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Nei dispositivi elettronici, è generalmente presente un filtro sulla linea di ingresso CA. Questo perché, per le apparecchiature elettroniche che incorporano un alimentatore a commutazione, la principale fonte di interferenza elettromagnetica (EMI) è lo stesso gruppo di alimentazione. Le fonti di EMI sono diverse, incluse fenomeni naturali come i fulmini e il campo magnetico terrestre, nonché fonti artificiali come motori, tecnologie a radiofrequenza (RF) e segnali digitali/analogici, tutte in grado di generare interferenze. I filtri sono componenti indispensabili per impedire che questi segnali di interferenza vengano trasmessi all'esterno del dispositivo o influenzino altre apparecchiature elettroniche vicine. Questo articolo esaminerà le cause delle interferenze elettromagnetiche e le contromisure adottabili.
1- Tipi di segnali di interferenza e il loro generarsi
Il rumore nei dispositivi elettronici si riferisce a segnali elettrici indesiderati all'interno del dispositivo. Si tratta di disturbi di tensione o corrente inevitabili. Se l'interferenza è eccessiva, possono verificarsi i seguenti fenomeni:
① Percepire rumori nelle radio o nei dispositivi multimediali non correlati all'audio desiderato.
② Visualizzare immagini distorte o sovraccariche sugli schermi televisivi oltre al contenuto originale.
③ I dispositivi digitali potrebbero avviarsi in modo errato o non funzionare normalmente.
④ Le apparecchiature di comunicazione potrebbero non essere in grado di trasmettere segnali normali.
⑤ Altri effetti che interferiscono con il corretto funzionamento dei dispositivi elettronici.
Per questi motivi, paesi e regioni hanno stabilito requisiti e regolamenti specifici per le apparecchiature elettroniche, imponendo che i segnali di interferenza generati da tali dispositivi non superino un certo limite. I produttori sono obbligati a mantenere l'EMI generata dai loro prodotti entro tali limiti specificati.
Negli ultimi anni, i dispositivi elettronici hanno ampiamente adottato tecnologie digitali e di commutazione. Ogni volta che un prodotto utilizza queste tecnologie, genererà inevitabilmente segnali di EMI. L'uso di filtri è un metodo efficace per mantenere questo tipo di interferenza entro i limiti stabiliti dalla normativa. I limiti di interferenza possono variare da un paese a un altro o tra diverse regioni, il che significa che le caratteristiche dei filtri richiesti saranno anch'esse differenti. Nelle immagini sottostanti sono mostrati esempi di un filtro di rete utilizzato esternamente su apparecchiature industriali e di un filtro interno (induttanza in modo comune, induttanza in modo differenziale) installato all'interno di un'alimentatore.
Figura 1 (Sinistra): Filtro di rete industriale esterno
Figura 2 (Destra): Filtro interno per alimentatore switching (induttanza in modo comune)
In un alimentatore a commutazione, il transistor di commutazione, il diodo raddrizzatore ad alta frequenza e il trasformatore di commutazione generano livelli più elevati di interferenza. Le forme d'onda operative all'interno di un alimentatore a commutazione sono tipicamente onde quadre o onde triangolari (forme d'onda fondamentali). Queste forme d'onda contengono componenti ad alta frequenza che sono multipli interi della frequenza fondamentale. Quando queste forme d'onda ad alta frequenza si propagano all'esterno, diventano segnali di interferenza.
Inoltre, la velocità di commutazione dei transistor è estremamente elevata. Ad esempio, una corrente di 2A a 12V può essere accesa/spenta a una frequenza di circa 300 kHz. Come mostrato nel diagramma seguente, durante lo stato di transizione della commutazione, il tasso di variazione della corrente (di/dt) è molto alto. Poiché l'induttanza è presente non solo nella bobina dell'induttore, ma anche come induttanza parassita sulla scheda a circuito stampato (PCB), questa rapida variazione di corrente può generare segnali di tensione interferenti, che disturbano l'ambiente circostante o altri componenti elettronici. Questi segnali di interferenza non si propagano soltanto lungo le piste del PCB, ma vengono irradiati all'esterno anche tramite onde elettromagnetiche e cavi. La frequenza di questo EMI non è fissa; vi sono molti componenti di di/dt all'interno di un singolo ciclo di commutazione, con conseguente spettro ampio di tensione interferente generata.
