Klasyfikacja zastosowań i dobór typowych dławików wspólnego trybu

Jedną z najpowszechniejszych form elementów magnetycznych jest dławik, który posiada określoną wartość indukcyjności, a przez to jego impedancja wzrasta wraz ze zwiększaniem się częstotliwości. Sam w sobie może być traktowany jako filtr górnoprzepustowy pierwszego rzędu; kiedy obiekt filtrowania, o którym mówimy, zmienia się z pojedynczej ścieżki prądowej (pętli lub obwodu) na dwie lub więcej, konieczne staje się umieszczenie co najmniej jednego dławika na każdej ścieżce, aby osiągnąć ten sam efekt filtracji wysokoczęstotliwościowej – można to łatwo i sprytnie zaprojektować w praktycznych elementach magnetycznych, co właśnie nazywamy dławikiem wspólnym. Dlaczego? Ponieważ gdy istnieje wiele ścieżek (jak najczęściej dwie), strumień magnetyczny generowany przez prąd płynący w tym samym kierunku może być „współdzielony” z inną ścieżką prądową, powodując uzyskanie dodatkowej impedancji, znanej również jako sprzężenie (magnetyczne). W związku z tym nawijając dwa wzajemnie sprzężone uzwojenia cewek wokół wspólnego rdzenia magnetycznego, można osiągnąć lepszy efekt filtracji niż przy użyciu dwóch oddzielnych dławików.

Powyższe omawia podstawowe cechy funkcjonalne dławików w trybie wspólnym, a mianowicie filtrację. Po pierwsze, należy zatem odróżnić transformatory od dławików w trybie wspólnym, które wymagają również operacji sprzęgania, ponieważ filtracja tłumi (lub pochłania) szumy na linii. Ze względu na kierunek wymuszenia jest to tryb wspólny, natomiast transformatory przekazują napięciowe prądy wymuszające reprezentujące moc, co odpowiada trybowi różnicowemu. W związku z tym, podobnie jak przy łączeniu kondensatorów bezpieczeństwa, dławiki w trybie wspólnym powinny być połączone w układzie Y (przez obwód uziemienia lub obwód odniesienia), podczas gdy transformatory powinny być połączone w układzie X (między obwodami wejściowym i wyjściowym). Po drugie, ocena i pomiar samego efektu filtracji w trybie wspólnym wymaga użycia dodatkowych obwodów pomocniczych. Jednak w rzeczywistych testach EMC (kompatybilności elektromagnetycznej) często bada się jedynie sygnał odbiornika (LISN – Linear Impedance Stabilization Network) spowodowany kombinacją trybu różnicowego i wspólnego, aby określić zgodność z odpowiednimi normami regulacyjnymi (takimi jak certyfikat CE). Dlatego rolę indukcyjności w trybie wspólnym często trudno znaleźć w dokumentacji technicznej, co stanowi powód, dla którego inżynierowie często polegają na doświadczeniu przy wyborze modeli i przewidywaniu wyników symulacji. Na koniec czytelnicy uważni zauważą, że dławiki w trybie wspólnym są nazywane inaczej „induktorami”, ale nie różnią się od induktorów mocy. Nie bierze się tu pod uwagę prądu nasycenia ani magazynowania energii, a ich angielskie nazwy kończą się na choke. Z tego względu ich podstawowe znaczenie nadal pozostaje takie samo jak choke. Jak omówimy później, właśnie dzięki efektowi choke osiąga się filtrację, dlatego określenie „dławiki w trybie wspólnym” lepiej oddaje ich zasadę działania.

W poniższej sekcji dowiemy się o podstawowych zasadach konstrukcyjnych, klasyfikacjach zastosowań oraz doborze typowych cewek dławików wspólnego przewodnika, w nadziei, że będzie to pomocne dla Ciebie jako inżyniera. Tymczasem, jeśli masz jakiekolwiek pytania lub chcesz omówić odpowiednie wprowadzenie, skontaktuj się z nami. Nasz zespół inżynierów udzieli Ci możliwie największej pomocy od strony komponentów i zastosowań.

i. Indukcja pola magnetycznego

Jak pokazano na Rys. 1, cewka A połączona z prądem rozprowadza pole magnetyczne w przestrzeni w pobliżu swojego obwodu prądowego (tutaj cewki), reprezentowane przez strumień magnetyczny Φa (lub →Ba) (gęstość strumienia magnetycznego cewki dławika wspólnego przewodnika). Siła pola magnetycznego zależy od wartości prądu, liczby zwojów cewki, efektywnego przekroju poprzecznego oraz obecności rdzenia magnetycznego. Strumień magnetyczny w centrum cewki można w przybliżeniu wyrazić jako:

