Εφαρμογή μαγνητικών σφαιριδίων στο σχέδιο ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας μεταγωγικού τροφοδοτικού
Αυτή η εργασία εισάγει τα χαρακτηριστικά του σφαιριδίου φερρίτη, και σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά του, αναλύει και εισάγει τη σημαντική εφαρμογή του στο σχεδιασμό ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας της τροφοδοσίας μεταγωγής και δίνει τα πειραματικά και δοκιμαστικά αποτελέσματα στο φίλτρο γραμμής ισχύος.
Το EMC έχει γίνει ένα καυτό και δύσκολο ζήτημα στη σημερινή ηλεκτρονική σχεδίαση και κατασκευή. Το πρόβλημα της ΗΜΣ στην πρακτική εφαρμογή είναι πολύ περίπλοκο και δεν μπορεί να λυθεί με βάση τη θεωρητική γνώση. Εξαρτάται περισσότερο από την πρακτική εμπειρία των ηλεκτρονικών μηχανικών. Προκειμένου να λυθεί καλύτερα το πρόβλημα της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας ηλεκτρονικών προϊόντων, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη ζητήματα όπως η γείωση, ο σχεδιασμός της πλακέτας κυκλώματος και PCB, ο σχεδιασμός καλωδίων και ο σχεδιασμός θωράκισης.
Αυτό το άρθρο εισάγει τις βασικές αρχές και τα χαρακτηριστικά των μαγνητικών σφαιριδίων για να καταδείξει τη σημασία τους στη μεταγωγή τροφοδοτικού EMC, προκειμένου να παρέχει στους σχεδιαστές προϊόντων τροφοδοσίας μεταγωγής περισσότερες και καλύτερες επιλογές κατά το σχεδιασμό νέων προϊόντων.
1 Εξαρτήματα καταστολής EMI φερρίτη
Ο φερρίτης είναι ένα σιδηρομαγνητικό υλικό με δομή κυβικού πλέγματος. Η διαδικασία κατασκευής του και οι μηχανικές του ιδιότητες είναι παρόμοιες με εκείνες των κεραμικών και το χρώμα του είναι γκρι-μαύρο. Ένας τύπος μαγνητικού πυρήνα που χρησιμοποιείται συχνά στα φίλτρα EMI είναι το υλικό φερρίτη και πολλοί κατασκευαστές παρέχουν υλικά φερρίτη που χρησιμοποιούνται ειδικά για την καταστολή του EMI. Αυτό το υλικό χαρακτηρίζεται από πολύ μεγάλες απώλειες υψηλής συχνότητας. Για τον φερρίτη που χρησιμοποιείται για την καταστολή ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών, οι πιο σημαντικές παράμετροι απόδοσης είναι η μαγνητική διαπερατότητα μ και η πυκνότητα μαγνητικής ροής κορεσμού Bs. Η μαγνητική διαπερατότητα μ μπορεί να εκφραστεί ως μιγαδικός αριθμός, το πραγματικό μέρος αποτελεί την επαγωγή και το φανταστικό μέρος αντιπροσωπεύει την απώλεια, η οποία αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας. Επομένως, το ισοδύναμο κύκλωμα του είναι ένα κύκλωμα σειράς που αποτελείται από έναν επαγωγέα L και έναν αντιστάτη R, και το L και το R είναι συναρτήσεις συχνότητας. Όταν το σύρμα διέρχεται από αυτόν τον πυρήνα φερρίτη, η σχηματιζόμενη επαγωγική αντίσταση αυξάνεται σε μορφή καθώς αυξάνεται η συχνότητα, αλλά ο μηχανισμός είναι εντελώς διαφορετικός σε διαφορετικές συχνότητες.
