Zastosowanie koralików magnetycznych w projektowaniu EMC zasilaczy impulsowych
W artykule przedstawiono charakterystykę koralika ferrytowego, pod kątem jego charakterystyki, przeanalizowano i przedstawiono jego ważne zastosowanie w projektowaniu EMC zasilaczy impulsowych, a także przedstawiono wyniki eksperymentów i testów filtra sieciowego.
EMC stało się gorącym i trudnym zagadnieniem w dzisiejszym projektowaniu i produkcji elektroniki. Problem EMC w zastosowaniu praktycznym jest bardzo skomplikowany i nie da się go rozwiązać opierając się na wiedzy teoretycznej. Zależy to bardziej od praktycznego doświadczenia inżynierów elektroników. Aby lepiej rozwiązać problem kompatybilności elektromagnetycznej produktów elektronicznych, należy wziąć pod uwagę takie kwestie, jak uziemienie, konstrukcja obwodów i płytek PCB, konstrukcja kabli i konstrukcja ekranowania.
W artykule przedstawiono podstawowe zasady i właściwości koralików magnetycznych, aby zilustrować ich znaczenie w zakresie EMC zasilaczy impulsowych, aby zapewnić projektantom produktów zasilaczy impulsowych większy wybór lepszych wyborów przy projektowaniu nowych produktów.
1 Ferrytowe elementy tłumiące zakłócenia elektromagnetyczne
Ferryt jest materiałem ferrimagnetycznym o sześciennej strukturze kratowej. Proces produkcji i właściwości mechaniczne są podobne do ceramiki, a kolor jest szaro-czarny. Jednym z typów rdzeni magnetycznych często stosowanych w filtrach EMI jest materiał ferrytowy, a wielu producentów dostarcza materiały ferrytowe specjalnie stosowane do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych. Materiał ten charakteryzuje się bardzo dużymi stratami w zakresie wysokich częstotliwości. W przypadku ferrytu stosowanego do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych najważniejszymi parametrami użytkowymi są przenikalność magnetyczna μ i gęstość strumienia magnetycznego nasycenia Bs. Przepuszczalność magnetyczną μ można wyrazić jako liczbę zespoloną, część rzeczywistą stanowi indukcyjność, a część urojona reprezentuje stratę, która wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości. Dlatego jego równoważnym obwodem jest obwód szeregowy składający się z cewki indukcyjnej L i rezystora R, przy czym zarówno L, jak i R są funkcjami częstotliwości. Kiedy drut przechodzi przez rdzeń ferrytowy, powstająca impedancja indukcyjna zwiększa się wraz ze wzrostem częstotliwości, ale mechanizm jest zupełnie inny przy różnych częstotliwościach.
W paśmie niskich częstotliwości impedancja składa się z reaktancji indukcyjnej cewki indukcyjnej. Przy niskich częstotliwościach R jest bardzo małe, a przenikalność magnetyczna rdzenia magnetycznego jest wysoka, więc indukcyjność jest duża, a L odgrywa główną rolę, a zakłócenia elektromagnetyczne są odbijane i tłumione; i w tym momencie strata rdzenia magnetycznego jest niewielka, a całe urządzenie jest cewką indukcyjną o niskiej stracie i wysokiej charakterystyce Q.
W paśmie wysokich częstotliwości impedancja składa się ze składowych rezystancji. Wraz ze wzrostem częstotliwości przenikalność magnetyczna rdzenia magnetycznego maleje, co powoduje zmniejszenie indukcyjności cewki i zmniejszenie składowej reaktancji indukcyjnej. Jednak w tym momencie wzrasta strata rdzenia magnetycznego i zwiększa się składowa rezystancji, co powoduje wzrost całkowitej impedancji. Kiedy sygnał o wysokiej częstotliwości przechodzi przez ferryt, zakłócenia elektromagnetyczne są pochłaniane i rozpraszane w postaci energii cieplnej.
Komponenty tłumiące ferryt są szeroko stosowane na płytkach drukowanych, liniach energetycznych i liniach danych. Jeśli na wlocie przewodu zasilającego płytki drukowanej zostanie dodany element tłumiący ferryt, można odfiltrować zakłócenia o wysokiej częstotliwości. Ferrytowe pierścienie magnetyczne lub kulki magnetyczne są specjalnie stosowane do tłumienia zakłóceń o wysokiej częstotliwości i zakłóceń impulsowych w liniach sygnałowych i energetycznych. Posiada również zdolność pochłaniania zakłóceń impulsowych wyładowań elektrostatycznych.
