EN
SZYBKI DOSTĘP
W urządzeniach elektronicznych filtr znajduje się zazwyczaj na wejściu prądu przemiennego (AC). Dzieje się tak dlatego, że w sprzęcie elektronicznym wykorzystującym zasilacze impulsowe głównym źródłem zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) jest właśnie blok zasilania. Źródła zakłóceń są różne – obejmują zjawiska naturalne, takie jak wyładowania atmosferyczne czy pole magnetyczne Ziemi, a także sztuczne źródła, takie jak silniki elektryczne, technologie radiofrekwencyjne (RF) oraz sygnały cyfrowe/analogowe, które wszystkie mogą generować zakłócenia. Filtry są nieodzownymi elementami zapobiegającymi emisji tych sygnałów zakłócających poza urządzenie lub ich wpływowi na inne pobliskie urządzenia elektroniczne. W artykule tym omówione zostaną przyczyny powstawania zakłóceń elektromagnetycznych oraz środki zaradcze je ograniczające.
1- Typy sygnałów zakłóceń i ich powstawanie
Hałas w urządzeniach elektronicznych odnosi się do niepożądanych sygnałów elektrycznych występujących w urządzeniu. Są to nieuniknione zaburzenia napięcia lub prądu. Jeżeli zakłócenia są nadmiernie silne, mogą wystąpić następujące zjawiska:
① Słyszalny hałas w radiach lub urządzeniach multimedialnych, niezwiązany z odtwarzanym dźwiękiem.
② Wyświetlanie zniekształconych lub zakłócanych obrazów na ekranach telewizorów poza oryginalną zawartością.
③ Urządzenia cyfrowe mogą uruchamiać się nieprawidłowo lub nie działać poprawnie.
④ Sprzęt komunikacyjny może być niemożliwy do przesyłania normalnych sygnałów.
⑤ Inne skutki zakłócające prawidłowe działanie urządzeń elektronicznych.
Z tych powodów kraje i regiony ustanowiły odpowiednie wymagania i przepisy dotyczące sprzętu elektronicznego, zobowiązując do tego, by generowane przez te urządzenia sygnały zakłóceń nie przekraczały określonego poziomu. Producentom narzuca się obowiązek kontrolowania emisji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) swoich produktów w granicach tych określonych limitów.
W ostatnich latach urządzenia elektroniczne powszechnie przyjęły technologie cyfrowe i przełączające. O ile produkt wykorzystuje te technologie, nieuchronnie będzie generował sygnały EMI. Stosowanie filtrów to skuteczny sposób utrzymania tego zakłócenia w granicach regulacyjnych. Limity zakłóceń mogą się różnić w zależności od kraju lub regionu, co oznacza, że cechy wymaganych filtrów również będą się różnić. Poniżej przedstawiono przykłady filtra linii zasilającej stosowanego zewnętrznie w sprzęcie przemysłowym oraz filtra wewnętrznego (dławik wspólnego trybu, dławik różnicowego trybu) zamontowanego w zasilaczu.
Rysunek 1 (Lewy): Zewnętrzny przemysłowy filtr linii zasilającej
Rysunek 2 (Prawy): Wewnętrzny filtr impulsowego zasilacza (dławik wspólnego trybu)
W zasilaczu impulsowym tranzystor przełączający, dioda prostownicza wysokiej częstotliwości oraz transformator przełączający generują wyższe poziomy zakłóceń. Przebiegi robocze w zasilaczu impulsowym są zazwyczaj falami prostokątnymi lub trójkątnymi (przebiegami podstawowymi). Przebiegi te zawierają składowe o wysokiej częstotliwości, które są całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości podstawowej. Gdy te sygnały o wysokiej częstotliwości rozchodzą się na zewnątrz, stają się sygnałami zakłóceń.
Dodatkowo, prędkość przełączania tranzystorów jest ekstremalnie wysoka. Na przykład prąd o wartości 2 A przy napięciu 12 V może być włączany/wyłączany z częstotliwością około 300 kHz. Jak pokazano na poniższym rysunku, w stanie przejściowym podczas przełączania, szybkość zmiany prądu (di/dt) jest bardzo duża. Ponieważ indukcyjność występuje nie tylko w cewce indukcyjnej, ale również jako indukcyjność pasożytnicza na płytce drukowanej (PCB), szybka zmiana prądu może generować sygnały zakłóceń napięciowych, które oddziałują na otoczenie lub inne komponenty elektroniczne. Te sygnały zakłóceń przesyłane są nie tylko poprzez ścieżki na płytce PCB, lecz również promieniowane na zewnątrz w postaci fal elektromagnetycznych i przewodów. Częstotliwość tych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) nie jest stała; w jednym cyklu przełączania występuje wiele składowych di/dt, co powoduje szeroki widmo częstotliwościowe generowanych napięć zakłóceń.