Στη ζώνη χαμηλής συχνότητας, η σύνθετη αντίσταση αποτελείται από την επαγωγική αντίδραση του επαγωγέα. Σε χαμηλές συχνότητες, το R είναι πολύ μικρό και η μαγνητική διαπερατότητα του μαγνητικού πυρήνα είναι υψηλή, επομένως η επαγωγή είναι μεγάλη και το L παίζει σημαντικό ρόλο και η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή αντανακλάται και καταστέλλεται. και αυτή τη στιγμή, η απώλεια του μαγνητικού πυρήνα είναι μικρή και ολόκληρη η συσκευή είναι ένας επαγωγέας με χαμηλή απώλεια και υψηλά χαρακτηριστικά Q.
Στη ζώνη υψηλής συχνότητας, η σύνθετη αντίσταση αποτελείται από στοιχεία αντίστασης. Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, η μαγνητική διαπερατότητα του μαγνητικού πυρήνα μειώνεται, με αποτέλεσμα τη μείωση της επαγωγής του επαγωγέα και τη μείωση της συνιστώσας επαγωγικής αντίδρασης. Ωστόσο, αυτή τη στιγμή, η απώλεια του μαγνητικού πυρήνα αυξάνεται και το στοιχείο αντίστασης αυξάνεται, με αποτέλεσμα την αύξηση της συνολικής αντίστασης. Όταν το σήμα υψηλής συχνότητας διέρχεται από τον φερρίτη, η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή απορροφάται και διαχέεται με τη μορφή θερμικής ενέργειας.
Τα εξαρτήματα καταστολής φερρίτη χρησιμοποιούνται ευρέως σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων, ηλεκτρικές γραμμές και γραμμές δεδομένων. Εάν προστεθεί ένα στοιχείο καταστολής φερρίτη στο άκρο εισόδου της γραμμής ισχύος της τυπωμένης πλακέτας, οι παρεμβολές υψηλής συχνότητας μπορούν να φιλτραριστούν. Οι μαγνητικοί δακτύλιοι φερρίτη ή τα μαγνητικά σφαιρίδια χρησιμοποιούνται ειδικά για την καταστολή των παρεμβολών υψηλής συχνότητας και των παρεμβολών αιχμής σε γραμμές σήματος και ηλεκτροφόρα καλώδια. Έχει επίσης την ικανότητα να απορροφά παρεμβολές παλμών ηλεκτροστατικής εκφόρτισης.
2. Η αρχή και τα χαρακτηριστικά των μαγνητικών σφαιριδίων Όταν το ρεύμα ρέει μέσω του σύρματος στην κεντρική του οπή, θα είναι μια μαγνητική τροχιά που κυκλοφορεί μέσα στο μαγνητικό σφαιρίδιο. Οι φερρίτες για τον έλεγχο EMI θα πρέπει να διαμορφώνονται έτσι ώστε το μεγαλύτερο μέρος της μαγνητικής ροής να διαχέεται ως θερμότητα στο υλικό. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να μοντελοποιηθεί με έναν σειριακό συνδυασμό ενός επαγωγέα και μιας αντίστασης. όπως φαίνεται στην εικόνα 2
Η αριθμητική τιμή των δύο συστατικών είναι ανάλογη με το μήκος του μαγνητικού σφαιριδίου και το μήκος του μαγνητικού σφαιριδίου έχει σημαντικό αντίκτυπο στο φαινόμενο καταστολής. Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του μαγνητικού σφαιριδίου, τόσο καλύτερο είναι το αποτέλεσμα καταστολής. Εφόσον η ενέργεια του σήματος συνδέεται μαγνητικά με το μαγνητικό σφαιρίδιο, η αντίσταση και η αντίσταση του επαγωγέα αυξάνονται με την αύξηση της συχνότητας. Η απόδοση της μαγνητικής σύζευξης εξαρτάται από τη μαγνητική διαπερατότητα του υλικού του σφαιριδίου σε σχέση με τον αέρα. Συνήθως η απώλεια του υλικού φερρίτη που αποτελεί το σφαιρίδιο μπορεί να εκφραστεί ως σύνθετη ποσότητα μέσω της διαπερατότητάς του σε σχέση με τον αέρα.