Figura 3: Modello del Circuito Equivalente
Figura 4: Modello del Segnale di Tensione Interferente
Figura 5: Segnale di Tensione Interferente
Figura 6: Segnale di corrente di interferenza
Figura 7: Modello di corrente di cortocircuito durante la chiusura del diodo
Non limitandosi solo agli alimentatori a commutazione, possiamo classificare in modo ampio i punti in cui si genera l'interferenza in un dispositivo elettronico in base al percorso di tensione/corrente. Come mostrato nel diagramma seguente, l'interferenza generata in modalità differenziale e in modalità comune è indicata rispettivamente come interferenza in modalità differenziale e interferenza in modalità comune.
Figura 8: Diagramma del modello di segnale di interferenza
L'interferenza che appare tra i fili di un cavo di alimentazione in corrente alternata, o tra i terminali positivo e negativo di un'uscita in corrente continua, è un'interferenza di modo differenziale. Al contrario, l'interferenza di modo comune si riferisce alla componente del segnale interferente che insorge tra una qualsiasi linea del circuito e la linea di massa (ovvero rispetto alla terra). L'interferenza generata dai circuiti di alimentazione è quasi sempre inizialmente di modo differenziale. Tuttavia, mentre questo segnale di modo differenziale si propaga verso altri circuiti, il suo equilibrio di impedenza rispetto a massa può essere alterato da influenze elettromagnetiche o elettrostatiche, causandone la conversione in un segnale di modo comune. Alla fine, una parte significativa dell'interferenza diventa di modo comune.
Inoltre, i segnali di interferenza esterni che penetrano nell'apparecchiatura dall'ambiente naturale sono tipicamente in modo comune, poiché la loro generazione è quasi sempre legata alla terra (massa). Inoltre, quando un'interferenza in modo comune entra in un circuito, può essere convertita anche in interferenza in modo differenziale sotto diverse condizioni e influenze dei dispositivi, il che può avere un effetto diretto e negativo sul funzionamento del circuito.
Nei dispositivi elettronici o nei circuiti di potenza, è necessario considerare e implementare contromisure sia contro le interferenze in modo comune che in modo differenziale, che sono completamente diverse per natura.
2- Contromisure contro le interferenze elettromagnetiche
Dal punto di vista della propagazione del segnale di interferenza, l'interferenza può essere classificata in modo generale in interferenza condotta e interferenza irradiata. Dal punto di vista dei tipi di segnale di interferenza, può essere suddivisa in interferenza in modo comune e interferenza in modo differenziale. Esistono due approcci principali per sopprimere i segnali di interferenza:
① Impedire la generazione di segnali di interferenza.
② Bloccare, assorbire o eliminare la propagazione dei segnali di interferenza.
I dispositivi elettronici moderni utilizzano prevalentemente tecnologie a alimentazione switching e digitali. I dispositivi che impiegano queste tecnologie generano inevitabilmente segnali di interferenza, difficili da sopprimere unicamente mediante aggiornamenti tecnologici. Attualmente, la maggior parte delle soluzioni si concentra sul bloccare o attenuare la propagazione dei segnali di interferenza.
2.1 Utilizzo di componenti passivi per bloccare (assorbire o eliminare) la conduzione dei segnali di interferenza, ad esempio combinando induttori in modo comune, induttori in modo differenziale, condensatori X e condensatori Y per sopprimere le interferenze condotte.