Rysunek 3: Model obwodu równoważnego
Rysunek 4: Model sygnału napięcia zakłóceń
Rysunek 5: Sygnał napięcia zakłóceń
Rysunek 6: Sygnał prądu zakłóceń
Rysunek 7: Model prądu zwarciowego podczas wyłączania diody
Nie ograniczając się tylko do zasilaczy impulsowych, możemy ogólnie sklasyfikować miejsca powstawania zakłóceń w urządzeniu elektronicznym na podstawie ścieżki napięcia/prądu. Jak pokazano na poniższym schemacie, zakłócenia powstające w trybie różnicowym i w trybie wspólnym określane są odpowiednio jako zakłócenia trybu różnicowego i zakłócenia trybu wspólnego.
Rysunek 8: Schemat modelu sygnału zakłóceń
Interferencja, która pojawia się między przewodami przewodu zasilającego prądem przemiennym lub między zaciskami dodatnim i ujemnym wyjścia prądu stałego, to interferencja w trybie różnicowym. Natomiast interferencja w trybie wspólnym odnosi się do składowej sygnału zakłócającego występującej między dowolnym przewodem w obwodzie a przewodem uziemiającym (czyli względem ziemi). Zakłócenia generowane przez obwody zasilania są niemal zawsze początkowo w trybie różnicowym. Jednak gdy ten sygnał w trybie różnicowym rozchodzi się do innych obwodów, jego równoważenie impedancji względem masy może zostać zaburzone przez wpływ elektromagnetyczny lub elektrostatyczny, co powoduje jego przekształcenie w sygnał w trybie wspólnym. Ostatecznie znaczna część zakłóceń staje się interferencją w trybie wspólnym.
Dodatkowo sygnały zakłóceń zewnętrznym, które docierają do urządzeń z naturalnego środowiska, są zazwyczaj w trybie wspólnym, ponieważ ich powstawanie jest niemal zawsze związane z Ziemią (masą). Co więcej, gdy zakłócenia w trybie wspólnym dostaną się do obwodu, mogą one również zostać przekształcone w zakłócenia w trybie różnicowym przy różnych warunkach i wpływach elementów, co może bezpośrednio i negatywnie wpłynąć na działanie obwodu.
W urządzeniach elektronicznych lub obwodach zasilania konieczne jest rozważenie i zastosowanie środków zaradczych zarówno dla zakłóceń w trybie wspólnym, jak i różnicowym, które są całkowicie różne pod względem natury.
2- Środki zaradcze przeciwko zakłóceniom elektromagnetycznym
Z punktu widzenia propagacji sygnału zakłóceń, zakłócenia można ogólnie podzielić na przewodzone i wypromieniowane. Z punktu widzenia typów sygnałów zakłóceń, dzielą się one na zakłócenia w trybie wspólnym i zakłócenia w trybie różnicowym. Istnieją dwa główne podejścia do tłumienia sygnałów zakłóceń:
① Zapobieganie powstawaniu sygnałów zakłóceń.
② Blokowanie, pochłanianie lub eliminowanie propagacji sygnałów zakłóceń.
Nowoczesne urządzenia elektroniczne wykorzystują głównie zasilacze impulsowe i technologie cyfrowe. Urządzenia stosujące te technologie nieuchronnie generują sygnały zakłóceń, których trudno ograniczyć jedynie dzięki ulepszeniom technologicznym. Obecnie większość rozwiązań koncentruje się na blokowaniu lub łagodzeniu propagacji sygnałów zakłóceń.
2.1 Wykorzystywanie elementów pasywnych do blokowania (pochłaniania lub eliminowania) przewodzenia sygnałów zakłóceń, na przykład poprzez łączenie dławików przeciwzwarciowych, dławików różnicy potencjałów, kondensatorów X oraz kondensatorów Y w celu tłumienia zakłóceń przewodzonych.