Τα μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούν συχνά αυτή την αναλογία για να χαρακτηρίσουν τη γωνία απώλειας. Απαιτείται μεγάλη γωνία απώλειας για τα εξαρτήματα καταστολής EMI, πράγμα που σημαίνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της παρεμβολής θα εξαλειφθεί και δεν θα αντανακλάται. Η μεγάλη ποικιλία υλικών φερρίτη που διατίθενται σήμερα παρέχει στους σχεδιαστές ένα ευρύ φάσμα επιλογών για τη χρήση σφαιριδίων φερρίτη σε διαφορετικές εφαρμογές.
3 Εφαρμογή μαγνητικών σφαιριδίων
3.1 Καταστολέας ακίδων
Το μεγαλύτερο μειονέκτημα της τροφοδοσίας μεταγωγής είναι ότι είναι εύκολο να δημιουργήσει θόρυβο και παρεμβολές, το οποίο είναι ένα βασικό τεχνικό πρόβλημα που ταλαιπωρεί την τροφοδοσία μεταγωγής για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ο θόρυβος της τροφοδοσίας μεταγωγής προκαλείται κυρίως από τη γρήγορη εναλλαγή υψηλής τάσης και το ρεύμα βραχυκυκλώματος παλμού του σωλήνα ισχύος μεταγωγής και της διόδου ανορθωτή μεταγωγής. Επομένως, η χρήση αποτελεσματικών εξαρτημάτων για τον περιορισμό τους στο ελάχιστο είναι μία από τις κύριες μεθόδους καταστολής του θορύβου. Η μη γραμμική κορεσμένη επαγωγή χρησιμοποιείται συνήθως για την καταστολή της κορυφής του ρεύματος ανάστροφης ανάκτησης, αυτή τη στιγμή η κατάσταση λειτουργίας του πυρήνα του σιδήρου είναι από -Bs σε συν Bs. Σύμφωνα με τη συνοχή της υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας και των κορεσμένων εξαιρετικά μικρών στοιχείων επαγωγής-μαγνητικά σφαιρίδια στη δίοδο ελεύθερου τροχού του τροφοδοτικού μεταγωγής, αναπτύσσεται ένας καταστολέας ακίδων που χρησιμοποιείται για την καταστολή του ρεύματος αιχμής που παράγεται κατά την ενεργοποίηση της τροφοδοσίας μεταγωγής.
Χαρακτηριστικά απόδοσης των καταστολέων ακίδων
(1) Οι αρχικές και οι μέγιστες τιμές επαγωγής είναι πολύ υψηλές και η μη γραμμικότητα της υπολειπόμενης τιμής επαγωγής μετά τον κορεσμό είναι εξαιρετικά αφανής. Αφού συνδεθεί σε σειρά στο κύκλωμα, το ρεύμα ανεβαίνει και εμφανίζει υψηλή σύνθετη αντίσταση αμέσως, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα λεγόμενο στοιχείο στιγμιαίας σύνθετης αντίστασης.
(2) Είναι κατάλληλο για την πρόληψη του σήματος αιχμής του μεταβατικού ρεύματος στο κύκλωμα ημιαγωγών, του κυκλώματος διέγερσης κρούσης και του συνοδευτικού θορύβου και μπορεί επίσης να αποτρέψει την καταστροφή του ημιαγωγού.
(3) Η υπολειπόμενη αυτεπαγωγή είναι εξαιρετικά μικρή και η απώλεια είναι πολύ μικρή όταν το κύκλωμα είναι σταθερό.
(4) Είναι εντελώς διαφορετικό από την απόδοση των προϊόντων φερρίτη.
(5) Εφόσον αποφεύγεται ο μαγνητικός κορεσμός, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εξαιρετικά μικρό στοιχείο επαγωγής υψηλής επαγωγής.