2. Zasada i charakterystyka kulek magnetycznych Gdy prąd przepływa przez drut w jego centralnym otworze, będzie to ścieżka magnetyczna krążąca wewnątrz kulki magnetycznej. Ferryty do kontroli zakłóceń elektromagnetycznych powinny być formułowane w taki sposób, aby większość strumienia magnetycznego była rozpraszana w materiale w postaci ciepła. Zjawisko to można modelować poprzez szeregowe połączenie cewki indukcyjnej i rezystora. jak pokazano na rysunku 2
Wartość liczbowa obu składników jest proporcjonalna do długości kulki magnetycznej, a długość kulki magnetycznej ma znaczący wpływ na efekt tłumienia. Im dłuższa długość kulki magnetycznej, tym lepszy efekt tłumienia. Ponieważ energia sygnału jest magnetycznie połączona z kulką magnetyczną, reaktancja i rezystancja cewki indukcyjnej rosną wraz ze wzrostem częstotliwości. Skuteczność sprzężenia magnetycznego zależy od przenikalności magnetycznej materiału kulki względem powietrza. Zwykle utratę materiału ferrytowego tworzącego kulkę można wyrazić jako wielkość zespoloną na podstawie jej przepuszczalności w stosunku do powietrza.
Materiały magnetyczne często wykorzystują ten stosunek do scharakteryzowania kąta strat. W przypadku komponentów tłumiących zakłócenia elektromagnetyczne wymagany jest duży kąt strat, co oznacza, że większość zakłóceń zostanie rozproszona, a nie odbita. Szeroka gama dostępnych obecnie materiałów ferrytowych zapewnia projektantom szeroką gamę opcji wykorzystania koralików ferrytowych w różnych zastosowaniach.
3 Zastosowanie koralików magnetycznych
3.1 Tłumik kolców
Największą wadą zasilaczy impulsowych jest łatwość generowania szumów i zakłóceń, co jest kluczowym problemem technicznym, który od dawna nęka zasilacze impulsowe. Hałas zasilacza impulsowego jest powodowany głównie przez szybko zmieniający się wysokonapięciowy prąd przełączający i impulsowy zwarciowy lampy zasilacza impulsowego i diody prostownika przełączającego. Dlatego stosowanie skutecznych komponentów w celu ograniczenia ich do minimum jest jedną z głównych metod tłumienia hałasu. Do tłumienia szczytowego prądu odzyskiwania zwrotnego stosuje się zwykle nieliniową indukcyjność nasyconą. W tym czasie stan roboczy żelaznego rdzenia wynosi od -Bs do plus Bs. Zgodnie z konsekwencją wysokiej przenikalności magnetycznej i nasycanych bardzo małych elementów indukcyjnych - kulek magnetycznych na diodzie jednokierunkowej zasilacza impulsowego, opracowano tłumik skoków stosowany do tłumienia prądu szczytowego generowanego podczas przełączania zasilacza impulsowego.
Charakterystyka działania tłumików kolców
(1) Wartości indukcyjności początkowej i maksymalnej są bardzo duże, a nieliniowość wartości indukcyjności resztkowej po nasyceniu jest wyjątkowo nieoczywista. Po włączeniu szeregowym do obwodu prąd wzrasta i natychmiast wykazuje wysoką impedancję, co można wykorzystać jako tzw. element impedancji chwilowej.
(2) Nadaje się do zapobiegania szczytowemu sygnałowi prądu przejściowego w obwodzie półprzewodnika, obwodzie wzbudzenia uderzenia i towarzyszącym temu szumowi, a także może zapobiegać uszkodzeniu półprzewodnika.
(3) Indukcyjność resztkowa jest bardzo mała, a straty są bardzo małe, gdy obwód jest stabilny.
(4) Zupełnie różni się od wydajności produktów ferrytowych.
(5) O ile unika się nasycenia magnetycznego, można go stosować jako bardzo mały element indukcyjny o wysokiej indukcyjności.
(6) Może być stosowany jako wysokowydajny nasycany rdzeń żelazny z niskimi stratami w celu kontrolowania i generowania oscylacji.
Tłumik kolców wymaga, aby żelazny rdzeń miał wyższą przenikalność magnetyczną, aby uzyskać większą indukcyjność; gdy wysoki stosunek kwadratowy może nasycić żelazny rdzeń, indukcyjność powinna szybko spaść do zera; siła przymusu jest niewielka, a strata wysokiej częstotliwości jest niska, w przeciwnym razie rozpraszanie ciepła przez żelazny rdzeń nie będzie działać normalnie.