Wśród nich, jeśli w centrum cewki znajduje się rdzeń magnetyczny, jego przenikalność magnetyczna im większa, tym odpowiadająca jej równoważna długość obwodu magnetycznego im krótsza, tym większy strumień magnetyczny będzie nieuchronny. Jest to standardowa konstrukcja indukcyjności i odpowiadający jej rozkład strumienia magnetycznego w przestrzeni. Warto zauważyć, że rozkład strumienia magnetycznego nie zależy od zmian prądu i jest zależnością tożsamościową. Jego istotą jest wyprowadzenie z prawa Gaussa dla pola magnetycznego zawartego w równaniach elektromagnetycznych Maxwella.

Rys. 1 Rozkład pola magnetycznego w przestrzeni zasilanych cewek A i B

Gdy inna cewka B w przestrzeni zbliża się do zasilanej cewki A w określonym stosunku położeniowym (jak pokazano na Rys. 1), strumień magnetyczny częściowo generowany przez cewkę A nieuchronnie przechodzi przez cewkę B, tworząc wspólny związek. Zgodnie z prawem Ampera, gdy strumień magnetyczny w obwodzie otoczonym przez cewkę B ulegnie zmianie, w obwodzie cewki B zostanie wygenerowana siła elektromotoryczna indukcyjna, czyli napięcie indukowane. Można przewidzieć, że jeśli cewka B jest otwartą cewką przewodzącą, nie można utworzyć prądu obwodu, a jedynie powstaje napięcie indukowane na końcach cewki B. Ponieważ na jej obwodzie nie płynie prąd, naturalnie nie zostanie wygenerowane odpowiadające mu pole magnetyczne w przestrzeni; jednak jeśli cewka B stanowi obwód zamknięty, to z pewnością pojawi się prąd indukcyjny, czyli prąd indukowany. W tym samym czasie, ponieważ występuje prąd indukcyjny, wytworzy on odwrotne rozkładanie się pola magnetycznego w przestrzeni. Zgodnie ze stosunkiem przestrzennym między cewką B i cewką A, cewka A nieuchronnie będzie współdzielić rozproszony strumień magnetyczny cewki B. Zatem, jaki będzie ostateczny wynik takiej indukcji wzajemnej? Oczywiste jest, że jeśli cewka A posiada wyłącznie prąd stały, cewka B nie odczuje żadnej zmiany strumienia magnetycznego, którym dzieli się w ustalonej pozycji. Dlatego tylko wtedy, gdy w cewce A powstaje zmienny prąd (tak jak prąd przemienny), może zajść indukcja wzajemna. W sytuacji jeden-do-jeden (rozpatrując wyłącznie przypadek sparowania jednej cewki z drugą cewką), prąd indukcyjny zawsze wywołuje skutek przeciwdziałający zmianie strumienia magnetycznego. W związku z tym wpływ odpowiedniej cewki B na cewkę A dokładnie zniweluje zmianę strumienia magnetycznego dzielonego przez cewkę A z cewką B. Strumienie magnetyczne wzajemnie dzielone przez obie cewki skompensują się nawzajem pod względem zmian.

Kojarzenie pola magnetycznego w ustalonej pozycji (inaczej niż w silnikach lub generatorach elektrycznych) opisuje oddziaływanie pomiędzy różnymi cewkami wynikające ze wspólnego strumienia magnetycznego przy zmiennym prądzie. Jako transformator do konwersji energii lub izolacji sygnału, albo jako dławik kompensacyjny prądu wspólnego, jest przykładem kojarzenia pola magnetycznego. Projektując lub produkując dławik kompensacyjny prądu wspólnego, nieuchronnie napotyka się na pytanie: jakie parametry muszą spełniać obie cewki, aby odpowiadać wymaganiom? Albo, prócz prądu i indukcyjności jednostronnej, jakie inne istotne wymagania należy uwzględnić w relacji pomiędzy nimi? Typowym wymogiem parametru jest to, że błąd pomiarowy po obu stronach musi być wystarczająco mały, a czasem współczynnik sprzężenia musi osiągać wysoki poziom (np. 98%). Dzieje się tak dlatego, że jako dławik kompensacyjny prądu wspólnego, jeśli indukcyjność upływna będzie zbyt duża, wywoła znaczący wpływ na sygnał trybu różnicowego, powodując niepotrzebne impedancje trybu różnicowego (skutkujące tłumieniem sygnału lub ograniczeniem pasma częstotliwości trybu różnicowego), albo doprowadzi do nasycenia rdzenia magnetycznego i wpłynie na tłumienie zakłóceń w trybie wspólnym. Z tego względu konieczne jest kontrolowanie współczynnika sprzężenia pola magnetycznego.

