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Bei der Schaltungsplanung wird eine Produktsanpassung notwendig, wenn handelsübliche Gleichtaktspulen die Anforderungen nicht erfüllen. Dies gewährleistet, dass die verstrickung im allgemeinen Modus die Anforderungen der Schaltung hinsichtlich der Unterdrückung elektromagnetischer Störungen (EMV), der mechanischen Bauform und weiterer Spezifikationen erfüllen kann. Die Anpassung einer Gleichtaktspule erfordert die Auswahl geeigneter Materialien und einer geeigneten Produktstruktur basierend auf dem konkreten Anwendungsszenario und den geforderten Leistungsparametern. Für einen Entwicklungsingenieur ist die klare Definition dieser Anforderungen ein entscheidender erster Schritt.
1.Definition einer Gleichtaktspule
Zunächst sollte geklärt werden, was eine Gleichtaktspule ist.
Definition: Eine Gleichtaktspule, auch bekannt als Gleichtaktdrossel, besteht aus zwei Spulen mit der gleichen Windungszahl, die in entgegengesetzte Richtungen auf einem geschlossenen magnetischen Kern gewickelt sind. Sie weist eine sehr hohe Impedanz gegenüber Gleichtaktstörungen auf, wodurch sie Gleichtaktinterferenzen unterdrücken kann. Umgekehrt hat sie eine sehr geringe Impedanz gegenüber Differenzmodussignalen und beeinträchtigt das gewünschte Signal nahezu nicht.
Grundsatz: Gemäß der Rechten-Hand-Regel verstärken sich bei Fluss eines Gleichtaktstroms durch die Wicklungen die von den beiden Spulen erzeugten Magnetfelder gegenseitig (Abbildung 1). Dadurch zeigt die gesamte Komponente eine hohe Impedanz, wodurch das Störsignal gedämpft wird. Bei Fluss eines Differenzmodusstroms sind die beiden erzeugten Magnetfelder gleich groß und entgegengesetzt gerichtet, sodass sie sich gegenseitig aufheben (Abbildung 2). Dadurch kann das gewünschte Stromsignal unbeeinflusst passieren. Aus diesem Grund werden Gleichtaktspulen in Schaltungen zur Unterdrückung von Gleichtaktinterferenzen eingesetzt.
Abbildung 1: Wenn ein Gleichtaktstrom fließt, verstärken sich die magnetischen Felder gegenseitig
Abbildung 2: Wenn ein Gegentaktstrom fließt, heben sich die magnetischen Felder gegenseitig auf
2.Hauptkategorien von Gleichtaktfiltern
Gleichtaktfilter können basierend auf ihrer Anwendung in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: gleichtaktfilter für Signalleitungen und gleichtaktfilter für Stromleitungen .
Im Folgenden finden Sie die Standardproduktkategorisierung und die entsprechenden Produktmodelle für Gleichtaktfilter auf der Codaca offiziellen Website. Die Seite kann hier aufgerufen werden:
https://www.codaca.com/Productsctr_Common-Mode-Choke.html
Abbildung 3: Gleichtaktfilter für Signalleitungen
Abbildung 4: Netzleitungsgemeinschaftsmodus-Drossel
Parametererklärung:
Beispiel: Gleichtaktinduktivität Codaca CPSQ1515L-203 zum Beispiel:
Tabelle 1: Kenngrößen der Gleichtaktspule CPSQ1515L-203
① Induktivität: Bei gleicher Frequenz und parasitärer Kapazität führt eine höhere Induktivität zu einem höheren Impedanzwert.
② Impedanz: Eine höhere Impedanz sorgt für eine bessere Filterwirkung. Der Impedanzwert variiert je nach Frequenz.
Abbildung 5: Impedanz-Frequenz-Kennlinie der Gleichtaktspule CPSQ1515L-203
③ Gleichstromwiderstand (DCR): Der Widerstand, den die Spule im Gleichstrombetrieb aufweist; im Allgemeinen wird ein niedrigerer DCR-Wert bevorzugt.
④ Nennstrom: Der maximale Strom, den die Spule kontinuierlich führen kann, ohne sich überzuhitzen.
⑤ Nennspannung: Die Spannung, bei der die Schaltung für einen normalen Betrieb ausgelegt ist.
⑥ Hi-Pot (Durchhaltespannung): Die Spannung, die die Wicklung über einen bestimmten Zeitraum zwischen den Windungen oder zwischen verschiedenen Wicklungen ohne Durchschlag aushalten kann.
⑦ Temperaturbereich für den Betrieb: Der Temperaturbereich, innerhalb dessen die Komponente zuverlässig funktionieren kann.
3. Die 6 Schritte zur Anpassung von Gleichtaktstördrosseln
Wenn Standardprodukte die Anforderungen eines Kunden nicht erfüllen können, ist eine Anpassung der Gleichtaktstördrossel erforderlich. Nachdem Definition, Funktionsprinzip und Parameter von Gleichtaktstördrosseln geklärt wurden, erörtern wir nun, wie eine geeignete Lösung für einen Kunden maßgeschneidert werden kann.