Celem tłumika skoków jest głównie redukcja aktualnego sygnału szczytowego; zmniejszyć szum powodowany przez bieżący sygnał szczytowy; zapobiec uszkodzeniu tranzystora przełączającego; zmniejszyć straty przełączania tranzystora przełączającego; kompensować charakterystykę odzyskiwania diody; zapobiegają wzbudzeniu prądem impulsowym o wysokiej częstotliwości. Używaj jako bardzo małego filtra liniowego itp.
3.2 Aplikacja w filtrze a) Wynik testu bez kulek magnetycznych b) Wynik testu z kulkami magnetycznymi c) Wynik testu z linią L i kulkami magnetycznymi d) Wynik testu z linią N i kulkami magnetycznymi
Zwykłe filtry składają się z bezstratnych elementów reaktywnych. Jego funkcją w obwodzie jest odbijanie częstotliwości pasma zaporowego z powrotem do źródła sygnału, dlatego ten typ filtra nazywany jest również filtrem odbiciowym. Gdy filtr odbiciowy nie jest dopasowany do impedancji źródła sygnału, część energii zostanie odbita z powrotem do źródła sygnału, co spowoduje wzrost poziomu zakłóceń. Aby rozwiązać tę wadę, na linii wejściowej filtra można zastosować ferrytowy pierścień magnetyczny lub tuleję z kulką magnetyczną, a stratę prądu wirowego sygnału o wysokiej częstotliwości przez pierścień ferrytowy lub kulkę magnetyczną można wykorzystać do konwersji wysokiej częstotliwości -częstotliwość na straty ciepła. Dlatego pierścień magnetyczny i kulki magnetyczne w rzeczywistości pochłaniają składniki o wysokiej częstotliwości, dlatego czasami nazywane są filtrami absorpcyjnymi.
Różne komponenty tłumiące ferryt mają różne optymalne zakresy częstotliwości tłumienia. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa przepuszczalność, tym niższa tłumiona częstotliwość. Ponadto im większa objętość ferrytu, tym lepszy efekt tłumienia. Gdy objętość jest stała, długi i cienki kształt ma lepszy efekt tłumienia niż krótki i gruby, a im mniejsza średnica wewnętrzna, tym lepszy efekt tłumienia. Jednakże w przypadku prądu polaryzacji DC lub AC nadal występuje problem nasycenia ferrytu. Im większy przekrój elementu tłumiącego, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że zostanie on nasycony i tym większy prąd polaryzacji może wytrzymać.
Opierając się na powyższych zasadach i właściwościach kulek magnetycznych, nakłada się je na filtr zasilacza impulsowego, a efekt jest oczywisty. Z wyników badań wynika, że zastosowanie kulek magnetycznych znacznie się różni. Z wyników eksperymentów wynika, że ze względu na wpływ obwodu zasilacza impulsowego, układu strukturalnego i mocy, czasami ma dobry efekt tłumienia zakłóceń w trybie różnicowym, czasami ma dobry efekt tłumienia zakłóceń w trybie wspólnym, a czasami nie ma to wpływu na tłumienie zakłóceń, ale zwiększa zakłócenia w postaci hałasu.
Kiedy pierścień magnetyczny/koralica magnetyczna pochłaniająca EMI tłumi zakłócenia w trybie różnicowym, wartość prądu przepływającego przez niego jest proporcjonalna do jego objętości, a brak równowagi między nimi powoduje nasycenie, co zmniejsza wydajność komponentu; podczas tłumienia zakłóceń w trybie wspólnym dwa przewody (dodatni i ujemny) zasilacza przechodzą jednocześnie przez pierścień magnetyczny, a skutecznym sygnałem jest sygnał w trybie różnicowym. Inną lepszą metodą wykorzystania pierścienia magnetycznego jest kilkukrotne nawinięcie drutu przechodzącego przez pierścień magnetyczny w celu zwiększenia indukcyjności. Zgodnie z zasadą tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych, jego efekt tłumienia można rozsądnie wykorzystać.
Elementy tłumiące ferryt powinny być instalowane blisko źródła zakłóceń. W przypadku obwodu wejściowego/wyjściowego powinien on znajdować się jak najbliżej wlotu i wylotu obudowy ekranującej. W przypadku filtra absorpcyjnego składającego się z ferrytowego pierścienia magnetycznego i kulek magnetycznych, oprócz wyboru materiałów stratnych o dużej przenikalności magnetycznej, należy również zwrócić uwagę na okazje jego zastosowania. Ich rezystancja wobec elementów o wysokiej częstotliwości w linii wynosi około dziesięciu do setek Ω, więc ich rola w obwodach o wysokiej impedancji nie jest oczywista. Wręcz przeciwnie, będzie bardzo skuteczny w obwodach o niskiej impedancji (takich jak obwody dystrybucji energii, zasilania lub obwody częstotliwości radiowej).
