Фильтр синфазных помех: Расчет фильтра синфазной помехи источников питания для ШИМ

Содержание

Фильтры синфазных помех TDK | «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория»

Корпорация TDK представляет новую серию синфазных фильтров ACP3225, обладающих улучшенными характеристиками и более компактным размером по сравнению с существующими изделиями. Основными преимуществами новой серии являются высокое значение Idc (до 1.2А) и импеданса (до 1000 Ом). Эти показатели превышают аналогичные значение тока и импеданса серии ACV4332 на 20% и 25% соответственно.

Производимая в корпусе 3225 (3.2*2.5*2.3 мм) серия ACP3225 является оптимальным решением для применения в источниках питания для компактных устройств. Ее массовое производство началось в апреле 2012 года. В настоящее время основными тенденциями в электронике являются миниатюризация устройств и увеличение их функционала. Кроме того, существует тенденция к увеличению срока их эксплуатации, причем зачастую под большой нагрузкой с большим уровнем помех.

Как результат, требования к электромагнитной совместимости подобных устройств чрезвычайно высоки. Достижение столь высоких характеристик у фильтров серии ACP3225 стало возможным благодаря применению новых ферритовых материалов TDK и совершенствованию производственных процессов. Сердечники фильтров ACP3225 изготовлены из ферритового материала с крайне низким уровнем потерь, что совместно с оптимизацией технологии автоматической намотки позволило добиться компактного размера компонентов.

Основное применение компонентов ACP3225:

  • Синфазный фильтр в источниках питания компактных устройств

  • Основные характеристики компонентов ACP3225:
    Серийный номер ACP3225-102-2P
    Импеданс на 100 MHz[Ω]
    1,000±25 %
    Ток DC IDC [A] 1. 2
    Напряжение DC VDC [V] 60
    Сопротивление изоляции [MΩ] 10 (min.)
    Размер [мм] 3.2 x 2.5 x 2.3

     

    The virtual drink — LiveJournal

    Первичная цепь схемы питания «Арктур-006» содержит все необходимое: предохранитель, выключатель, и даже пламегаситель. Но в условиях, когда совершенно нечем заняться, приходится придумывать новые технологии убивания времени. Один из вариантов – решение несуществующих задач.

    Одним из дополнений схемы первичной цепи может служить сетевой фильтр. Анализ фирменных проигрывателей показал, что такой фильтр иногда ставят. Ниже приведено фото сетевого фильтра прекрасного современного проигрывателя Pioneer PLX-1000 (около 900$):

    А вот фильтр замечательного проигрывателя Audio-Technica AT-LP1240 USB (около 600$), плата фильтра хоть и перевернута, но ее схема понятна:

    В наши дни сетевые фильтры попадаются на глаза все чаще. Все видели синфазные дроссели на кольцах и П-образном феррите, а также большие прямоугольные конденсаторы ярко-желтого цвета, сплошь покрытые значками сертификации электробезопасности. Фильтр является обязательным фрагментом схемы импульсных источников питания (ИБП).

    Но там фильтр выполняет противоположную задачу – не позволяет помехам, генерируемым ИБП, проникать в сеть. Проектируются эти фильтры таким образом, чтобы ИБП соответствовал нормам по паразитным излучениям. Только так можно пройти сертификацию. Подробное рассмотрение сетевых фильтров для ИБП приводится в книге Sanjaya Maniktala «Switching Power Supplies A–Z». Мне эта тема не очень интересна, так как импульсными источниками стараюсь не заниматься.

    Вообще, фильтр является устройством двунаправленным, помехи со стороны сети он также способен подавлять. Какое подавление на каких частотах требуется от такого фильтра, вопрос сложный. В случае ИБП все проще – есть предельные допустимые уровни излучения, есть конкретный уровень помех, нужно второе уменьшить до уровня первого. А в моем случае неизвестно, каким считать уровень помех в сети. Есть статистические данные спектров помех бытовых приборов (заглавная картинка поста), но эти данные весьма приблизительные и сильно зависят от условий и качества сети. В то время, как фильтры ИБП прежде всего должны подавлять помехи на частоте преобразования и ее гармониках (а это десятки кГц), фильтр для аудио должен быть эффективен и в звуковом диапазоне частот. Весьма сомнительно, что такое реализуемо с использованием стандартных компонентов.