Gdy sprzężenie pola magnetycznego występuje pomiędzy dwoma cewkami poprzez ośrodek sprzęgający (rdzeń magnetyczny) o jednorodnej przenikalności magnetycznej, określony strumień magnetyczny wspólny dla cewki A i cewki B wynosi z drugiej strony jest ono równe ponieważ wspólny strumień magnetyczny (sprzężenie magnetyczne) odpowiada indukcyjności wzajemnej, można ją określić jako klasyfikację zastosowań i dobór indukcyjności wspólnego trybu oraz klasyfikację zastosowań i dobór indukcyjności wspólnego trybu odpowiednio i  : 

Całkowity wspólny strumień magnetyczny na końcu cewki indukcyjnej znany jest również jako strumień skojarzony (strumień skojarzony, ), który można przedstawić za pomocą zależności pomiędzy gęstością strumienia magnetycznego a wektorem magnetycznym pozycja:

Rozłożony wektor magnetyczny położenia przez cewkę A w każdym punkcie na cewce B wynosi (w średnim przypadku doboru i klasyfikacji zastosowań z odległością między środkami indukcyjności wspólnego trybu):

Strumień magnetyczny sprzężony między cewką A i cewką B otrzymuje się w poniższy sposób:

W związku z tym indukcyjność wzajemna działająca na cewkę A ze strony cewki B są następujące:

Tę samą zasadę można zastosować, aby uzyskać wyrażenie dla:

Jak wspomniano wcześniej, sprzężenie pola magnetycznego zachodzi między dwiema cewkami poprzez ośrodek sprzęgający (rdzeń magnetyczny) o jednorodnej przenikalności magnetycznej. Zatem , oczywiście:

Powyższe wyjaśnienie stwierdza, że dwie cewki nawinięte na tym samym rdzeniu magnetycznym mają taką samą indukcyjność wzajemną, oznaczaną jako M. Szczegółowy proces dowodzenia można znaleźć we wzorze Neumanna. Zakładając teraz, że całkowity strumień magnetyczny cewki A część wspólna współczynnik proporcjonalności , to znaczy . Podobnie współczynnik sprzężenia cewki B wynosi , będzie zachodzić:

Dlatego z powyższego związku równań można określić zależność pomiędzy indukcyjnością wzajemną dwóch cewek a ich własnymi indukcyjnościami.

Powyższy wzór jest źródłem pochodzenia współczynnika sprzężenia pola magnetycznego k: rzeczywistą indukcyjność wspólnego trybu można ustalić poprzez pomiar wartości indukcyjności dwóch uzwojeń cewkowych oddzielnie (drugie uzwojenie pozostaje w stanie otwartym), jak również indukcyjności upływu (drugie uzwojenie pozostaje w stanie zwartym, ) oraz odpowiadających im wartości indukcyjności wzajemnej i współczynnika sprzężenia k. Dokładniej, dla bardzo symetrycznego dławika wspólnego trybu nawiniętego na rdzeniu magnetycznym o wysokiej przenikalności (np. pierścieniu ferrytowym MnZn), wartości indukcyjności obu uzwojeń będą bardzo zbliżone, a wartość indukcyjności upływu będzie bliska . Można zauważyć, że im wyższy współczynnik sprzężenia, tym niższa indukcyjność upływu.

iI. Zastosowanie dławików trybu wspólnego

Jak wspomniano we wstępie do tego artykułu, dławik trybu wspólnego to nic innego jak cewka indukcyjna jednocześnie podłączona do dwóch obwodów prądowych. Jego funkcją jest tłumienie lub osłabianie zakłóceń wspólnego trybu, które mogą występować w obu obwodach prądowych. Niemniej jednak te dwa równoległe obwody prądowe nie są ograniczone do przypadku tworzenia obwodu różnicowego, na przykład przewody L i N w parze przewodów zasilających albo linie D+ i D- na porcie linii danych. Ze względu na powstawanie zakłóceń wspólnego trybu, może być wymagane tłumienie tych zakłóceń między liniami transmisyjnymi dzielącymi wspólną masę.

