter reinzuwerfen, wäre es lohnenswert,
> herauszufinden wo die Emissionen entstehen und da entgegenzuwirken,
> sofern die Schaltung noch angepasst werden kann.

Und, hast Du das schon mal erfolgreich durch gespielt?

von Jobst M. (jobstens-de)


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Spread Spectrum wird schon genutzt?

Gruß
Jobst

von Ben (blackstar)


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Danke schonmal für die Reaktionen!

Wolf17 schrieb:
> Bis auf den 200MHz Peak sind doch überall >10dB Abstand. Wie gut soll es
> werden?
ja aber das ist auch nur ein punktueller Test. Das Gerät wird später im 
EMV-Raum 360° gedreht, und da will ich etwas Reserve >15dB haben.

Wolf17 schrieb:
> ein geschlossenes Metallgehäuse mit Durchführungskondensatoren
was ist mit Durchführungskondensatoren gemeint? Link?

Vorname N. schrieb:
> Hier hilft meistens eine entsprechend dimensionierte Common Mode Choke.
ich bevorzuge aufgrund des niedrigen DC-Widerstands ein Ferrit Bead als 
eine Drossel. In der Anwendung geht der Strom bis 14A und ich möchte 
keine unnötigen Abwärme produzieren. Konkret überlege ich 710-74279392 
von WE einzusetzen.

Omega G. schrieb:
> Wird das durch die Anschlußleitungen abgestrahlt, oder durch die Platine
> selbst?
Wahrscheinlich durch die Leitungen. Wir haben das Gehäuse im geöffneten 
Zustand gemessen und keine nennenswerten anderen Spikes gemessen

Omega G. schrieb:
> Unter Last klingelt wohl einer der FETs im DC/DC, das kann schon mal bei
> 200 MHz und mehr sichtbar sein. Das kann z.B. am Layout liegen, an
> ungünstig gewähltem FET und lässt sich mit einem Snubber zumindest
> verbessern.
> Außerdem scheint die Schaltfrequenz sichtbar zu sein.
>
> Wie sehen denn die leitungsgeführten Aussendungen aus? Ist da auch die
> Schaltfrequenz deutlich sichtbar?

ich glaube nicht. Wir haben separat die Spannung am Schalt-FET gemessen. 
Verlauf angehängt und sieht für mich ohne Überschwinger aus. die 
Schaltfrequenz ist deutlich unter 200MHz.

Wir haben keine leitungsgeführten Aussendungen gemessen.

Jobst M. schrieb:
> Spread Spectrum wird schon genutzt?

Nein. wie geht das? Link?

: Bearbeitet durch User
von Wolf17 (wolf17)


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Ben schrieb:
>> ein geschlossenes Metallgehäuse mit Durchführungskondensatoren
> was ist mit Durchführungskondensatoren gemeint? Link?
https://de.wikipedia.org/wiki/Durchf%C3%BChrungskondensator
https://telemeter.info/de/mwdownloads/download/link/id/789
https://stecker-shop.net/epages/27edac8b-bca1-4619-a0d8-f53e62f2ef2c.sf/de_DE/?ObjectPath=/Shops/27edac8b-bca1-4619-a0d8-f53e62f2ef2c/Products/09231-50
https://elw-elektronik.com/Produkte/Passive-Bauelemente/Kondensatoren/Durchfuehrungskondensator

Man baut die zu untersuchende Baugruppe testweise in ein zugelötetes 
Weißblechgehäuse mit Durchführungskondensatoren ein. Sind die Peaks im 
Meßdiagramm dann nicht weg, ist klar, dass die Abstrahlung von den 
Leitungen ausgeht und nicht direkt von der Baugruppe.
Vor den weiteren Messungen ergänzt man vor und hinter den Durchführungen 
zuerst Ferritperlen, dann kleine Drosseln.
Die Resonanzfrequenz der eingesetzten Bauteile muss über der 
Störfrequenz liegen, sonst haben sie wenig Wirkung.