(6) Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κορεσμένος πυρήνας σιδήρου υψηλής απόδοσης με χαμηλή απώλεια για έλεγχο και δημιουργία ταλάντωσης.
Ο καταστολέας ακίδων απαιτεί το υλικό του πυρήνα του σιδήρου να έχει υψηλότερη μαγνητική διαπερατότητα για να αποκτήσει μεγαλύτερη αυτεπαγωγή. Όταν η υψηλή αναλογία τετραγώνων μπορεί να κορεστεί τον πυρήνα του σιδήρου, η αυτεπαγωγή πρέπει να πέσει γρήγορα στο μηδέν. η δύναμη καταναγκασμού είναι μικρή και η απώλεια υψηλής συχνότητας είναι χαμηλή, διαφορετικά η απαγωγή θερμότητας του πυρήνα σιδήρου δεν θα λειτουργήσει κανονικά.
Ο σκοπός του καταστολέα ακίδων είναι κυρίως να μειώσει το τρέχον σήμα αιχμής. μειώστε τον θόρυβο που προκαλείται από το τρέχον σήμα αιχμής. αποτρέψτε τη ζημιά του τρανζίστορ μεταγωγής. μειώστε την απώλεια μεταγωγής του τρανζίστορ μεταγωγής. αντιστάθμιση των χαρακτηριστικών ανάκτησης της διόδου. αποτρέψτε τη διέγερση κλονισμού παλμικού ρεύματος υψηλής συχνότητας. Χρησιμοποιήστε το ως εξαιρετικά μικρό φίλτρο γραμμής κ.λπ.
3.2 Εφαρμογή σε φίλτρο α) Αποτέλεσμα δοκιμής χωρίς μαγνητικά σφαιρίδια β) Αποτέλεσμα δοκιμής με μαγνητικά σφαιρίδια γ) Αποτέλεσμα δοκιμής με γραμμή L και μαγνητικά σφαιρίδια δ) Αποτέλεσμα δοκιμής με γραμμή Ν και μαγνητικά σφαιρίδια
Τα συνηθισμένα φίλτρα αποτελούνται από αντιδρώντα συστατικά χωρίς απώλειες. Η λειτουργία του στο κύκλωμα είναι να αντανακλά τη συχνότητα της ζώνης διακοπής πίσω στην πηγή σήματος, επομένως αυτός ο τύπος φίλτρου ονομάζεται επίσης φίλτρο ανάκλασης. Όταν το φίλτρο ανάκλασης δεν ταιριάζει με την αντίσταση της πηγής σήματος, μέρος της ενέργειας θα ανακλάται πίσω στην πηγή σήματος, με αποτέλεσμα την αύξηση του επιπέδου παρεμβολής. Προκειμένου να λυθεί αυτό το μειονέκτημα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μαγνητικός δακτύλιος φερρίτη ή χιτώνιο μαγνητικής χάντρα στην εισερχόμενη γραμμή του φίλτρου και η απώλεια δινορευμάτων του σήματος υψηλής συχνότητας από τον δακτύλιο φερρίτη ή το μαγνητικό σφαιρίδιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή της υψηλής - συστατικό συχνότητας στην απώλεια θερμότητας. Επομένως, ο μαγνητικός δακτύλιος και τα μαγνητικά σφαιρίδια απορροφούν στην πραγματικότητα συστατικά υψηλής συχνότητας, επομένως μερικές φορές ονομάζονται φίλτρα απορρόφησης.
Διαφορετικά εξαρτήματα καταστολής φερρίτη έχουν διαφορετικά εύρη βέλτιστων συχνοτήτων καταστολής. Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η διαπερατότητα, τόσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα που καταστέλλεται. Επιπλέον, όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του φερρίτη, τόσο καλύτερο είναι το αποτέλεσμα καταστολής. Όταν ο όγκος είναι σταθερός, το μακρύ και λεπτό σχήμα έχει καλύτερο αποτέλεσμα καταστολής από το κοντό και το παχύ και όσο μικρότερη είναι η εσωτερική διάμετρος, τόσο καλύτερο είναι το αποτέλεσμα καταστολής. Ωστόσο, στην περίπτωση ρεύματος πόλωσης DC ή AC, εξακολουθεί να υπάρχει το πρόβλημα του κορεσμού του φερρίτη. Όσο μεγαλύτερη είναι η διατομή του στοιχείου καταστολής, τόσο λιγότερο πιθανό είναι να κορεσθεί και τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα πόλωσης που μπορεί να αντέξει.