    Сетевые фильтры выпускаются и в виде отдельных устройств и даже бывают встроенные в разъемы сетевого питания.

    Для этих фильтров приводятся характеристики подавления помех в зависимости от частоты. Как правило, сколько-нибудь заметное подавление начинается с частот порядка 10 кГц и выше, а это верхний край звукового диапазона. В середине звукового диапазона подавление таких фильтров близко к нулю.

    С другой стороны, есть масса аудиоустройств с обычными линейными БП, которые не имеют в своем составе никакого фильтра. И все эти устройства нормально работают. Это только среди аудиофилов слышна некоторая истерия по поводу сетевых фильтров, причем оценки влияния фильтра даются порой противоположные. Я же никакого влияния на звук от сетевого фильтра я не ожидаю. Вряд ли он сможет побороть, скажем, щелчки от включения холодильника или настольной галогенной лампы с трансформатором. К тому же, винил — это не тот источник, где сетевые помехи сильно заметны. У самого винила щелчков и шума намного больше, чем помех в сети. Поэтому можно просто подключить сетевой провод к трансформатору через предохранитель и выключатель, как было сделано раньше, и всё. Но с фильтром, вроде, хуже быть не должно. Раз так, фильтр можно сделать. Тем более что усилитель-корректор у меня будет встроенный, качество питания для него важно.

    Как правило, сетевой фильтр предусматривает наличие трехпроводной сети: фаза, нейтраль и защитное заземление (PE). Помехи, с которыми борется сетевой фильтр, делятся на два вида – синфазные и дифференциальные. Синфазные – это когда оба провода сети синхронно меняют потенциал относительно земли (PE). Дифференциальные – это когда меняется потенциал сетевых проводов друг относительно друга. Чтобы добиться фильтрации как синфазной, так и дифференциальной помехи, нужно в каждый из сетевых проводов включить по дросселю, а на выходе установить конденсаторы двух типов – синфазные и дифференциальные. Дифференциальные конденсаторы типично имеют номинал порядка 0.1 мкФ и принадлежат к классу X (Across the Line). При сетевом напряжении 220 В по такому конденсатору будет протекать реактивный ток амплитудой примерно 10 мА. Синфазные конденсаторы принадлежат к классу Y и имеют значительно меньшую емкость (порядка 1…3 нФ). Это связано с ограничениями на величину тока через цепь защитного заземления.

    Ниже показано, как схема фильтра трансформируется при рассмотрении отдельно подавления дифференциальной помехи:

    И отдельно для синфазной помехи:

    Видно, что частота среза для синфазных помех будет намного выше из-за малой допустимой емкости синфазных конденсаторов. К счастью, есть возможность значительно увеличить индуктивность для этой помехи. Для дросселей фильтра должно соблюдаться условие – их сердечник не должен входить в насыщение. Иначе индуктивность резко упадет вместе с фильтрующими способностями. Через дроссели протекает полный ток питания устройства, что не позволяет получить высокую индуктивность при малых габаритах. Но можно изготовить специальный дроссель с двумя одинаковыми обмотками, которые имеют хорошую магнитную связь. Тогда при противоположном направлении рабочего тока в обмотках магнитный поток будет компенсироваться, результирующая индуктивность будет близка к нулю. Но для синфазной помехи направление тока в обмотках будет одинаковым, они будут продолжать работать. Благодаря тому, что подмагничивание сердечника рабочим током теперь отсутствует, в тех же габаритах можно получить намного большую индуктивность. Но для фильтрации дифференциальных помех такой дроссель бесполезен, поэтому в схеме фильтра требуется дополнительный дифференциальный дроссель. Который часто и ставят. Но существуют совмещенные дифференциально-синфазные дроссели. Они также имеют две одинаковых обмотки, но конструктивно сделаны так, что обмотки имеют не полную связь. В результате появляется индуктивность рассеяния, которая эквивалентна последовательному включению дополнительного несвязанного дросселя.

