V elektronických zařízeních se obvykle nachází filtr na vstupním střídavém vedení. Důvodem je to, že u elektronických zařízení obsahujících spínaný zdroj je primárním zdrojem elektromagnetického rušení (EMI) samotný zdroj. Zdroje EMI jsou rozmanité, včetně přírodních jevů, jako je blesk a magnetické pole Země, stejně jako umělé zdroje, jako motory, technologie radiofrekvenčního (RF) signálu a digitální/analogové signály, které všechny mohou generovat rušení. Filtry jsou nepostradatelnou součástí pro zabránění šíření těchto rušivých signálů mimo zařízení nebo pro ochranu jiných blízkých elektronických zařízení. Tento článek se zabývá příčinami elektromagnetického rušení a opatřeními k jeho odstranění.
1- Typy rušivých signálů a jejich vznik
Šum v elektronických zařízeních označuje nežádoucí elektrické signály uvnitř zařízení. Jedná se o nevyhnutelné napěťové nebo proudové poruchy. Pokud je interference nadměrná, mohou nastat následující jevy:
① Slyšení šumu v rádiích nebo multimediálních zařízeních, který není součástí požadovaného zvuku.
② Zobrazení zkreslených nebo rušených obrazů na obrazovkách televizorů mimo původní obsah.
③ Digitální zařízení se mohou spouštět nesprávně nebo nemusí fungovat normálně.
④ Komunikační zařízení mohou být nedeschopna přenášet normální signály.
⑤ Další účinky, které narušují správné fungování elektronických zařízení.
Z těchto důvodů stanovily země a regiony příslušné požadavky a předpisy pro elektronická zařízení, které vyžadují, aby rušivé signály generované těmito zařízeními nepřekračovaly určitou hranici. Výrobci jsou povinni omezit EMI svých výrobků do těchto stanovených mezí.
V posledních letech elektronická zařízení široce přijala digitální a spínací technologie. Pokud produkt tyto technologie využívá, nevyhnutelně bude generovat signály EMI. Použití filtrů je účinným způsobem, jak udržet tuto interference v rámci předepsaných limitů. Mezery v mezích interference se mohou lišit mezi jednotlivými zeměmi nebo regiony, což znamená, že se budou lišit i vlastnosti požadovaných filtrů. Níže jsou uvedeny příklady filtru síťového napájení používaného externě u průmyslového zařízení a interního filtru (společný reaktor, diferenciální reaktor) instalovaného uvnitř zdroje napájení.
Obrázek 1 (vlevo): Externí průmyslový filtr síťového napájení
Obrázek 2 (vpravo): Interní filtr spínaného zdroje napájení (společný reaktor)
V impulzním zdroji generují spínací tranzistor, vysokofrekvenční usměrňovací dioda a spínací transformátor vyšší úroveň rušení. Provozní průběhy uvnitř impulzního zdroje jsou typicky čtvercové nebo trojúhelníkové (základní průběhy). Tyto průběhy obsahují vysokofrekvenční složky, které jsou celočíselnými násobky základní frekvence. Když se tyto vysokofrekvenční průběhy šíří do okolí, stávají se rušivými signály.
Navíc je spínací rychlost tranzistorů extrémně vysoká. Například proud 2 A při napětí 12 V může být zapínán/vypínán s frekvencí kolem 300 kHz. Jak je znázorněno na následujícím diagramu, během přechodového spínacího stavu je změna proudu (di/dt) velmi vysoká. Protože indukčnost existuje nejen v cívce induktoru, ale také jako parazitní indukčnost na tištěném spoji (PCB), může tento rychlý nárůst proudu generovat rušivá napěťová signály, které ovlivňují okolní prostředí nebo jiné elektronické komponenty. Tato rušení se šíří nejen po vodičích na desce plošných spojů, ale jsou také vyzařována do okolí prostřednictvím elektromagnetických vln a vodičů. Frekvence tohoto EMI není pevná; během jednoho spínacího cyklu existuje mnoho složek di/dt, což má za následek široké frekvenční spektrum generovaného rušivého napětí.
Obrázek 3: Ekvivalentní obvodový model
Obrázek 4: Model rušivého napěťového signálu
Obrázek 5: Rušivý napěťový signál
Obrázek 6: Signál rušivého proudu
Obrázek 7: Model zkratového proudu při vypnutí diody
Není-li omezeno pouze na spínané zdroje, můžeme obecně klasifikovat místa vzniku rušení v elektronickém zařízení podle dráhy napětí/proudu. Jak je znázorněno na následujícím diagramu, rušení vznikající v diferenčním režimu a v běžném režimu se označují jako diferenční rušení a společné rušení.
Obrázek 8: Diagram modelu rušivého signálu
Interference, která se objevuje mezi vodiči střídavého napájecího kabelu nebo mezi kladným a záporným svorkami stejnosměrného výstupu, je diferenciální interference. Naopak společná interference označuje složku interferenčního signálu, která vzniká mezi libovolným vodičem v obvodu a uzemněnou linkou (tj. vzhledem k zemi). Interference generovaná napájecími obvody je téměř vždy zpočátku diferenciálního typu. Jak se však tento diferenciální signál šíří do jiných obvodů, může být jeho impedanční vyvážení vzhledem k zemi narušeno elektromagnetickými nebo elektrostatickými vlivy, čímž se může přeměnit na signál společného režimu. Nakonec se významná část interference změní na společný režim.