von Wolf17 (wolf17)


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Ben schrieb:
>> Spread Spectrum wird schon genutzt?
> Nein. wie geht das? Link?
Der Steuerchip jittert die Schaltfrequenz über einen gewissen Bereich, 
Störpeaks werden "verschmiert" und fallen im Diagramm dadurch niedriger 
aus.
https://de.wikipedia.org/wiki/Spread_Spectrum_Clocking

von Ben (blackstar)


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Wolf17 schrieb:
> Die Resonanzfrequenz der eingesetzten Bauteile muss über der
> Störfrequenz liegen, sonst haben sie wenig Wirkung.
ich dachte, die Resonanzfrequenz des Filters (~Cut-off-Frequenz) soll 
unterhalb der Störfrequenz (40..200MHz) liegen.
es ist doch ein Tiefpass-Filter, oder?

: Bearbeitet durch User
von Wolf17 (wolf17)


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Ben schrieb:
>> Die Resonanzfrequenz der eingesetzten Bauteile muss über der
>> Störfrequenz liegen, sonst haben sie wenig Wirkung.
> ich dachte, die Resonanzfrequenz des Filters (~Cut-off-Frequenz) soll
> unterhalb der Störfrequenz (40..200MHz) liegen.
Es geht um die einzelnen Eigenschaften der eingesetzten Bauteile.
Eine Spule hat eine bauartabhängige parasitäre innere Kapazität, ein 
Kondensator eine parasitäre Induktivität. Daraus ergibt sich eine 
(Resonanz)Frequenz, oberhalb deren die primären Bauteileigenschaften 
immer schlechter werden.
Beitrag "Resonanzfrequenz Kondensatoren berechnen (parasitäre Eigenschaften)"
Hat z.B. eine Spule ihre Resonanz bei 20MHz, wird sie bei 100MHz 
schlechter dämpfen wie bei 10MHz, weil die Störung bei 100MHz schon 
vermehrt durch die parasitäre Kapazität passiert.

von Rainer W. (rawi)


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Ben schrieb:
> Das Gerät wird später im EMV-Raum 360° gedreht, und da will ich etwas
> Reserve >15dB haben.

Ein Faktor 32 als Reserve ist schon Luxus.

von Erik (maitai42)


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Evtl. könnte eine Ferritperle am Gate vom FET helfen.
Dazu gab es mal was von Würth (ask Lorandt).

von Klaus R. (klara)


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Daniel F. schrieb:
> Würth Elektronik hatte mal ein super Webinar dazu, aber leider finde ich
> es nicht mehr.

Der Link heißt:"Würth Elektronik Webinar EMV mit LT Spice antizipieren - 
YouTube"
https://www.youtube.com/watch?v=65LaZaeGkc8

Der Vortrag ist wirklich gut und geht auch ziemlich tief in die Materie 
hinhein. Es gibt dazu noch eine ZIP-Datei als Zugabe.
EMV & LT-Spice.zip

Den Hinweis auf die Unterlagen des Webinars sieht man wenn man die Seite 
aufklappt. Link und Passwort hat Würth freundlicher Weise hier auch 
angegeben.

Man kann dann die Störausstrahlung mit den zuässigen Grenzwerten selber 
simulieren. Ich hätte das Diagramm mal gerne mit einer Labormessung 
verglichen.

Ich hatte damals sogar auch einen kurzen aufschlussreichen Mailverkehr. 
Würth ist einfach toll! Eine echte Fundgrube.
mfg Klaus

von Klaus R. (klara)


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Ben schrieb:
> Frage 2: wie legt man den Filter aus? und welche Werte für die
> Kapazitäten würdet ihr einbauen?

Da ist Würth auch Dein Freund. Würth hat die passenden Induktivitäten 
und Kondensatoren und alle mit Spice - Modellen! Seit einigen Jahren 
gibt es für die Kerkos auch Bias - Modelle die den spannungsabhängigen 
Kapazitätsverlust direkt in der Simulation berücksichtigen.