    Как правило, такие дроссели выполнены на П-образном ферритовом сердечнике и имеют несвязанную индуктивность порядка 1…2% от полной. Численно полная индуктивность каждой обмотки может составлять порядка 20…50 мГн, а несвязанная индуктивность – порядка 0.2…1 мГн. Это достаточно много, в большинстве случаев установка дополнительного дифференциального дросселя не требуется.

    Показанный на фото дроссель Murata PLY10AN9920R6R2 имеет индуктивность обмоток около 20 мГн. Но если посмотреть datasheet, то там будет указана индуктивность для синфазной помехи 9.9 мГн. Как было показано на схеме выше, для синфазной помехи обмотки дросселя оказываются включенными параллельно, в результате общая индуктивность уменьшается в 2 раза.

    При рассмотрении отдельно подавления дифференциальной помехи схема с таким дросселем трансформируется следующим образом:

    При рассмотрении отдельно подавления синфазной помехи будет так:

    Поскольку Lc намного больше Ld, частота среза для синфазной и дифференциальной помехи у такого фильтра оказывается примерно одинаковой.

    Для модели можно как явно указать отдельные несвязанные индуктивности, так и рассчитать и задать коэффициент связи (k = 1 – Ls/L). Результат будет один и тот же.

    Чтобы промоделировать фильтр, надо выбрать реальные компоненты и внести их параметры в модель. Под рукой имеются разные дроссели, заимствованные из старых плат ИБП. Поскольку стоит задача получить хорошее подавление помех на как можно более низких частотах, надо выбрать дроссели с самой высокой индуктивностью.

    На первый взгляд, должны быть лучше самые крупные дроссели. Но замеры показали, что у них весьма скромная индуктивность, вся разница только в допустимом токе. Но здесь это роли не играет, так как устройство маломощное. Дроссели на кольцах сразу отпали, число витков там маленькое, индуктивность тоже маленькая. К тому же, это чисто синфазные дроссели, индуктивность рассеяния у них очень низкая, дифференциальной индуктивности почти нет. Самая высокая индуктивность (70 мГн) оказалась у двух маленьких черных дросселей фирмы Matsushita, которые на фото стоят рядом. С ними и решил фильтр промоделировать.

    В результате моделирования получил не очень красивые результаты. Подавление фильтр обеспечивает только выше своей резонансной частоты, т.е. выше 10 кГц. В звуковом диапазоне подавления нет. Но самое неприятное, на резонансной частоте наблюдается многократное увеличение амплитуды помехи. При попытке увеличить эффективность фильтра на низких частотах, резонансная частота сдвигается вниз и попадет как раз в середину звукового диапазона. Возникает вопрос по правильному выбору параметров фильтра именно для аудио.

    На графиках показано выходное напряжение фильтра (зеленый график) при воздействии на вход дифференциальной помехи амплитудой 1 В. Нижний график – то же самое, но только в логарифмическом масштабе по оси Y.

    Фраза «с фильтром хуже не будет» оказалась под сомнением.

    Резонансные явления в фильтре могут стать причиной появления значительных перенапряжений. Специальные фильтрующие конденсаторы класса X на это рассчитаны, но такое же требование будет и для дросселей. Конструктивно довольно трудно сделать для дросселя повышенное пробивное напряжение, поэтому параллельно обмоткам синфазного дросселя на печатной плате обычно добавляют разрядники. Информации по проектированию таких разрядников (Spark Gap) мало, что-то есть в документе ICE3BS02 от Infineon, что-то есть в патентах US 2012/0044599 A1 и US 8345400 B2. Вот фото той же платы ИБП, которая приводилась выше, но с обратной стороны, хорошо видны разрядники:

    Для борьбы с резонансными явлениями в сетевых фильтрах применяется демпфирование. Подробно этот вопрос рассматривается в книге «Fundamentals of Power Electronics», Chapter 10: Input Filter Design, 10. 3.2 Damping the input filter. Можно применить параллельное демпфирование резонанса с помощью RC-цепочки, или последовательное с помощью RL-цепочки. Второй вариант затруднительно реализовать на практике, используя стандартные компоненты. Поэтому выбираю параллельное RC-демпфирование. В статье «Input Filter Design for Switching Power Supplies» (SNVA538) есть упрощенный расчет номиналов демпферной цепочки для оптимального демпфирования. Он дает Cd = 4Cf, Rd = sqrt(Lf/Cf). При моделировании попробовал различные комбинации номиналов. Мне больше понравился результат с цепочкой 470 нФ + 100 Ом (на схеме выше эта цепочка нанесена, с ней получены красные графики, а зеленые получены без нее). Довольно громоздко, конечно, но в данном случае место есть.

    Предыдущая модель не совсем корректна в плане моделирования питающей сети. Недостаточно взять идеальный источник напряжения 220 В 50 Гц. Реальная сеть обладает неким внутренним сопротивлением, в результате под нагрузкой напряжение немного «проседает». Это можно сымитировать, добавив последовательное сопротивление Ri несколько десятых Ома. Но при моделировании фильтра не так интересен импеданс сети на частоте 50 Гц. Более интересно, как сеть ведет себя на высоких частотах, где измеряется подавление фильтра. Очевидно, что импеданс будет выше, так как подводящие провода обладают значительной индуктивностью. Но конкретное значение сказать трудно, конфигурация подводящей сети может быть самая разная. Чтобы можно было сопоставлять результаты измерений сетевых фильтров, была стандартизирована цепочка под названием LISN (Line Impedance Stabilization Network). Эта цепочка производится в железе в виде измерительного прибора немалых габаритов. Но можно ее использовать и как модель. Для моделирования фильтра с трехпроводной сетью цепочку LISN нужно сделать симметричной.

    Цепи LISN на высоких частотах образуют импеданс около 50 Ом, что значительно больше Ri. К слову, эта модель сети наглядно показывает, что в первичной цепи не может быть никаких коротких мощных импульсов тока, про которые ходят страшилки. Импеданс сети для таких импульсов слишком большой.

    Использование LISN дает некие среднестатистические результаты, довольно хорошо согласующиеся с реальностью. С этой цепочкой резонансный пик фильтра значительно меньше (графики с линейным и логарифмическим масштабом по оси Y).

    Применение снаббера картину улучшает (красный график), ход АЧХ с ним получается более ровный. Хотя в практических реализациях фильтра снабберных цепочек не видел не разу. Встречал только на картинках внутренних схем фильтров, встроенных в разъем, да и то лишь для старших семейств. Подобные цепочки упоминаются в статье В. Ланцов, С. Эраносян «Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути решения. Часть 2», журнал «Силовая электроника», №1, 2007.

    Конечно, радикальной разницы со снаббером и без него не видно. Но не всегда в качестве источника электропитания используется обычная сеть. Могут быть ситуации, когда импеданс источника даже на высоких частотах окажется малым. Тогда демпфирование фильтра просто необходимо. Да и при работе от сети оно не помешает, насколько точно параметры реальной сети соответствуют модели LISN, неизвестно. С этой точки зрения оправданы и варисторы, которые включают как на входе, так и на выходе фильтра.

    Для синфазной помехи тоже наблюдаются резонансные явления в фильтре. На графиках (красный график) показано выходное напряжение фильтра при воздействии на вход синфазной помехи амплитудой 1 В (для линейного и логарифмического масштаба по оси Y). Схема фильтра соответствует приведенной выше, только в нее добавлены два синфазных конденсатора по 3.3 нФ с каждого из выходов фильтра на землю.

