Netzfilter richtig auswählen: Differential-/Gleichtakt, Dämpfungsmaß und Layout-Tipps

In modernen Industrieanlagen und elektronischen Systemen ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) entscheidend für die Funktionssicherheit. Netzfilter unterdrücken unerwünschte Störspannungen und Störströme, die über die Versorgungsleitung ein- oder ausgehen können. Doch Netzfilter ist nicht gleich Netzfilter: Je nach Störquelle, Frequenzbereich und Systemaufbau unterscheiden sich Typ, Dämpfungscharakteristik und Layout-Anforderungen deutlich.

Dieser Artikel zeigt, wie Sie den passenden Netzfilter auswählen, welche Unterschiede zwischen Differential- und Gleichtaktstörungen bestehen, wie das Dämpfungsmaß interpretiert wird, welche Normen gelten und welche Layout-Tipps in der Praxis entscheidend sind – ergänzt um praxisnahe Beispiele, Berechnungen und konkrete Handlungsempfehlungen.

Differential- und Gleichtaktstörungen verstehen

Differentialmode-Störungen (DM)

Differentialmode-Störungen entstehen zwischen den aktiven Leitern (L und N) – also entlang des Energieflusses. Typische Ursachen sind Schaltvorgänge in Netzteilen, Taktfrequenzen von DC/DC-Wandlern oder kapazitive Kopplungen innerhalb der Schaltung. Sie bewegen sich meist im Bereich einiger kHz bis MHz und erfordern Filterelemente mit hoher Symmetrie und geringer Eigeninduktivität.

Filterung: Serieninduktivitäten und differenzielle Kondensatoren (z. B. X-Kondensatoren zwischen L und N) sind für die Unterdrückung dieser Störungen optimiert.

Gleichtaktstörungen (CM)

Gleichtaktstörungen treten zwischen beiden aktiven Leitern und Erde auf. Ursache sind meist kapazitive Kopplungen zwischen Schaltung und Gehäuse, lange Leitungen oder parasitäre Effekte bei hohen Frequenzen. Diese Störungen liegen oft im Bereich von MHz bis zweistelligen MHz.

Filterung: Gleichtaktdrosseln und Y-Kondensatoren (von L und N nach PE) dämpfen CM-Störungen effektiv.

Vergleichstabelle: Differential- vs. Gleichtaktstörung

Merkmal	Differentialmode (DM)	Gleichtaktmode (CM)
Stromfluss	Zwischen L und N	Zwischen L/N und Erde
Frequenzbereich	kHz bis niedrige MHz	MHz bis >30 MHz
Hauptursache	Schaltvorgänge, Taktfrequenzen	Kapazitive Kopplung, Gehäuseeffekte
Typische Filterbauteile	Serieninduktivität, X-Kondensator	Gleichtaktdrossel, Y-Kondensatoren
Messverfahren	Leitung-zu-Leitung	Leitung-zu-Erde

Dämpfungsmaß und Frequenzverhalten

Das Dämpfungsmaß (Attenuation) gibt an, wie stark ein Netzfilter Störspannungen in einem bestimmten Frequenzbereich reduziert. Es wird in dB gemessen und beschreibt das Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung des Filters:

A(f) = 20 · log₁₀(Vin / Vout)

Ein Dämpfungsmaß von 40 dB bedeutet beispielsweise, dass die Störspannung um den Faktor 100 reduziert wird. In der Praxis variiert die Dämpfung je nach Last, Impedanzverhältnis und Frequenz.

Hersteller geben Dämpfungskurven für DM und CM oft separat an. Die reale Dämpfung im System kann geringer ausfallen als im Datenblatt. EMV-Prüfungen sollten daher immer im Gesamtsystem erfolgen.

Normen und Vorschriften

Die Auswahl und Prüfung von Netzfiltern richtet sich nach internationalen EMV-Normen. Relevante Standards sind:

Norm	Inhalt / Anwendungsbereich
IEC 60939-1/-2	Anforderungen und Prüfverfahren für EMV-Filter in Geräten
CISPR 11 / EN 55011	Störaussendung industrieller, wissenschaftlicher und medizinischer Geräte
CISPR 32 / EN 55032	EMV-Grenzwerte für Multimediageräte
IEC 60601-1-2	EMV-Anforderungen für medizinische elektrische Geräte
EN 61000-6-2 / -6-4	Industrielle Umgebung – Störfestigkeit und Störaussendung

Die Einhaltung dieser Normen ist Voraussetzung für die CE-Kennzeichnung und sollte frühzeitig in die Entwicklungsplanung integriert werden.

Typische Filtertopologien und Einsatzbereiche

Filtertyp	Aufbau	Haupteinsatzgebiet	Vorteile	Grenzen
Einzelne Gleichtaktdrossel	Eine Gleichtaktdrossel + Y-Kondensatoren	Kompakte Netzteile, kleine Industrieanwendungen	Kostengünstig, einfache Integration	Begrenzte DM-Dämpfung
Differentialfilter (X-Kondensator + Serieninduktivität)	LC- oder Pi-Topologie	Schaltnetzteile, DC/DC-Wandler	Gute DM-Unterdrückung	Wirkt kaum gegen CM-Störungen
Kombinierter Netzfilter (DM+CM)	Gleichtaktdrossel + X/Y-Kondensatoren	Industrie, Medizintechnik, Automatisierung	Breites Dämpfungsband, hohes EMV-Niveau	Größerer Bauraum, höhere Kosten
Zweistufiges EMV-Filter	Zwei gekoppelte Drosseln + erweiterte Kondensatornetzwerke	Leistungsstarke Anlagen, Servoantriebe	Sehr hohe Dämpfung bis >30 MHz	Aufwändiges Design, höherer Verlust