Aby określić zastosowanie indukcyjności w trybie wspólnym, należy najpierw zrozumieć, jak powstaje zakłócenie w trybie wspólnym: jak pokazano na rys. 2 (projekt referencyjny zasilacza impulsowego Infineona o mocy 60 W: DEMO_5QSAG_60W1), wejście jest zasilaniem sieciowym o napięciu 85~300VAC, a przewody L, N na porcie zasilania tworzą wspólną masę z masą odniesienia. W rzeczywistości istnieje również przewód uziemiający Green Line podłączony do tej masy odniesienia i połączony z uziemieniem fizycznym. Obecnie przewody L i N tworzą obwód zasilania i są połączone po stronie pierwotnej tego transformatora Flyback. Jako główny tranzystor przełączający Q11 zastosowano 800V superjunctionowy tranzystor MOSFET IPA80R600P7, którego maksymalna wartość Rds(on) wynosi 600mΩ. Aby ograniczyć rozpraszanie ciepła, do jego obudowy mocuje się zwykle medium chłodzące (aluminiowe żebra chłodzące), co zwiększa pojemność pasożytniczą jego pinów wysokiego napięcia względem masy, tworzy sprzężenie pojemnościowe i powoduje sprzężenie napięcia wejściowego o dużej częstotliwości i wysokim napięciu, tworząc potencjał o właściwościach zakłóceń. Przewody L i N na porcie wejściowej odbiorą również ten potencjał poprzez masę odniesienia, tworząc źródło zakłóceń w trybie wspólnym. Warto zauważyć, że sprzężenie pojemnościowe, jako główne źródło zakłóceń wspólnomodowych, z którymi musi się zmierzyć test EMC metodą przewodzenia, powszechnie występuje w różnych zasilaczach prądu zmiennego/stałego o różnej topologii. Jednocześnie na stronach pierwotnej i wtórnej transformatora znajduje się wiele małych obwodów prądowych, a każdy z tych obwodów zwiększa prąd zakłóceń sprzężenia indukcyjnego, co również powoduje trudne do przewidzenia zakłócenia w trybie wspólnym lub różnicowym. Dlatego też wprowadza dużą niepewność w procesie korygowania EMC, co wyjaśnia, dlaczego nadal nie można polegać na oprogramowaniu symulacyjnym do symulacji zgodności elektromagnetycznej.

Rys. 2 Przykład komponentów strategii odpowiadającej EMI (Infineon DEMO_5QSAG_60W1)

Aby oszacować wielkość zakłóceń wspólnego trybu, konieczne jest zwykle założenie pojemności pasożytniczej w obwodzie zakłóceń wspólnego trybu, która zazwyczaj mieści się w zakresie kilkudziesięciu pF. W przykładzie pokazanym na rys. 2, przyjmując pojemność pasożyczą równą 20 pF, gdy napięcie wejściowe wynosi 230 V skuteczne, a częstotliwość przełączania głównego tranzystora mocy to 200 kHz, całkowita szerokość impulsu podczas załączania i wyłączania wynosi 1 µs, a czasy narastania i opadania wynoszą odpowiednio 0,2 µs. Maksymalne napięcie na zacisku wejściowym wynosi , współczynnik wypełnienia napięcia przemiennego na wyjściu przez przełączanie wynosi . Pierwsza częstotliwość graniczna w rozkładzie gęstości widmowej to:

Odpowiadające temu napięcie na pierwszym pikie (pierwsza harmoniczna 1. rzędu) w rozkładzie gęstości widmowej to:

W obwodzie z zakłóceniami wspólnego trybu, bez podłączania dławika w wspólnym trybie, maksymalny prąd wspólnego trybu można oszacować, ignorując impedancję szeregową (taką jak opór przewodu, indukcyjność pasożytnicza itp.), jak pokazano na rys. 3. Po podłączeniu do sieci LISN (linear impedance stabilization network), wartość prądu wspólnego trybu będzie wynosić:

W związku z tym amplituda napięcia zakłóceń wspólnego trybu odbierana przez odbiornik pomiarowy (analizator widma) na porcie LISN będzie równa:

Mimo że rzeczywisty wynik wykryty przez odbiornik pomiarowy to:

Oznacza to, że amplitudy zakłóceń wspólnego i różnicowego trybu nakładają się na siebie, ale oczywiście jeśli tylko ograniczymy zakłócenia wspólnego trybu, wyniki końcowe testu się poprawią. Dlatego na przykład w normie EMC EN55022 dla standardowych zastosowań komunikacyjnych i przemysłowych, amplituda QP musi być niższa niż w zakresie od 150 kHz do 500 kHz. W związku z tym maksymalna tłumienie zakłóceń w trybie wspólnym musi być realizowane w tym miejscu. Przyjmując jako cel tłumienia -20 dB, poprzez proste obliczenia, główne impedancje w obwodzie wspólnym stanowi impedancja pojemności pasożytniczej, która wynosi około 25 kΩ. Jak pokazano na Rys.4, wymagana impedancja wspólna wynosi około 250 kΩ, co można przeliczyć na dławik o wartości 125 mH pracujący w trybie wspólnym.

Rys.3 Schematyczny diagram testu przewodzonego w badaniach EMC (schemat obwodu zakłóceń w trybie wspólnym i sygnału w trybie różnicowym)

Rys.4 Zależność między obwodem stratności filtrów (z lewej) a odpowiadającą amplitudą tłumienia i impedancją filtrów (z prawej)

Oprócz typowych zastosowań indukcyjności w trybie wspólnym na liniach zasilających, indukcyjność w trybie wspólnym występuje również powszechnie na szybkich liniach sygnałowych, takich jak USB 3.0, HDMI, LAN itp., a także niektórych liniach sygnałowych LVDS, takich jak CAN BUS, SPI lub RS232, RS485 itp. Wykorzystanie dławików w trybie wspólnego do przewodów sygnałowych pełni również funkcję tłumienia zakłóceń wspólnego trybu, jak np. współczynnik odrzutu zakłóceń wspólnego trybu wymagany do spełnienia określonych specyfikacji komunikacyjnych. Jednak ważniejszym aspektem jest efekt kompensacji prądowej towarzyszący temu rodzajowi dławików, o którym była mowa na początku, czyli dławik w trybie wspólnym typu kompensacyjnego.

Jak pokazano na rys. 5, linie sygnałowe szybkiej transmisji ogólnie wykorzystują transmisję różnicową do przesyłania sygnałów. Na liniach sygnałowych znajdują się rezystory, pojemności pasożytnicze oraz indukcyjności rozłożone. Kabel skręcony skutecznie zmniejsza pojemność pasożytniczą, jednak nie jest w stanie zlikwidować indukcyjności rozłożonych. W związku z tym na końcu odbiorczym występuje indukcyjność wejścia różnicowego, a prąd sprzężony na linii tworzy szum na diagramie sygnału. Szumy te są niemal równomiernie rozłożone po obu stronach odbiornika, dzięki symetrii linii transmisyjnej. Skoro teraz w pozycji wejściowej odbiornika umieszczony został dławik przeciwprzepływowy, to niemal równe ilości szumu zostaną wyeliminowane dzięki sprzężeniu uzwojenia dławika przeciwprzepływowego, co znacznie ograniczy sprzężenie szumu. Innymi słowy, efekt kompensacji prądowej zmniejsza szum wejściowy po stronie odbiornika.

Rys. 6 Proces transmisji sygnałów różnicowych wzdłuż linii transmisyjnej od strony nadawczej do odbiorczej (z lewej) oraz poprawa wynikająca z zastosowania dławików w układzie wspólnym na stronie odbiorczej (z prawej)

Na diagramie oka sygnału, jak pokazano na rys. 6, dzięki zmniejszeniu tłumienia wstępnego wywołanego pasożytnicą indukcyjnością linii, stosunek sygnału do szumu zostanie poprawiony, co ma istotne znaczenie dla dłuższych linii transmisyjnych lub szybkich linii sygnałowych. Ogólnie rzecz biorąc, linie transmisyjne używane dla portów sygnałowych wymienionych powyżej to zazwyczaj linie o impedancji 90~120 Ω. W zależności od konkretnych wymagań dotyczących pasma sygnału, dobiera się typowo układy dławików wspólnego trybu o impedancji od 1 do 10 razy większej, aby zapewnić tłumienie wspólnego trybu wynoszące od -6 dB do -20 dB. Jest to podobne do zastosowania w zasilaniu wspomnianym wcześniej, i zależy od impedancji obwodu zakłóceń wspólnego trybu. Oczywiście, wraz ze wzrostem częstotliwości (zgodnie z wymaganiami szybkiej transmisji sygnałów), impedancja wspólnego trybu systemu będzie malała, a nadmierne dostarczanie indukcyjności zawęzi pasmo filtracji. Dlatego należy sprawdzić, czy wybrana indukcyjność odpowiada wymaganiom transmisyjnym sygnałów wysokiej szybkości.