    Резонансный пик может быть подавлен демпферной цепочкой. Достаточно взять еще один Y-конденсатор, включить с ним последовательно резистор 10 кОм и подключить эту цепочку параллельно одному из синфазных конденсаторов (синий график).

    По поводу синфазных помех нужно сделать отступление. До этого рассматривался фильтр, подключенный к трехпроводной сети, которая имеет защитное заземление (PE). Именно к этому заземлению подключаются конденсаторы фильтра синфазной помехи. Но в обычных жилых домах сеть двухпроводная, подключать общий провод фильтра некуда. Да и аудиоаппаратура в большинстве своем имеет двухконтактную сетевую вилку. Но даже если заземление в вилке предусмотрено, в аппаратах обычно имеется переключатель «Ground Lift», с помощью которого можно отключить землю сетевой вилки от общего провода аппарата. Заземлять аудиоаппаратуру чаще всего недопустимо. Образуются земляные петли большой площади, наведенная на этих петлях ЭДС прикладывается к входу. В результате появляется фон сетевой частоты, а в выходном спектре просматривается целый лес ее гармоник. Поэтому даже если в розетке есть контакт PE, он должен подключаться только к синфазным конденсаторам сетевого фильтра, но с корпусом устройства соединяться не должен. И вообще, мне кажется весьма сомнительным, что на проводе PE не наведется та же синфазная помеха, что и на проходящих рядом двух других сетевых проводах. В любом случае, у меня в квартире PE нет, обсуждать его бессмысленно.

    Что же делать с синфазными конденсаторами, когда нет PE? Иногда их устанавливают и подключают к корпусу устройства. Недавно столкнулся с таким решением в усилителе Technics SU-V505. С каждого провода сети на корпус там включен конденсатор 2.2 нФ. Аппарат имеет двухконтактную вилку, никакого заземления корпуса не предусмотрено. В результате на корпусе появляется потенциал, в некоторых условиях корпус даже немного бьется током. Это наихудшее решение из возможных.

    Лучше не ставить синфазные конденсаторы вообще, как и сделано в большинстве аудиоаппаратуры. Тогда связь сети с корпусом устройства будет только через малые паразитные емкости. Сам корпус тоже имеет какую-то паразитную емкость на землю, а может быть даже заземлен явно через один из источников сигнала (например, телевизор, который обычно заземлен через оплетку антенного кабеля). Но такое заземление не будет вредить аудиосигналу, так как петель не образует. К тому же, ток в земляном проводнике при малой синфазной емкости будет незначительным. Паразитные емкости обеспечат некоторое подавление синфазной помехи (зеленый график выше), хоть и несколько хуже. Но это лучше, чем ничего. И намного лучше, чем потенциал на корпусе.

    Сам сетевой трансформатор и блок питания в целом тоже обладают фильтрующими свойствами. Например, дифференциальная помеха хорошо ослабляется конденсаторами фильтра выпрямителя. Синфазная помеха тоже ослабляется, так как паразитные емкости трансформатора образуют делитель. А можно еще принять специальные меры, такие как экранирующая обмотка. На графиках ниже показано подавление на выходе фильтра (зеленый график) и на выходе БП (красный график) для дифференциальной (верхние графики) и синфазной (нижние графики) помехи. Коэффициент трансформации здесь учтен, значения для красных графиков на него умножены.

    Надо сказать, что последние результаты являются недостоверными, так как здесь в основном работают паразитные параметры, которые точно промоделировать трудно. Но качественно картина примерно такая.