Praxisbeispiel: Auslegung eines Kombi-Netzfilters

Für ein industrielles 5 kW-Schaltnetzteil wird ein kombinierter Netzfilter mit folgenden Vorgaben entwickelt:

• Netzspannung: 230 V AC
• Stromaufnahme: 22 A
• Ziel: >40 dB Dämpfung bei 150 kHz bis 10 MHz

Auslegungsschritte:

1. Identifikation der dominanten Störfrequenzen durch Pre-Compliance-Messung.
2. Wahl der Topologie: Kombination aus Gleichtaktdrossel (CM) und LC-Filter (DM).
3. Berechnung der Komponenten: 1 mH Gleichtaktdrossel, 220 nF X-Kondensator, 4,7 nF Y-Kondensatoren.
4. Simulation des Frequenzgangs – Zielkurve: 45 dB Dämpfung ab 150 kHz.
5. Validierung im EMV-Labor – reale Dämpfung bei 47 dB.

Das Ergebnis zeigt: Durch Kombination von CM- und DM-Filterung lassen sich stabile EMV-Reserven schaffen.

Checkliste: So gehen Sie bei der Filterauslegung vor

1. Störquelle bestimmen: Frequenzbereich, Ursache, Signalform.
2. Topologie wählen: CM, DM oder kombiniert.
3. Bauteile berechnen: Induktivitäten, Kapazitäten, zulässiger Strom.
4. Dämpfungsanforderung definieren: Zielwert in dB bei Frequenz X.
5. Layout planen: Kurze Wege, sternförmige Masse, nahe Netzeingang.
6. Simulation durchführen: Übertragungsfunktion prüfen.
7. Messung im EMV-Labor: Soll-Ist-Vergleich durchführen.
8. Optimieren: Bauteile, Position oder Abschirmung anpassen.

Layout-Tipps für wirksame Filterung

Selbst der beste Netzfilter verliert seine Wirkung, wenn das Leiterplattenlayout ungünstig gestaltet ist. Kurze, kompakte und niederimpedante Verbindungen zwischen Filter und Netzeingang sind entscheidend.

Praxis-Tipps:

1. Filter nahe am Netzeingang platzieren: So werden hochfrequente Störströme frühzeitig abgefangen.
2. Schutzleiterführung beachten: Y-Kondensatoren benötigen eine niederinduktive Verbindung zum Schutzleiter.
3. Stromrückpfade kontrollieren: Gleichtaktströme dürfen keine Schleifen über Signalmasse bilden.
4. Getrennte Masseführungen: Leistungsmasse und Signalmassen sollten sternförmig verbunden werden.
5. Abschirmung prüfen: Kombination aus Filterung und metallischer Abschirmung erhöht die Wirksamkeit.

COTRONIC Produktbeispiel

COTRONIC bietet für industrielle Anwendungen eine breite Auswahl kombinierter Netzfilterlösungen an. Unsere Filter decken Ströme von 1 A bis 30 A ab und sind für 230/400 V AC ausgelegt. Durch optimierte Gehäusebauformen, integrierte Gleichtaktdrosseln und hochwertige X/Y-Kondensatoren erreichen sie hervorragende Dämpfungswerte – ideal für Automatisierungs-, Steuerungs- und Medizingeräte.

Zukunftsperspektiven: Intelligente Filterkonzepte

Mit der steigenden Dichte an leistungselektronischen Komponenten in Industrie, Medizintechnik und Automatisierung steigen die Anforderungen an adaptive EMV-Lösungen. Intelligente Filter mit Sensorik können zukünftig Störfrequenzen analysieren und ihre Dämpfung dynamisch anpassen. In Verbindung mit digitalen Steuerungen und KI-gestützten Diagnosesystemen entstehen so selbstoptimierende EMV-Architekturen.

Netzfilter als Schlüssel für EMV-Sicherheit

Ein korrekt ausgelegter Netzfilter ist die Grundlage für eine stabile, normgerechte und langlebige Stromversorgung. Entscheidend ist das Verständnis der Störmechanismen (Differential- vs. Gleichtakt), das gezielte Lesen der Dämpfungskennlinien, die Berücksichtigung der Normen und die Beachtung der Layoutgrundsätze. Nur durch systematische Auslegung, Simulation und EMV-Prüfung lässt sich das volle Potenzial der Filterbauteile ausschöpfen.

FAQ

Was ist der Unterschied zwischen Differential- und Gleichtaktstörungen?
Differentialstörungen wirken zwischen den aktiven Leitern (L und N), während Gleichtaktstörungen zwischen beiden Leitern und Erde auftreten.

Wie wird das Dämpfungsmaß gemessen?
In dB, als logarithmisches Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung über den relevanten Frequenzbereich.

Welche Kondensatoren sind für welche Störung zuständig?
X-Kondensatoren für Differentialmode, Y-Kondensatoren für Gleichtaktstörungen.

Welche Normen gelten für Netzfilter?
Wichtige Normen sind IEC 60939, CISPR 11/32, EN 61000-6-2/-6-4 und IEC 60601-1-2 für medizinische Geräte.

Wie beeinflusst das Layout die Filterleistung?
Schleifen, lange Leitungen oder schlechte Erdung können die Dämpfung erheblich verschlechtern. EMV-gerechtes Layout ist daher essenziell.