Unterdrückung akustischer Geräusche in Schaltnetzteilen

Von Florian Haas, Director of Marketing, TRACO Power Group , Mark Schoppel, Application & Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH, Axel Schütz, Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH

Wenn wir in einem Auto sitzen, ist das Motorgeräusch, das wir erleben, etwas ganz Normales. Schließlich befindet sich im Motorraum eine Maschine mit beweglichen Teilen. Einige Leute würden diesen Lärm sogar als sehr angenehm bezeichnen. Tatsächlich haben die Hersteller von Autos und anderen Produkten ganze Forschungsabteilungen, die sich dem Basteln an - und der Schaffung von angenehmen Klangerlebnissen widmen.

Bei Schaltnetzteilen (SMPS) stellt sich die Situation jedoch anders dar. Geräusche wie Brummen oder Jammern können sogar als Warnsignal interpretiert werden. Obwohl Stromversorgungen aus einer großen Anzahl von elektronischen Komponenten bestehen, sollte sich im Betrieb nichts bewegen. Deshalb sollte es keinen Lärm geben, oder?

Die häufigste Ursache für störende Geräusche von Wechselstromversorgungen führte typischerweise zu einem niederfrequenten Brummen von 100 oder 120 Hz. Mit der Weiterentwicklung von Stromversorgungen in Bezug auf ihre Komplexität und Struktur hat sich auch der Bereich der von ihnen ausgehenden Schallwellen verändert. Die meisten hörbaren Geräusche sollten jedoch kein Grund zur Besorgnis sein.

Wahrnehmung und Wirkung

Der Mensch kann Schallwellen im Frequenzbereich von 16 Hz bis etwa 20 kHz hören (Abbildung 1). Aber ob ein Geräusch Ablenkung oder Irritation verursacht, hängt auch von der Wahrnehmung dieses Geräusches in der Umgebung ab, in der es erzeugt wird.

Diagramm des hörbaren Frequenzbereichs des menschlichen OhrsAbbildung 1: Hörbarer Frequenzbereich des menschlichen Ohrs. (Bildquelle: TRACO)

Ein industrielles Netzgerät, das hörbare Geräusche erzeugt, stellt wahrscheinlich kein wirkliches Problem für die Menschen dar, da die meisten Menschen in seiner Umgebung diese im Zusammenhang mit anderen Hintergrundgeräuschen als normaler Bestandteil der Arbeit in Fabriken erleben werden. Andere Geräusche können dank ihrer Frequenz und Lautstärke auch die von einer Stromversorgung erzeugten Frequenzen verdecken, ein Effekt, der in der Psychoakustik untersucht und bei der Kompression von Audio in MP3s verwendet wird. Solche Versorgungen werden normalerweise auch in Schalttafeln mit geschlossenen Türen eingebaut, die auch dazu beitragen, eventuell auftretende hörbare Geräusche zu dämpfen.

In einer anderen Umgebung, z.B. in einem Büro, wird die Reaktion auf Geräusche der Stromversorgung deutlich anders sein. Das Jammern oder Summen eines elektrischen Geräts wird wahrscheinlich als unangenehm empfunden und kann sogar Bedenken hinsichtlich seiner Sicherheit aufwerfen.

Ursachen und Hintergrund

Die Magnetfelder

Befindet sich ein stromführender Leiter in einem Magnetfeld, so ist er im Allgemeinen einer Kraft ausgesetzt. Die Wirkung dieser Kraft ist am größten, wenn die Strom- und Magnetfeldrichtung einen 90°-Winkel bilden. In solchen Fällen steht die auftreffende Kraft senkrecht zum Stromfluss und zur Richtung des Magnetfeldes. Mit drei Fingern der rechten Hand kann die Richtung dieser Kraft mit Hilfe der Fleming'schen Rechtshandregel bestimmt werden (Abbildung 2).

Diagramm der Rechts/Links-RegelAbbildung 2: Rechts/Links-Regel. (Bildquelle: TRACO)

Im Zusammenhang mit Transformatoren und einigen Induktivitäten kann ein Eisenkern auch unter einem Effekt leiden, der als Magnetostriktion bekannt ist, ein Effekt, der erstmals 1842 von James Joule identifiziert wurde. Sie bewirkt, dass ferromagnetische Materialien während des Magnetisierungsprozesses, der durch den Stromfluss durch den Leiter des Bauteils entsteht, ihre Form oder Dimension ändern. Neben der Reibungserwärmung führen diese winzigen Änderungen der Materialmenge oft auch zu hörbaren Geräuschen.

In Transformatoren wird häufig Fe-Si-Stahl (bekannt als Siliziumstahl) mit unterschiedlichem Siliziumgehalt verwendet, der zur Erhöhung des elektrischen Widerstands des Eisens beiträgt. 6 % Siliziumstahl bietet den optimalen Grad der Reduzierung der Magnetostriktion, muss aber gegen eine erhöhte Sprödigkeit gehandelt werden.