Dále jsou signály externího rušení, které do zařízení vstupují z přirozeného prostředí, typicky ve společném módu, protože jejich vznik je téměř vždy spojen se Zemí (uzemněním). Navíc, když rušení ve společném módu vstoupí do obvodu, může být za různých podmínek a vlivů prvků převedeno také na rušení v diferenčním módu, což může mít přímý a nepříznivý vliv na provoz obvodu.
V elektronických zařízeních nebo výkonových obvodech je nutné zohlednit a implementovat opatření proti rušení ve společném i diferenčním módu, která jsou svou povahou zcela odlišná.
2- Opatření proti elektromagnetickému rušení
Z hlediska šíření rušivých signálů lze rušení obecně rozdělit na vodivé rušení a vyzařované rušení. Z hlediska typů rušivých signálů je lze rozdělit na rušení souhlasného módu a rušení rozdílového módu. Existují dva hlavní přístupy k potlačování rušivých signálů:
① Zamezit vzniku rušivých signálů.
② Blokovat, pohltit nebo eliminovat šíření rušivých signálů.
Moderní elektronická zařízení převážně využívají spínané zdroje a digitální technologie. Zařízení využívající tyto technologie nevyhnutelně generují rušivé signály, které je obtížné potlačit pouze prostřednictvím technologických vylepšení. V současnosti se většina řešení zaměřuje na blokování nebo zmírňování šíření rušivých signálů.
2.1 Použití pasivních součástek k blokování (absorpci nebo eliminaci) vedeného rušení, například kombinací induktorů pro společný režim, induktorů pro diferenciální režim, X-kondenzátorů a Y-kondenzátorů za účelem potlačení vedeného rušení.
2.2 Použití výkonových induktorů s feritovými kroužky nebo magnetickými stíněními k zabránění šíření vyzařovaného rušení do vnějšího prostředí.
Pro řešení vedeného EMI Codaca nabízíme řadu induktorů pro společný režim na signálové linky (řady SPRHS, CSTP, VSTCB atd.), induktory pro společný režim na napájecí linky (řady TCB, SQH, TCMB), a induktory pro diferenciální režim (řady SPRH, PRD a další výkonové induktory, které lze použít jako induktory pro diferenciální režim). Tyto induktory pro společný i diferenciální režim pomáhají elektronickým zařízením odolávat externímu elektromagnetickému rušení a zároveň brání tomu, aby zařízení vyzařovala interně generované EMI.
Účinnost potlačení interference úzce souvisí s impedancí cívky. Podrobnosti naleznete v následujících tabulkách specifikací a grafech frekvenčních charakteristik.
Tabulka 1: Charakteristiky společných reaktorů Codaca STŮL
Poznámka: Tato tabulka uvádí pouze výběr modelů cívek. Další informace naleznete na oficiálních webových stránkách společnosti Codaca.
Obrázek 9: Graf frekvenční charakteristiky impedance pro společné reaktory signálových linek
Obrázek 10: Graf frekvenční charakteristiky impedance pro společné reaktory napájecích linek
Pro řešení vyzařovaného EMI lze použít feritové kroužky. V některých vysokofrekvenčních obvodech, jako jsou RF a oscilátorové obvody, je nutné přidat feritový kroužek v sekci vstupu napájení. Společnost Codaca nabízí řadu feritových kroužků, jako jsou řady RHD, RHV, SMB a UUN.
Tabulka 2: Tabulka charakteristik feritových kroužků
Poznámka: Tato tabulka uvádí pouze výběr modelů. Další informace naleznete na oficiálních webových stránkách společnosti Codaca.
Jak již bylo zmíněno dříve, magneticky stíněné výkonové cívky mohou také blokovat šíření vyzařovaných rušivých signálů. Pro vyzařované EMI nabízí Codaca řadu magneticky stíněných komponentů, včetně zalitých cívek, cívek pro vysoké proudy, cívek pro digitální zesilovače a čipových cívek. Tyto výkonové cívky lze použít ve výkonových obvodech spínaných zdrojů. Magnetická stínící konstrukce účinně zabraňuje tomu, aby rušení generované cívkou unikalo do okolí, a současně chrání cívku před vnějším vyzařovaným rušením. Takové stíněné cívky se používají také v řešeních pro potlačení diferenciálního rušení na signálových a napájecích vedeních.
Tabulka 3: Tabulka vlastností magneticky stíněných cívek
Poznámka: Tato tabulka uvádí pouze výběr modelů. Další informace naleznete na oficiálních webových stránkách společnosti Codaca.
Obrázek 11: Křivky nárůstu teploty a saturace proudu, frekvenční závislost indukčnosti a impedance pro VSHB0421-4R7MC
3 – Závěr
S rostoucí integrací a složitostí elektronických produktů čelí také prostředí EMI/EMC, ve kterém tyto produkty pracují, významným výzvám. Pro pomoc elektronickým zařízením při řešení problémů s EMI/EMC vyvinula společnost Codaca různé řady standardizovaných common mode tlumivky pro signální linky , tlumivka pro napájecí linku s , tlumivky pro diferenciální režim, feritové kroužky , a různé magneticky stíněné výkonové cívky . Inženýři mohou vybírat vhodné standardizované tlumivky pro společný režim, tlumivky pro diferenciální režim nebo výkonové cívky od společnosti Codaca na základě konkrétních požadavků svého návrhu výkonového obvodu.
EN