2.2 Utilizzo di induttori di potenza con perle di ferrite o strutture di schermatura magnetica per impedire che i segnali di interferenza irradiata si propaghino all'esterno.
Per affrontare l'EMI condotta, Codaca offre una serie di induttori in modo comune per linee di segnale (serie SPRHS, serie CSTP, serie VSTCB, ecc.), induttori in modo comune per linee di alimentazione (serie TCB, serie SQH, serie TCMB), e induttori in modo differenziale (serie SPRH, serie PRD e altri induttori di potenza utilizzabili come induttori in modo differenziale). Questi induttori in modo comune e in modo differenziale aiutano i dispositivi elettronici a resistere alle interferenze elettromagnetiche esterne e impediscono inoltre ai dispositivi di emettere EMI generata internamente.
L'efficacia della soppressione delle interferenze è strettamente correlata all'impedenza dell'induttore. Si prega di fare riferimento alle tabelle delle specifiche e ai grafici delle caratteristiche in frequenza per maggiori dettagli.
Tabella 1: Caratteristiche degli interruttori comuni Codaca Tabella
Nota: questa tabella mostra solo una selezione di modelli di induttori. Per ulteriori informazioni, visitare il sito web ufficiale di Codaca.
Figura 9: Grafico delle caratteristiche impedenza-frequenza per gli interruttori comuni delle linee di segnale
Figura 10: Grafico delle caratteristiche impedenza-frequenza per gli interruttori comuni delle linee di alimentazione
Per le soluzioni contro le emissioni radiate EMI, possono essere utilizzati i ferrite bead. In alcuni circuiti ad alta frequenza, come i circuiti RF e gli oscillatori, è necessario aggiungere un ferrite bead nella sezione di ingresso dell'alimentazione. Codaca offre una serie di ferrite bead, come le serie RHD, RHV, SMB e UUN.
Tabella 2: Tabella delle caratteristiche dei ferrite bead
Nota: questa tabella mostra solo una selezione di modelli. Per ulteriori informazioni, visitare il sito web ufficiale di Codaca.
Come menzionato in precedenza, gli induttori di potenza schermati magneticamente possono anche bloccare la propagazione delle interferenze irradiate. Per le EMI irradiate, Codaca offre una serie di componenti schermati magneticamente, tra cui induttori in resina, induttori ad alta corrente, induttori per amplificatori digitali e induttori a chip. Questi induttori di potenza possono essere utilizzati nelle linee di alimentazione degli alimentatori switching. La struttura di schermatura magnetica impedisce efficacemente che le interferenze generate dall'induttore si irradiano verso l'esterno e protegge allo stesso tempo l'induttore dalle interferenze irradiate esterne. Tali induttori schermati sono utilizzati anche nelle soluzioni contro le interferenze in modo differenziale per linee di segnale e di alimentazione.
Tabella 3: Tabella delle Caratteristiche degli Induttori Schermati Magneticamente
Nota: questa tabella mostra solo una selezione di modelli. Per ulteriori informazioni, visitare il sito web ufficiale di Codaca.
Figura11: Curve di Innalzamento di Temperatura e Corrente di Saturazione, Caratteristiche Induttanza-Frequenza e Impedenza-Frequenza per VSHB0421-4R7MC
3- Conclusione
Con l'aumento dell'integrazione e della complessità dei prodotti elettronici, anche l'ambiente EMI/EMC in cui operano affronta sfide significative. Per aiutare i dispositivi elettronici a risolvere i problemi di EMI/EMC, Codaca ha sviluppato diverse serie di componenti standardizzati induttori in modo comune per linee di segnale , choke a Modalità Comune per Linea di Alimentazione s , induttori per modo differenziale, perle ferrite , e vari induttori di potenza schermati magneticamente . Gli ingegneri possono selezionare presso Codaca gli opportuni induttori standardizzati per modo comune, per modo differenziale o induttori di potenza in base ai requisiti specifici della loro progettazione del circuito di alimentazione.