Schritt 1: Kundenanforderungen klären
Analyse des Anwendungsszenarios: Führen Sie eine umfassende Analyse des Einsatzfalls der Gleichtaktstördrossel durch. Dazu gehören die konkrete Anwendung (die die erforderliche Produktklasse – Automotive oder Industrie – bestimmt), Betriebsspannung, Strom und Betriebsfrequenz. Diese Faktoren beeinflussen direkt die Konstruktion und Auswahl der Gleichtaktstördrossel.
Schritt 2: Kenngrößen festlegen
Induktivität: Die Induktivität ist einer der wichtigsten Leistungsparameter eines Gleichtaktchokes und beeinflusst direkt seine Anwendung. Die erforderliche Induktivität muss anhand des spezifischen Anwendungsfalls bestimmt werden.
Die Formel zur Berechnung der minimal erforderlichen Induktivität eines Gleichtaktchokes in einer FilterSchaltung (ohne Berücksichtigung der parasitären Kapazität) lautet:
Wo 
ist der erforderliche Impedanzwert bei der Frequenz 
.
Impedanz: Die Fähigkeit eines Gleichtaktchokes, Gleichtaktstörungen zu unterdrücken, hängt eng mit seiner Impedanz zusammen. Der geeignete Impedanzwert muss anhand der gewünschten Filterwirkung bestimmt werden.
Schritt 3: Geeignete Materialien und Produktstruktur auswählen
Kernmaterial: Der Kern dient zur Erhöhung der magnetischen Permeabilität der Spule, wodurch die magnetische Induktionsdichte innerhalb der Wicklung erhöht und somit der Induktivitätswert gesteigert wird. Es werden in der Regel Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität gewählt, wie beispielsweise hochpermeable Ferrite, amorphe oder nanokristalline Materialien. Die Wahl des Kernmaterials beeinflusst direkt die Leistungsfähigkeit der Drossel, und ein geeignetes Material kann zudem dazu beitragen, die physikalische Größe des Produkts zu verringern.
Spulenmaterial: Die Spule wird üblicherweise aus Kupferdraht gewickelt. Die Anzahl der Windungen und der Drahtdurchmesser werden basierend auf der erforderlichen Induktivität und dem effektiven Stromwert ausgelegt.
Die Formel zur Berechnung der Induktivität lautet:
μ 0= Permeabilität des freien Raums
μ e = Relative Permeabilität des Kerns
A e = Effektive Querschnittsfläche des Kerns
l e = Effektive magnetische Weglänge des Kerns
N = Anzahl der Spulenwindungen
Wie aus der Formel hervorgeht, kann zur Erreichung einer Produktverkleinerung ein Kern mit höherer magnetischer Permeabilität verwendet werden, um das Kernvolumen zu reduzieren.
Gestaltung des Aufbaus: Basierend auf der räumlichen Anordnung der Leiterplatte des Kunden wird eine vertikale oder horizontale Produktstruktur sinnvoll konzipiert und zwischen einer Durchsteck- oder Oberflächenmontage (SMD) verpackungsart gewählt, um sicherzustellen, dass die Drossel korrekt installiert werden kann.
Schritt 4: Bezugnahme auf Sicherheitsstandards
Beziehen Sie sich auf Sicherheitsstandards wie IEC 60664-1 oder die internen Standards des Kunden.
Schritt 5: Berücksichtigung von Umweltfaktoren
Die Einsatzumgebung beeinflusst ebenfalls die elektrische Leistung der Induktivität. Bei der Anpassung einer Gleichtaktdrossel sollten Umweltfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und die Kühlungsart berücksichtigt werden, um einen stabilen Betrieb in der jeweiligen Anwendung sicherzustellen.
Schritt 6: Leistungsprüfung und Optimierung
Nach der Anpassung muss die Gleichtaktdrossel einer Leistungsprüfung unterzogen werden, einschließlich Messungen von Induktivität, Impedanz und anderen Parametern. Falls die Testergebnisse nicht den Anforderungen entsprechen, muss die Konstruktion so lange optimiert werden, bis sie den Anwendungsanforderungen genügt.
4.Fazit
Zusammenfassend erfordert die Anpassung eines geeigneten Gleichtaktfilters eine umfassende Berücksichtigung mehrerer Faktoren, darunter die Anwendungsanforderungen des Kunden, Materialien und Aufbau, Leistungsparameter, Sicherheitsanforderungen, Umweltfaktoren sowie Leistungstests und -optimierung. Nur durch wissenschaftliche Analyse und rationelles Design kann sichergestellt werden, dass der angepasste Gleichtaktfilter den Anforderungen der praktischen Anwendung gerecht wird.
Das F&E-Team von Codaca Electronics verfügt über langjährige Erfahrung in der kundenspezifischen Entwicklung von Gleichtaktfiltern. Wir können schnell passende Produktdesigns für unterschiedliche Anwendungsszenarien bereitstellen. Wir laden Sie ein, uns zu kontaktieren, um Beratung und weitere Informationen zu erhalten.