Mit den idealen Modellen kommst Du da nicht weit, sie zeigen Dir nicht 
die Realität. Ist es Dir bekannt das nach der Eigenresonanz ein 
Kondensator induktiv agiert und die Induktivität kapazitive 
Eigenschaften annimmt? Erst dann macht ein Filter so richtig Spass.

Würth bietet noch eine weitere grosse Hilfe: REDEXPERT.

https://redexpert.we-online.com/we-redexpert/en/#/home

Log Dich ein und Du findest was Du suchst. Z.B. ein EMI Filter Designer 
oder eine Unterstützung bei der Dimensionierung der Filter.

Ausserdem wird Dir über RedExpert die Auswahl von Kondensatoren und 
Induktivitäten sehr erleichtert. Es werden Dir Diagramme der Bauteile 
gezeigt. Man kann dann auch mehrere Verläufe übereinanderlegen. Genau 
dies braucht der Ingenieur.
mfg Klaus

von Klaus R. (klara)


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Wolf17 schrieb:
> Ben schrieb:
>>> Die Resonanzfrequenz der eingesetzten Bauteile muss über der
>>> Störfrequenz liegen, sonst haben sie wenig Wirkung.
>> ich dachte, die Resonanzfrequenz des Filters (~Cut-off-Frequenz) soll
>> unterhalb der Störfrequenz (40..200MHz) liegen.
> Es geht um die einzelnen Eigenschaften der eingesetzten Bauteile.
> Eine Spule hat eine bauartabhängige parasitäre innere Kapazität, ein
> Kondensator eine parasitäre Induktivität. Daraus ergibt sich eine
> (Resonanz)Frequenz, oberhalb deren die primären Bauteileigenschaften
> immer schlechter werden.
> Beitrag "Resonanzfrequenz Kondensatoren berechnen (parasitäre Eigenschaften)"
> Hat z.B. eine Spule ihre Resonanz bei 20MHz, wird sie bei 100MHz
> schlechter dämpfen wie bei 10MHz, weil die Störung bei 100MHz schon
> vermehrt durch die parasitäre Kapazität passiert.

Ja, das ist genau das Thema insbesondere bei Schaltnetzteilen.

Rechnen ist gut, aber es gibt ja auch schon länger LTspice. Man läßt 
heute rechnen und Würth liefert dazu auch reale Spice Modelle. Würth ist 
übrigens schon langjähriger Unterstützer von LTspice.

Wer mit diesen Themen zu tun hat, der simuliert auch.
mfg Klaus

von Klaus R. (klara)


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Gibt es keine Reaktionen? Wurde alles gesagt?
mfg Klaus

von Ben (blackstar)


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Danke für die Vorschläge!
ich schaue mir das Video und die anderen Unterlagen am WE an.
ich werde wahrscheinlich die Platine nicht nachsimulieren können. es 
wäre super, wenn ich den Frequenzgang der Störungen in LTSpice einfügen 
kann und darauf basierend den Filter rechnen lasse.
Sowie beim Reglerentwurf.. Die Regelstrecke als Blac- bzw. Greykbox 
nachbilden und den geeigneten Regler darauf tunen.

Die Schaltflanken (Anhang) sind m.E. langsam genug und können nicht der 
Grund für die Störung sein oder?

: Bearbeitet durch User
von Klaus R. (klara)


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Ben schrieb:
> Die Schaltflanken (Anhang) sind m.E. langsam genug und können nicht der
> Grund für die Störung sein oder?

Die Schaltflanken selber sind nur indirekt das Problem. Was besonders 
strahlt sind die Stromschleifen. Die sollten möglichst kurz sein. Wenn 
Dir mehr als zwei Layer zur Verfügung stehen, dann ist es auch sinnvoll 
solche Scheifen im Sandwich zwischen z.B. GND verpackt zu führen.

https://www.elektroniknet.de/e-mechanik-passive/passive/so-geht-emv-gerechtes-leiterplattenlayout.191213.html#gallery-1
mfg Klaus

von Klaus R. (klara)


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Ben schrieb:
> es
> wäre super, wenn ich den Frequenzgang der Störungen in LTSpice einfügen
> kann und darauf basierend den Filter rechnen lasse.