Rys. 6 Schematyczny diagram jakości sygnału wpływający na tłumienie w liniach transmisyjnych różnicowych

iII. Szkodliwość zakłóceń wspólnego trybu

Więc, w czym problem z zakłóceniami typu wspólnego (common mode noise)? Dlaczego często konieczne jest skupienie się na tłumieniu zakłóceń typu wspólnego w obwodzie podczas testów kompatybilności elektromagnetycznej (EMC)? Oczywiście po to, aby spełnić normy certyfikacyjne EMC poszczególnych krajów, trzeba ograniczyć amplitudę sygnałów typu wspólnego i różnicowego, zapewnić bezpieczeństwo produktu oraz zmniejszyć potencjalne zagrożenie dla sieci energetycznej czy urządzeń sąsiednich wynikające ze sprzętu elektrycznego po stronie poboru energii. Po drugie, jeśli spojrzeć z perspektywy integralności zasilania i sygnałów, większość urządzeń elektrycznych i kontrolerów urządzeń gospodarstwa domowego pracuje przy niskim napięciu, a dodatkowe napięcie zakłóceń może powodować nieprawidłowe działanie sygnałów sterujących lub przesyłanych danych, a nawet błędy i przestoje. Te nieprawidłowe zakłócenia mogą pochodzić zarówno z płytki drukowanej, jak i zakłóceń RF, takich jak odłączanie urządzeń mobilnych czy świst przy odbiorze radiowym. W końcu, nadmierne zakłócenia typu wspólnego mogą zostać wyemitowane w przestrzeń w formie promieniowania wysokoczęstotliwościowego, jak np. w większych obwodach typu wspólnego czy na przewodnikach działających jak anteny, co stwarza długoterminowe zagrożenia zdrowotne niezauważalne przez ludzi.

Aby uprościć problem, równoważymy linię transmisyjną z magnetycznym dipolem Hertza i uzyskujemy model promieniowania w trybie wspólnym, jak pokazano na rys. 7. Odległość między punktem pomiarowym a środkiem linii transmisyjnej w trybie wspólnym wynosi d, co zazwyczaj jest znacznie większe niż rozmiar obwodu, dlatego jest to punkt pomiarowy w dalekim polu. Zatem dla promieniowania anteny w dalekim polu jej natężenie pola jest równe:

Wśród nich, to stała fazowa odpowiadająca długości fali promieniowania, to odległość między pozycjami pomiarowymi, to kąt płaszczyzny odchylony o θ stopni od wzoru promieniowania anteny, a dla dipola Hertza , oraz , zależą od typu anteny. Ponieważ promieniowanie odbierane w dalekim punkcie jest jednoczesnym działaniem dwóch linii wspólnego trybu pod kątem dlatego:

Dla zakłóceń w trybie wspólnym, jak pokazano na rys. 7: i maksymalne promieniowanie w punkcie pomiarowym otrzymuje się następująco:

Gdy odległość linii s jest wystarczająco mała Więc można to uprościć do postaci:

W związku z tym intensywność promieniowania w trybie wspólnym jest proporcjonalna do długości linii transmisyjnej w trybie wspólnym i maleje wraz z odległością. Przykład wielkości tej amplitudy: zakładając długość linii transmisyjnej w trybie wspólnym równą 1 metr i amplitudę prądu w trybie wspólnym wynoszącą 7,96 µA, odpowiadającej badaniu pola o długości 3 metrów jako klasa FCC B przy 30 MHz, intensywność promieniowania wynosi:

Ta intensywność jest dokładnie granicą normy. Jeżeli na punkcie pomiarowym znajduje się przewodnik lub osoba o długości 1 metra, to napięcie jakie będzie odczuwane wynosi 100 µV. Długotrwałe narażenie na takie środowisko ma poważny wpływ na zdrowie człowieka, a nagromadzone promieniowanie może powodować różne choroby przewlekłe lub indywidualne zmiany skórne, co jest również ważnym znaczeniem certyfikacji EMC.