Με βάση τις παραπάνω αρχές και τα χαρακτηριστικά των μαγνητικών σφαιριδίων, εφαρμόζεται στο φίλτρο της τροφοδοσίας μεταγωγής και το αποτέλεσμα είναι προφανές. Από τα αποτελέσματα των δοκιμών, μπορεί να φανεί ότι η εφαρμογή των μαγνητικών σφαιριδίων είναι σημαντικά διαφορετική. Μπορεί να φανεί από τα πειραματικά αποτελέσματα ότι λόγω της επίδρασης του κυκλώματος τροφοδοσίας μεταγωγής, της δομικής διάταξης και της ισχύος, μερικές φορές έχει καλό αποτέλεσμα καταστολής στις παρεμβολές διαφορικού τρόπου λειτουργίας, μερικές φορές έχει καλό αποτέλεσμα καταστολής στις παρεμβολές κοινού τρόπου λειτουργίας, και μερικές φορές δεν έχει επίδραση καταστολής στις παρεμβολές αλλά αυξάνει την παρεμβολή θορύβου.
Όταν ο απορροφητικός μαγνητικός δακτύλιος/μαγνητικό σφαιρίδιο EMI καταστέλλει την παρεμβολή διαφορικού τρόπου λειτουργίας, η τιμή ρεύματος που διέρχεται από αυτόν είναι ανάλογη με τον όγκο του και η ανισορροπία μεταξύ των δύο προκαλεί κορεσμό, ο οποίος μειώνει την απόδοση του εξαρτήματος. κατά την καταστολή παρεμβολών κοινής λειτουργίας, τα δύο καλώδια (θετικό και αρνητικό) της τροφοδοσίας ρεύματος περνούν ταυτόχρονα από έναν μαγνητικό δακτύλιο και το ενεργό σήμα είναι ένα σήμα διαφορικής λειτουργίας. Μια άλλη καλύτερη μέθοδος στη χρήση του μαγνητικού δακτυλίου είναι να τυλίγεται επανειλημμένα το σύρμα που διέρχεται από τον μαγνητικό δακτύλιο πολλές φορές για να αυξηθεί η επαγωγή. Σύμφωνα με την αρχή καταστολής της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής, το αποτέλεσμα καταστολής του μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύλογα.
Τα εξαρτήματα καταστολής φερρίτη θα πρέπει να τοποθετούνται κοντά στην πηγή παρεμβολής. Για το κύκλωμα εισόδου/εξόδου, θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στην είσοδο και την έξοδο της θήκης θωράκισης. Για το φίλτρο απορρόφησης που αποτελείται από μαγνητικό δακτύλιο φερρίτη και μαγνητικά σφαιρίδια, εκτός από την επιλογή υλικών με απώλειες με υψηλή μαγνητική διαπερατότητα, πρέπει να δοθεί προσοχή και στις περιπτώσεις εφαρμογής του. Η αντίστασή τους σε εξαρτήματα υψηλής συχνότητας στη γραμμή είναι περίπου δέκα έως εκατοντάδες Ω, επομένως ο ρόλος του στα κυκλώματα υψηλής σύνθετης αντίστασης δεν είναι προφανής. Αντίθετα, θα είναι πολύ αποτελεσματικό σε κυκλώματα χαμηλής σύνθετης αντίστασης (όπως κυκλώματα διανομής ρεύματος, τροφοδοσίας ή ραδιοσυχνοτήτων).