Klar. Du hast ja auch ein Messprotokoll. Wenn die Strahlung über die 
Stromzuführung emittiert wird dann hilft ein Eingangsfilter.

Ich hatte ja schon auf die Würth Tools von RedExpert hingewiesen. 
Hiermit findet man meist zügig eine Basis, die man danach mit LTspice 
optimieren kann. Du scheinst generell bis 200 MHz Probleme zu haben.

Ich würde zunächst einen Bead wählen der etwas unterhalb von 200 MHz das 
Maximum hat. Dann muß man sich Kerkos mit passenden Resonanzfrequenzen 
aussuchen. Die sollen parallelgeschaltet nacheinnander möglichst für 
eine gute Dämpfung des Bereich sorgen. Mit drei Kerkos kann man schon 10 
MHz bis 100 Mhz gut abdecken.

Aber, man muß unbedingt reale Modelle für Kerkos und Beads verwenden. 
Die idealen Modelle sind dafür nicht geeignet!

Noch eins. Alles was nicht NPO oder C0G ist hat eine spannungsabhängige 
Kapazität. Würth bietet auch seit ca. 2017 sogenannte BIAS - Modelle an. 
Die berücksichtigen in der Simulation auch die Spannungen.
mfg Klaus

von Erik (maitai42)


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Bei U_GS fällt das kleine Zucken nach unten bei der steigenden Flanke 
auf.
Das könnte darauf hindeuten, dass die Sperrschichtkapazität einen 
Schwingkreis bildet. Genau dagegen würde eine Ferritperle am Gate 
helfen.

Würth hat einen guten Service, vielleicht kann ein FAE von denen auch 
weiterhelfen und Muster bekommt man da auch sehr gut.

von Ben (blackstar)


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Erik schrieb:
> Bei U_GS fällt das kleine Zucken nach unten bei der steigenden Flanke
> auf.
> Das könnte darauf hindeuten, dass die Sperrschichtkapazität einen
> Schwingkreis bildet. Genau dagegen würde eine Ferritperle am Gate
> helfen.
>
> Würth hat einen guten Service, vielleicht kann ein FAE von denen auch
> weiterhelfen und Muster bekommt man da auch sehr gut.

danke! ich probier´s im nächsten Design aus

von Ben (blackstar)


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Klaus R. schrieb:
> Ich würde zunächst einen Bead wählen der etwas unterhalb von 200 MHz das
> Maximum hat. Dann muß man sich Kerkos mit passenden Resonanzfrequenzen
> aussuchen. Die sollen parallelgeschaltet nacheinnander möglichst für
> eine gute Dämpfung des Bereich sorgen. Mit drei Kerkos kann man schon 10
> MHz bis 100 Mhz gut abdecken.

ich überlege, die Störungen eingangsseitig auf Erde abzuleiten. Als Bead 
verwende ich -wie oben erwähnt- den 710-74279392 von W-E.
Blitz- bzw. Überspannungsschutz da Solarversorgung vom Dach.
Ich habe nun einen Ansprechpartner bei Würth und werde nächste Woche 
nachhacken. Die Werte der Kapazitäten stehen noch nicht fest.
Gerne lese ich eure Kommentare zum Filter im Anhang..

: Bearbeitet durch User
von Klaus R. (klara)



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Ben schrieb:
> Als Bead
> verwende ich -wie oben erwähnt- den 710-74279392 von W-E.
> Blitz- bzw. Überspannungsschutz da Solarversorgung vom Dach.