Rys.7 Model promieniowania i diagram punktów pomiarowych hałasu w trybie wspólnym

Struktura przebiegu większości obwodów przełączających może być zaklasyfikowana jako fala trapezoidalna, a jej widmo częstotliwościowe wykazuje dwa etapy spowolnienia od to wraz ze wzrostem poziomów harmonicznych. Węzły to pierwsza częstotliwość kątowa i częstotliwość kątowa czasu narastania zbocza. Widmo częstotliwościowe intensywności promieniowania składowej wspólnej, o której mowa powyżej, wyraźnie rośnie wraz z częstotliwością przez . Dlatego też dla typowych zasilaczy impulsowych oraz obwodów sygnałów prostokątnych widmo promieniowania składowej wspólnej będzie w przybliżeniu wykazywać charakterystykę rozkładu najpierw rosnącą, a następnie malejącą, jak pokazano na rys. 8. Zatem środkowy zakres to część, która wymaga specjalnego sterowania lub tłumienia.

Rys. 8 Rozkład intensywności szumów wspólnego trybu promieniowania odpowiadający typowym falom trapezoidalnym

4. Dobór dławików wspólnego trybu

W przypadku linii zasilających źródło zakłóceń wspólnego trybu jest stosunkowo jasne, ale trudno jest zmierzyć rozproszone czynniki przyrządami. W większości przypadków wyniki są stopniowo aproksymowane poprzez analizę po przeprowadzeniu testów, dlatego doświadczenie nabyte na drodze praktyki odgrywa bardzo ważną rolę. Wprowadzając omówienie zastosowania dławików wspólnego trybu w sekcji 2 niniejszego artykułu, wspomniano już, że teoretyczne oszacowanie amplitudy zakłóceń wspólnego trybu oraz odpowiednie wymagania dotyczące indukcyjności dławików wspólnego trybu mogą stanowić punkt wyjścia dla początkowych eksperymentów.

Zazwyczaj induktor wspólnego trybu stosowany w etapie filtracji wejścia mocy AC-DC wykorzystuje zamknięty obwód magnetyczny w kształcie pierścienia jako rdzeń magnetyczny. Zaletą tego rozwiązania jest to, że można łatwo osiągnąć bardzo niską indukcyjność upływnościową i bardzo wyski współczynnik sprzężenia. Dla wysokiego napięcia wejściowego i stosunkowo niskiej częstotliwości przełączania może on zapewnić dobre tłumienie wysokiego poziomu zakłóceń wspólnego trybu. Wynika to z faktu, że przenikalność magnetyczną materiałów magnetycznych można podzielić na część indukcyjną i część stratności Gdy rdzeń magnetyczny zbliża się do lub przekracza punkt charakterystyczny o najwyższym impedancji, część strat zacznie stanowić główną część impedancji. W tym momencie tłumienie zakłóceń nie jest już osiągane poprzez zmniejszanie amplitudy zakłóceń za pomocą impedancji indukcyjnej, lecz przez pochłanianie energii zakłóceń poprzez straty cieplne. Zatem odpowiedni stopień nasycenia (nadmierny nasycenie może powodować zmniejszenie impedancji) nie wpływa na skuteczność tłumienia zakłóceń, dlatego nie ma potrzeby poszukiwania parametrów prądu nasycenia podobnych do tych stosowanych w dławikach zasilających.

Podczas wyboru dławików w trybie wspólnym. Tymczasem, jeśli chodzi o część indukcyjności rozproszenia, na przykład przy indukcyjności 1 mH i współczynniku sprzężenia wynoszącym 99%, w obwodzie różnicowym pojawi się indukcyjność rozproszenia na poziomie 10 μH. Przy uwzględnianiu tłumienia zakłóceń w trybie różnicowym (zwykle za pomocą mostka LC) należy również wziąć pod uwagę tę część indukcyjności rozproszenia. Umiarkowana indukcyjność rozproszenia sprzyja tłumieniu zakłóceń w wysokiej częstotliwości w trybie różnicowym, jednak ponieważ dławiki w trybie wspólnym głównie wykorzystują rdzenie magnetyczne zamknięte, łatwo może dojść do nasycenia rdzenia przy wysokich prądach, co wpływa na sprawność konwersji energii oraz pasmo tłumienia zakłóceń. Zwiększenie udziału indukcyjności rozproszenia można zazwyczaj osiągnąć stosując konstrukcje rdzenia kwadratowego lub ramkowego (rdzeń magnetyczny typu UU lub PQ), a także uzwojenia niesymetryczne ( ). Dokładny wybór musi zostać dokonany przez użytkownika poprzez testy identyfikacyjne separatora trybu wspólnego różnicowego, aby określić, czy jest on konieczny.

