Elektromagnetische Störungen (EMI) stellen seit langem eine anhaltende Herausforderung für den Betrieb elektronischer Geräte dar und beeinträchtigen sowohl die Stabilität des emittierenden Geräts als auch der umliegenden Geräte. Die aktive EMI-Filtertechnologie hat sich als innovative Lösung herauskristallisiert, die elektromagnetische Störungen aktiv reduziert oder eliminiert, um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern.

Die traditionelle EMI-Filterung basiert auf passiven Komponenten wie Widerständen (R), Kondensatoren (C) und Induktivitäten (L), die in RC-, LC- oder RLC-Konfigurationen angeordnet sind. Während diese passiven Filter Einfachheit und Wirtschaftlichkeit bieten, weisen sie in bestimmten Anwendungen Einschränkungen auf - insbesondere hinsichtlich der physischen Größe und der frequenzspezifischen Leistung. Die aktive EMI-Filterung verwendet aktive elektronische Komponenten wie Operationsverstärker und Transistoren, kombiniert mit Steuerungsstrategien, um eine flexiblere und effizientere EMI-Unterdrückung zu erzielen. Hybridlösungen, die sowohl aktive als auch passive Elemente integrieren, gewinnen ebenfalls an Bedeutung, um ein optimales Verhältnis von Leistung und Kosten zu erzielen.

Internationale Aufsichtsbehörden wie die International Electrotechnical Commission (IEC) und die Federal Communications Commission (FCC) setzen strenge EMV-Standards durch, die zulässige elektromagnetische Strahlungs- und leitungsgebundene Störpegel definieren. Diese Vorschriften schützen wichtige Dienste wie drahtlose Kommunikation und Rundfunk vor elektronischen Kreuzstörungen. Die Einhaltung dieser Standards macht EMI-Filter zu unverzichtbaren Komponenten, um einen zuverlässigen Betrieb in komplexen elektromagnetischen Umgebungen zu gewährleisten.

Stromwandlungsausrüstung - einschließlich DC/DC-Wandler, Wechselrichter und Gleichrichter - stellt aufgrund von Schaltvorgängen, die hochfrequente Strom-/Spannungstransienten erzeugen, eine Haupt-EMI-Quelle dar. Da die Leistungselektronik in Industrie und Automobilsektor zunimmt, wächst die Nachfrage nach aktiver EMI-Filterung weiter. Telekommunikationsanwendungen treiben auch Innovationen in der Unterdrückung von abgestrahlten EMIs voran, wobei Techniken wie Spread-Spectrum-Taktung und elektromagnetische Abschirmung weit verbreitet sind.

Inspiriert von der aktiven akustischen Lärmunterdrückung arbeitet die aktive EMI-Filterung durch die Erzeugung phaseninvertierter Signale, um Störungen entgegenzuwirken. Ein Standard-Aktiv-EMI-Filter besteht aus drei wesentlichen Stufen:

• Erfassungsstufe: Erfasst EMI-Rauschen in Schaltungen mithilfe von Stromwandlern für Hochfrequenzstrom oder kapazitiven Teilern für Spannung, wodurch die Eigenschaften des Rauschsignals genau repliziert werden.
• Elektronische Stufe: Verarbeitet erkannte Signale durch Verstärkung und Phaseninversion unter Verwendung von Operationsverstärkern, Instrumentenverstärkern oder Transistoren.
• Einspeisungsstufe: Führt verarbeitete Signale mit entgegengesetzter Phase zur Aufhebung wieder in die Schaltung ein, typischerweise über kapazitive Pfade für Strom oder Serientransformatoren für Spannung.

Ein wichtiges Konstruktionsprinzip stellt sicher, dass aktive Filter nur Hochfrequenzrauschen beeinflussen, ohne den Gleichstrom- oder Netzfrequenzbetrieb zu verändern.

EMI-Rauschen manifestiert sich in zwei Hauptformen:

• Gleichtakt (CM): Rauschen, das gleichzeitig mit identischer Phase auf mehreren Leitern relativ zur Erde auftritt.
• Gegentakt (DM): Rauschen, das entgegengesetzte Phasen zwischen Leitern aufweist.

Jeder Typ erfordert unterschiedliche aktive Filtertopologien und -konfigurationen für eine effektive Unterdrückung.

Aktive EMI-Filter implementieren zwei grundlegende Steuerungsansätze:

• Rückkopplungsregelung: Erfasst Rauschen am Empfänger und erzeugt Kompensationssignale.
• Vorwärtskopplungsregelung: Erfasst Rauschen an der Quelle und erzeugt Gegensteuersignale.

Jede Strategie bietet einzigartige Vorteile, die für unterschiedliche Betriebskontexte geeignet sind.

Die Einfügedämpfung (IL) dient als primäre Metrik für die Filterwirksamkeit, berechnet in Dezibel (dB) als:

IL = 20log ₁₀ (|V _ohne | / |V _mit |)

Wobei V _ohne und V _mit die Lastspannungen ohne bzw. mit dem Filter darstellen. Höhere IL-Werte weisen auf eine größere Dämpfung hin, während Werte unter 1 eine unerwünschte Rauschverstärkung bedeuten.

Im Vergleich zu passiven Alternativen bieten aktive EMI-Filter:

• Geringere Abhängigkeit von den Systemimpedanzeigenschaften
• Überlegene Hochfrequenzleistung ohne große passive Komponenten

Sie führen jedoch Konstruktionsüberlegungen ein, darunter:

• Anforderung an externe Stromversorgungen
• Elektronisches Stabilitätsmanagement
• Präzisionsanforderungen für die Rauschunterdrückung

Durch sorgfältige Designoptimierung bietet die aktive EMI-Filterung einen effektiven Weg zu verbesserter elektromagnetischer Verträglichkeit und verbessert sowohl die Geräteleistung als auch die Systemzuverlässigkeit in zunehmend komplexen elektronischen Umgebungen.