Der Piezo-Effekt

Eine weitere Ursache für Lärm entsteht durch den Piezoeffekt. Das Wort "Piezo" ist vom griechischen Wort für Druck abgeleitet. 1880 entdeckten Jacques und Pierre Curie, dass Druck in verschiedenen Kristallen, wie z.B. Quarz, elektrische Ladung erzeugt. Sie nannten dieses Phänomen den "Piezo-Effekt" (Abbildung 3). Später stellten sie fest, dass elektrische Felder piezoelektrische Materialien verformen können. Dieser Effekt wird als "umgekehrter Piezo-Effekt" bezeichnet.

Diagramm des Piezo-Effekts, wie er sich bei Materialien wie Quarz zeigtAbbildung 3: Piezo-Effekt, wie er sich bei Materialien wie Quarz zeigt. (Bildquelle: TRACO)

Der umgekehrte piezoelektrische Effekt verursacht eine Längenänderung dieser Materialien, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Dieser Aktuatoreffekt wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Spannungsänderungen verändern auch die geometrische Masse von Keramikkondensatoren, so dass sie wie winzige Lautsprecher wirken, die Druckwellen in die Umgebung abstrahlen.

Schalttopologien und Rückkopplungsschleifen

Das Streben nach immer effizienterer Energieumwandlung bedeutet, dass Schalttopologien selbst in die einfachsten Stromversorgungsprodukte integriert werden. Die primäre Schaltfrequenz wird bei solchen Designs oft so gewählt, dass sie über der Grenze der menschlichen Wahrnehmung liegt (>20 kHz). Bei Schaltlösungen, die auf eine Änderung der Schaltfrequenz angewiesen sind, um sich an eine sich ändernde Last und Eingangsspannung anzupassen, kann diese jedoch in den hörbaren Bereich fallen, um eine optimale Wandlungseffizienz aufrechtzuerhalten.

Bei Festfrequenzlösungen können Merkmale wie Cycle-Skipping oder Burst-Mode-Betrieb zu einem Schaltmuster führen, das in den hörbaren Bereich fällt, obwohl die Schaltfrequenz selbst über 20 kHz liegt. Wenn die Lösung regelmäßige Schaltimpulse anzeigt, die unregelmäßig durch Perioden von zwei oder mehr übersprungenen Impulsen unterbrochen sind, kann dies auf Probleme mit der Rückkopplungsschaltung hinweisen (Abbildung 4). Hier lohnt es sich, die Komponenten der Rückkopplungsschaltung und den Betriebsbereich von Optokopplern zu überprüfen.

Diagramme von Problemen im Rückkopplungskreis bei Festfrequenz-DesignsAbbildung 4: Probleme in der Rückkopplungsschaltung können bei Festfrequenz-Schaltdesigns zu unregelmäßigen pulslosen Perioden führen (untere Grafik). (Bildquelle: TRACO)

Bestimmung und Lösung von Problemen mit hörbarem Lärm

Da die Schaltnetzteile dank des Drängens nach immer höheren Leistungsdichten immer kompakter werden, kann es eine Herausforderung sein, sogar zu bestimmen, welches Bauteil genau die hörbare Geräuschquelle ist. Unter der Annahme, dass das Design vom elektrischen Standpunkt aus korrekt funktioniert, besteht ein Ansatz darin, ein nichtleitendes Objekt, wie z.B. ein Stäbchen, zu verwenden, um während des Betriebs des Geräts leichten Druck auf einzelne Komponenten auf der Leiterplatte auszuüben. Änderungen oder Reduzierungen des Rauschens, insbesondere bei den wichtigsten Kandidaten für Komponenten wie Keramik- oder Magnetbauteile, können einen guten Ausgangspunkt darstellen.

Wenn kein sicheres, nicht leitendes Sondengerät zur Hand ist, kann aus einem Blatt Papier ein rudimentäres Hörrohr erstellt werden. Zu einem Kegel aufgerollt, kann die Öffnung des kleinen Endes auf verdächtige Komponenten gerichtet werden, um lärmerzeugende Quellen zu bewerten.

Keramikkondensatoren, die hohen dv/dt-Schwankungen ausgesetzt sind, erweisen sich oft als hörbar verrauscht und sind in der Regel in Klemm- und Dämpfungsschaltungen sowie in den Ausgangsstufen zu finden. Um zu testen, ob sie die Rauschquelle sind, können sie durch Kondensatoren mit alternativen Dielektrika wie Metallfilm ersetzt werden, oder der Serienwiderstand könnte erhöht werden (Abbildung 5). Sollte das hörbare Geräusch reduziert werden, sollte eine dauerhafte Veränderung der Komponente bewertet werden.