2.2 Wykorzystywanie dławików zasilających z koralikami ferrytowymi lub strukturami ekranowania magnetycznego w celu zapobiegania zewnętrznemu rozprzestrzenianiu się zakłóceń promieniowanych.
W celu ograniczenia przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych Codaca oferta obejmuje serię dławików przeciwzwarciowych dla linii sygnałowych (seria SPRHS, seria CSTP, seria VSTCB itd.), dławiki przeciwzwarciowe dla linii zasilających (seria TCB, seria SQH, seria TCMB), oraz dławiki różnicy potencjałów (seria SPRH, seria PRD i inne dławiki zasilające, które mogą być stosowane jako dławiki różnicy potencjałów). Te dławiki przeciwzwarciowe i różnicy potencjałów pomagają urządzeniom elektronicznym wytrzymać zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, a także zapobiegają emisji zakłóceń elektromagnetycznych generowanych wewnętrznie.
Skuteczność tłumienia zakłóceń jest ściśle związana z impedancją dławika. Aby uzyskać szczegółowe informacje, zapoznaj się z poniższymi tabelami specyfikacji oraz wykresami charakterystyk częstotliwościowych.
Tabela 1: Charakterystyka dławików przeciwzakłóceniowych Codaca Tabela
Uwaga: W tej tabeli przedstawiono tylko wybrane modele dławików. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź oficjalną stronę internetową firmy Codaca.
Rysunek 9: Wykres charakterystyki impedancji w funkcji częstotliwości dla dławików przeciwzakłóceniowych linii sygnałowej
Rysunek 10: Wykres charakterystyki impedancji w funkcji częstotliwości dla dławików przeciwzakłóceniowych linii zasilającej
W celu ograniczenia promieniowanych zakłóceń elektromagnetycznych można stosować ferrytowe koraliki przesuwne. W niektórych obwodach wysokiej częstotliwości, takich jak obwody RF i generatorów, konieczne jest dodanie koralika ferrytowego w sekcji wejścia zasilania. Codaca oferuje serię koralików ferrytowych, takich jak serie RHD, RHV, SMB i UUN.
Tabela 2: Tabela charakterystyk koralików ferrytowych
Uwaga: W tej tabeli przedstawiono tylko wybrane modele. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź oficjalną stronę internetową firmy Codaca.
Jak wspomniano wcześniej, magnetycznie ekranowane cewki mogą również blokować rozprzestrzenianie się zakłóceń promieniowanych. W przypadku zakłóceń promieniowanych firma Codaca oferuje serię komponentów magnetycznie ekranowanych, w tym cewki laminowane, cewki wysokoprądowe, cewki do wzmacniaczy cyfrowych oraz cewki typu chip. Cewki te mogą być stosowane w liniach zasilania zasilaczy impulsowych. Struktura ekranowania magnetycznego skutecznie zapobiega promieniowaniu na zewnątrz zakłóceń generowanych przez cewkę, a także chroni cewkę przed zewnętrznymi zakłóceniami promieniowanymi. Takie ekranowane cewki są również wykorzystywane w rozwiązaniach eliminujących zakłócenia trybu różnicowego w liniach sygnałowych i zasilających.
Tabela 3: Tabela charakterystyk cewek z ekranowaniem magnetycznym
Uwaga: W tej tabeli przedstawiono tylko wybrane modele. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź oficjalną stronę internetową firmy Codaca.
Rysunek 11: Krzywe przyrostu temperatury i prądu nasycenia, charakterystyki indukcyjności-częstotliwości oraz impedancji-częstotliwości dla VSHB0421-4R7MC
3 - Wnioski
Z powodu rosnącej integracji i złożoności produktów elektronicznych, środowisko EMI/EMC, w którym działają, staje również przed znaczącymi wyzwaniami. Aby pomóc urządzeniom elektronicznym w rozwiązaniu problemów związanych z EMI/EMC, firma Codaca opracowała różne serie standardowych dławiki przeciwzakładowe dla linii sygnałowych , dławik wspólnego trybu linii zasilającej s , dławików trybu różnicowego, perły ferrytowe , oraz różnym odpornych magnetycznie dławików mocy . Inżynierowie mogą wybrać odpowiednie standardowe dławiki trybu wspólnego, dławiki trybu różnicowego lub dławiki mocy firmy Codaca, dostosowane do konkretnych wymagań ich projektu obwodu zasilania.