Ähnliche Probleme können auch auftreten, wenn Sie einen Strom, der durch induktive Bauelemente fließt, plötzlich unterbrechen. Typischerweise kommt es zu solchen Problemen beim Umgang mit Hot-Swap- oder Hot-Plug-Baugruppen oder beim Versuch, den Eingang zu einem Funkentstörfilter zu öffnen.

Bild 1 zeigt das vereinfachte Schaltbild eines Filters mit geschaltetem Eingang. Die Induktivität in dieser Schaltung kann bewusst dort angeordnet sein; sie kann aber auch unbeabsichtigt wirksam werden, etwa in Form von langen Zuleitungen in einem Power-over-Ethernet-System (PoE-System).

Ebenfalls abgebildet ist der Verlauf der Eingangsspannung, die eingeschaltet wird, sowie der resultierenden Ausgangsspannungen für den Fall, dass der Dämpfungsfaktor kleiner als 1 ist (Dämpfungsfaktoren über 1 bewirken kein Überschwingen). Die zum niedrigeren Dämpfungsfaktor gehörende Funktion hat die in Gleichung 1 beschriebene Form:

   (Gl. 1)

Darin sind: ζ der Dämpfungsgrad, der auch gleich 1/(2*Q) ist, ω_n die durch die Induktivität und die Kapazität gegebene Eigenfrequenz und ϕ der Arcuskosinus von ζ.

Für den hier gezeigten Serienresonanzkreis lässt sich die Güte Q leicht ermitteln. Sie ist gleich dem Wellenwiderstand, dividiert durch den Serienwiderstand wie in Gleichung 2 beschrieben.

 

(Gl. 2)

 

 

Ein System mit einer hohen Güte Q (d.h. mit geringer Dämpfung) ist ungedämpft, wodurch sich die Filterausgangsspannung bis auf das Doppelte der Eingangsspannung (U_in) aufschwingen kann. In einem System mit einem niedrigeren Q wird die maximale Nachschwingspannung niedrig gehalten.

Bild 2 zeigt das prozentuale Überschwingen als Funktion des Dämpfungsgrades. Mit einem Dämpfungsgrad von 0,4 (einem Q von 1,25) lässt sich die Nachschwingspannung auf 130% der Eingangsspannung begrenzen. Dies ist unter Umständen keine praxisgerechte Lösung, da zusätzliche Verluste im Dämpfungswiderstand oder die Filterungsverluste aufgrund einer Widerstands-Kondensator-Serienschaltung inakzeptabel sein können. Wenn diese Verluste in dem jeweiligen Design nicht zu tolerieren sind, müssen möglicherweise weitere Bauelemente hinzugefügt werden.

So kann die Schaltung beispielsweise zusätzlich mit einem Serienwiderstand und einem Kondensator gedämpft werden, die parallel zum Filterkondensator (C1) geschaltet werden. Sie können auch eine Hot-Swap-Schaltung einsetzen, um Spitzenströme im Filter zu begrenzen, oder Sie können eine Diode parallel zur Induktivität schalten, so dass der Kondensator über eine niedrige Impedanz geladen wird.

So ungünstig wie die Verhältnisse erscheinen, sind sie allerdings meistens nicht, denn der Strom durch die Induktivität führt zu deren magnetischer Sättigung und das Laden des Kondensators lässt sich auch mit einer Serieninduktivität bewerkstelligen, die weitaus kleiner als erwartet ist. Kommt es zur magnetischen Sättigung, dann sinkt der Wellenwiderstand des Filters und mit ihm Q, wodurch sich das Überschwingen reduziert.

Um zu ermitteln, ob dies in einem System mit hohem Q der Fall ist, berechnen Sie den Spitzenstrom, indem Sie den Spannungssprung durch den Wellenwiderstand des Systems dividieren. Dem Datenblatt zur Induktivität können Sie anschließend entnehmen, ob diese durch den Strom in Sättigung gerät.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Nachschwingen eines Filters beim Einschalten der Eingangsspannung zu Überspannungen führen kann, die nachgelagerte Elektronikbaugruppen zerstören können. Dies ist insbesondere in Systemen wie z.B. PoE-Systemen ein Problem, die tendenziell eine hohe Güte aufweisen, da sie mit verlustarmen Keramikkondensatoren und Induktivitäten, die nicht in Sättigung geraten, bestückt sind.

Wenn die Spannung ein inakzeptabel hohes Niveau erreicht, benötigt man bei diesen Systemen eine zusätzliche Dämpfung, eine Strombegrenzung oder ein anderes Begrenzungsverfahren.

Nach der folgenden simplen Methode können Sie ermitteln, ob mit Problemen zu rechnen ist:

 

 

 

 

 

Von Robert Kollman, Texas Instruments.