Also, Dein Schaltnetzteil wird von einer PV-Anlage gespeist. Die TVS - 
Dioden haben aber einen Spannungsdurchbruch bei ca. 66 V. Der Bead von 
Würth  ist für bis zu 18 A spezifiziert und hat 900 µOhm 
Gleichstromwiderstand. Bei 200 MHz hat der Bead eine Impedanz von 115 
Ohm. Für diese Stromstärke vermutlich ein guter Wert.

Das Filter ist aber nicht ein Produkt von Würth?

Ich weiß jetzt nicht was im Labor genau gemessen wurde. Wenn ich sehe 
das die Stromzuführung von einer PV - Anlage her kommt, dann sehe ich 
sofort vor meinem geseitigen Auge zwei sehr lange Antennenleitungen.

Würth empfiehlt in diesem Fall zunächst Gleichtaktdrosseln.

https://www.mouser.de/c/passive-components/inductors-chokes-coils/common-mode-chokes-filters/?m=Wurth%20Elektronik&maximum%20dc%20current=18%20A

Ich habe mal ein Datenblatt herausgesucht.

https://www.we-online.com/components/products/datasheet/7448041801.pdf

Auf Seite 2 sieht man den Verlauf der Impedanz. Das Maximum liegt bei 20 
MHz und bei 200 MHz haben wir noch ca. 400 Ohm, Gleichtakt - Impedanz. 
Die Gegentakt - Impedanz hat bei 300 MHz das Maximum. Das könnte schon 
gut passen.

Würth liefert für die Gleichtaktdrosseln auch Simulationsmodelle, 
insbesondere für LTspice. Siehe Produktseite.
https://www.we-online.com/en/components/products/WE-CMBNC

Der von mir empfohlene YouTube Beitrag von Würth geht insbesondere auf 
Gleich- und Gegentaktstörungen ein. Wie gesagt, ein interessantes Thema.

Klaus R. schrieb:
> Daniel F. schrieb:
>> Würth Elektronik hatte mal ein super Webinar dazu, aber leider finde ich
>> es nicht mehr.
>
> Der Link heißt:"Würth Elektronik Webinar EMV mit LT Spice antizipieren -
> YouTube"
> https://www.youtube.com/watch?v=65LaZaeGkc8

Ben schrieb:
> Ich habe nun einen Ansprechpartner bei Würth und werde nächste Woche
> nachhaken.

Das kann ich nur empfehlen. Bereite Dich gut vor und schildere Deine 
Situation. Für mich war es z.B. heute sehr wichtig zu hören, daß es um 
die Einspeisung von einer PV-Anlage geht.

Weitere Details zum Schaltnetz-IC wirst Du hier im Forum wohl nicht 
teilen wollen. Es gibt heutzutage Silent Switcher® Architekturen mit 
Ultralow EMI Emissionen. Ferner Modi wie Burst and Pulse Skipping. Ich 
gehe davon aus das Du da up to date bist.
mfg Klaus

von Ben (blackstar)


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Klaus R. schrieb:
> Das Filter ist aber nicht ein Produkt von Würth?

Nein das ist Selbstbau.

Klaus R. schrieb:
> Ich habe mal ein Datenblatt herausgesucht.
>
> https://www.we-online.com/components/products/datasheet/7448041801.pdf

DC Widerstand 3,5x höher als Bead, also mehr Abwärme. Vorteil der 
Drossel ist wahrscheinlich, dass sie die Abwärme mehr in die Luft (zum 
Gehäuse) abgibt und nicht direkt in die Platine. Nachteil ist der 
Bauraum natürlich.

Klaus R. schrieb:
> Ich weiß jetzt nicht was im Labor genau gemessen wurde. Wenn ich sehe
> das die Stromzuführung von einer PV - Anlage her kommt, dann sehe ich
> sofort vor meinem geseitigen Auge zwei sehr lange Antennenleitungen.

wir hatten eine Batterieversorgung (wie oben beschrieben)

Klaus R. schrieb:
> Ich
> gehe davon aus das Du da up to date bist.

sicher nicht auf Deinem Stand. Danke für die Tipps!

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