Dla parametrów indukcyjności wspólnego trybu, obejmują one głównie wartość indukcyjności jednostronnej, Rdc, prąd znamionowy, napięcie znamionowe oraz wytrzymałość napięciową Hi pot. Wartość indukcyjności jednostronnej decyduje głównie o wielkości impedancji wspólnego trybu. Rdc to straty prądu stałego w przewodzie, a wzrost temperatury spowodowany tymi stratami generuje limit prądu znamionowego. Ponadto, ponieważ jest on używany w liniach wysokiego napięcia, limity napięcia i wymagania bezpieczeństwa są oznaczone osobno. Jednak użytkownicy wolą oceniać skutek filtracji, dlatego w specyfikacji producent zwykle przedstawia dwa rodzaje krzywych charakterystycznych impedancji. Pierwszym z nich jest forma impedancji wspólnego/różnicowego trybu pokazana na rys. 9-a, drugim – forma tłumienia w dB (insertion loss) pokazana na rys. 9-b. Obie formy są równoważne, przy czym krzywa w formie tłumienia w dB powstaje poprzez przekształcenie impedancji wspólnego/różnicowego trybu w systemie 50 Ω+50 Ω.

Rys.9 (a) wspólny tryb/różnicowy kształt impedancji (b) forma tłumienia w dB

Dla tego samego szeregu wspólnego trybu, konstrukcje obudów o różnych rozmiarach są odpowiednie dla różnych wielkości prądu i szerokości pasma filtracji: im większy rozmiar, tym mniejsze oporność magnetyczna rdzenia magnetycznego, co może zmniejszyć liczbę zwojów uzwojenia, umożliwiając zwiększenie średnicy drutu miedzianego i użycie większej pętli prądowej; im wyższa wartość indukcyjności lub im niższa stabilna częstotliwość przenikalności magnetycznej materiału, tym węższe jest stosowane pasmo filtracji, a taki dławik wspólnego trybu umieszczony w pętli może nie mieć skutecznego tłumienia hałasu na wysokim końcu częstotliwości.

Codaca Obecnie przede wszystkim dzielimy wspólne indukcyjności w elektronice na dwie części: linie sygnałowe i linie zasilające. Istnieje ponad 10 serii oraz 50 różnych rozmiarów obudów, a także niemal 300 różnych standardowych numerów części. Są one szeroko stosowane w liniach sygnałowych takich jak CAN BUS, RS485 oraz w różnych urządzeniach zasilania offline o mocy od kilku watów do kilku kilowatów. Nasz zespół technologiczny może również pomóc użytkownikom od testowania po analizę lub dostosować specyfikacje adaptacyjne, aby ostatecznie ukończyć odpowiednie certyfikaty EMC.

Odniesienie

[1] Infineon Technologies AG. Engineering_report_DEMO_5QSAG_60W1-AN-v01_00-EN.pdf. www.infineon.com

[2] Informacje o produkcie indukcyjnym CODACA： www.codaca.com

[3] Clayton R.Paul. Wprowadzenie do kompatybilności elektromagnetycznej. Wydanie drugie. Wiley-interscience.

[4] Bhag Singh Guru i Huseyin R. Hiziroglu. Podstawy teorii pól elektromagnetycznych. Wydanie drugie. Cambridge University Press.

Wyjaśnienie ochrony własności intelektualnej

CODACA "lub" Codaca "jest zastrzeżonym znakiem towarowym firmy Shenzhen Codaca Electronic Co., Ltd. Każde wykorzystanie lub odniesienie do tekstu, danych lub innych typów informacji publicznych zawierających treści objęte własnością intelektualną opublikowane lub rozpowszechniane przez firmę Shenzhen Codaca Electronic Co., Ltd. znajduje się w zakresie ochrony własności intelektualnej tej firmy. Shenzhen Codaca Electronic Co., Ltd. zastrzega sobie odpowiednie prawa dotyczące deklaracji własności intelektualnej, ochrony praw oraz innych uprawnień ochronnych. W celu uzasadnienia, że nie występują potencjalne konflikty własności intelektualnej w związanych sprawach, skontaktuj się z firmą Shenzhen Kedajia Electronics Co., Ltd.