Diagramm des Kondensators in der Snubber-Schaltung kann für einen Metallfolientyp ausgewechselt werdenAbbildung 5: Der Kondensator in der Snubber-Schaltung kann gegen einen Metallfolientyp ausgetauscht werden, oder es kann ein größerer Widerstand versucht werden. (Bildquelle: TRACO)

Auch der Wechsel von Klemmschaltungen zur Verwendung von Zenerdioden kann helfen. Problematische Endstufenkondensatoren könnten gegen ein anderes Dielektrikum ausgetauscht oder durch gleichwertige parallele Keramikkondensatoren ersetzt werden, wenn es der Platz erlaubt.

Wenn magnetische Komponenten die Rauschquelle sind, stellen Sie zunächst sicher, dass die Eingangsspannung und die Ausgangslast immer innerhalb des spezifizierten Bereichs liegen. Eine Erhöhung der Kapazität auf der Eingangsseite kann helfen, wenn die Eingangsspannung manchmal zu niedrig abfällt. Die Tauchlackierung von Transformatoren sowie tauchlackierte und vergossene Drosselspulen sind ein Ansatz zur Reduzierung des Rauschens. Transformatoren mit langer Kernlänge neigen auch dazu, hörbarer zu schwingen als solche mit kurzer Kernlänge. Wenn möglich, erwägen Sie den Wechsel zu einem alternativen kürzeren Kern, der noch die erforderliche Anzahl von Wicklungen aufnehmen kann.

Es sollte bedacht werden, dass bei allen aufgezeigten möglichen Ansätzen eine Wiederholung der Verifikation und der Produktionstests sehr wahrscheinlich ist.

Zusammenfassung

Sowohl die Kraftwirkung von stromführenden Leitern in Magnetfeldern als auch der umgekehrte Piezoeffekt von Kondensatoren sind in erster Linie für die hörbaren Geräusche verantwortlich, die von Stromversorgungseinheiten ausgehen. Trotz der Fortschritte in der Simulation werden hörbare Geräusche normalerweise erst dann sichtbar, wenn ein Design physikalisch gebaut wurde, und manchmal auch erst dann, wenn eine bestimmte Menge an Stromversorgungen für die Vorproduktion vorbereitet wurde.

Obwohl die meisten hörbaren Geräusche in Stromversorgungen aus Sicht der Funktionalität oder Sicherheit wenig Anlass zur Besorgnis geben sollten, können sie störend sein und von den Kunden sogar als Qualitätsproblem empfunden werden. Wenn Sie einige der hier gegebenen einfachen Tipps befolgen, können Komponenten, die als Lärmquellen wirken, schnell identifiziert und mit den vorgeschlagenen Ansätzen ersetzt, angebracht oder verändert werden, um die störenden Geräusche zu minimieren oder auszuschalten.

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Über den Autor

Florian Haas, Director of Marketing, TRACO Power Group

Florian Haas ist seit über 10 Jahren in der Medizintechnikbranche tätig. In verschiedenen Funktionen im Produktmanagement hilft er, die Anforderungen (und Wünsche) der Ingenieure und des Gesundheitswesens für die Produktentwicklung in seine Konstruktionsabteilung zu „übersetzen“. Florian und sein Team sind bei TRACO Power (einem führenden Unternehmen für Leistungswandlungsprodukte) für Produktmanagement, Marketing und Kommunikation verantwortlich.

Vor seiner Marketing-Position bei TRACO Power leitete Florian das Produktmanagement-Team von Belimed (Schweiz und Charleston, North Carolina), einem führenden Medizintechnik-Unternehmen für Krankenhausgeräte, das auf die Aufbereitung und Sterilisation von Endoskopen spezialisiert ist. Florian war darüber hinaus Global Product Manager bei Ziemer Ophthalmic Systems (Schweiz) und verantwortlich für die Entwicklung und Markteinführung von zwei Femtosekunden-Lasersystemen für die Augenchirurgie.

Florian verfügt über zwei Abschlüsse, einen in Betriebswirtschaft mit den Schwerpunkten Marketing/Kommunikation und einen Abschluss in Informationstechnologie von der Universität Luzern (Schweiz).

Mark Schoppel, Application & Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH

Mark Schoppel is an electrical engineer who has been employed at TRACO Power for almost 2 years. With more than 10 years of practical experience in power electronics and power supply development, he contributes his knowledge in the area of customer-specific solutions and medical technology applications for customers in Germany and Europe. To obtain a detailed knowledge of the TRACO Power products, Mark Schoppel spent 1 year in Ireland, where he worked in the development department located there.

Axel Schütz, Technical Sales Engineer, Traco Electronic GmbH