    При наличии сетевого фильтра возникает еще один вопрос. Сам фильтр должен стоять поближе к вводу электричества в аппарат. Но тут возникает вопрос с сетевым выключателем. Часто он расположен далеко от разъема сетевого провода. В данном случае так и есть, выключатель расположен на передней панели. Интуитивно хочется расположить выключатель в схеме поближе к сети (но после предохранителя, конечно), чтобы он обесточивал всю схему. Но тогда выключатель оказывается перед фильтром, провода выключателя будут излучать помехи внутри устройства, нужна их экранировка. Если выключатель поставить после фильтра, тогда компоненты фильтра будут все время под сетевым напряжением, что немного тревожит. Есть еще вариант – разместить выключатель возле фильтра и соединить его с кнопкой на передней панели с помощью механической тяги. Такое встречал в фирменной аппаратуре, и так у меня сделано во всей самодельной аудиоаппаратуре, кроме усилителя мощности. Но в проигрывателе этот вариант не пройдет, так как на пути толкателя отказывается трансформатор. С другой стороны, стандартные сетевые фильтры, встроенные внутрь разъема сетевого провода, как раз и находятся под сетевым напряжением все время. Этот факт склонил меня пойти по такому же пути. Тем более, я всегда выдергиваю все вилки из розеток (кроме холодильника), когда ухожу.

    В результате схема первичной цепи выглядит так: сетевой разъем, предохранитель, фильтр, выключатель, пламегаситель, трансформатор. После предохранителя и выключателя можно поставить варистор, только не забыть поместить его в термоусадку (необходимость этой меры тут уже обсуждалась). А вот неотключаемый варистор — это опасная штука. У знакомого был случай, когда электрики что-то накосячили, напряжение в сети поднялось. Приходит домой, в ковре на полу выгорела дырка, сверху дымится обугленный удлинитель со встроенной защитой. Варисторы начали греться, а ток для перегорания предохранителя был еще недостаточный. Чуть квартира не сгорела.

    Предохранитель планирую впаять плату, чтобы избежать громоздких держателей. Сгорать он не должен. Подходящие предохранитель и варистор есть с разборок старых плат (я использую большинство деталей с разборок).

    Что еще должно быть в фильтре? Часто аудиофилы говорят о постоянной составляющей напряжения сети, и что сетевой фильтр должен ее подавлять. Я не имею статистики измерений параметров сети. Хотя замечал, как мощные трансформаторы, работая при постоянной нагрузке, вдруг начинали гудеть то больше, то меньше. Явно из-за каких-то изменений в сети. Когда даже ненагруженный трансформатор включается в сеть, по его первичной обмотке начинает течь ток намагничивания. Под нагрузкой ток первичной обмотки увеличивается, но ток намагничивания остается прежним (он даже несколько уменьшается из-за падения напряжения на омическом сопротивлении первичной обмотки). Ток намагничивания мал, так как первичная обмотка на сетевой частоте обладает значительным импедансом. Но если добавить в сетевое напряжение постоянную составляющую, то эта добавка создаст дополнительный ток намагничивания. Его величина будет определяться лишь импедансом первичной обмотки на нулевой частоте, т.е. ее омическим сопротивлением. Поэтому даже незначительное постоянное напряжение (порядка сотен милливольт) может значительно увеличить ток намагничивания. В таких условиях есть реальная опасность насыщения магнитопровода со всеми вытекающими последствиями. Откуда взяться постоянной составляющей в сети, которая развязана трансформаторами на подстанциях — это отдельный вопрос. Но вся эта тема актуальна только для мощных трансформаторов с низким сопротивлением первички. А здесь первичка имеет 337 Ом при токе холостого хода около 6.5 мА. Поэтому те сотни мВ постоянки, которые могут быть в сети, погоды не сделают.

    Теперь очередь за практической реализацией всего этого.

    Подавление шумов с помощью синфазных дросселей

    Подавление шумов с помощью синфазных дросселей На главную страницу
    К оглавлению

    Перевод: ©CОПЫРИГХТ: Дмитрий Иоффе, Советский Союз, www.

    dsioffe.narod.ru

    (Noise Suppression by Common Mode Choke Coils)

    (Встречается также название Current-Compensated Chokes)

    Перевод избранного из файла 26to28e.pdf с сайта фирмы Murata

    Дифференциальные и синфазные шумы

        Шумы делятся на два типа по способу прохождения.

        Первый тип — это дифференциальные шумы, которые распространяются по линии сигнала (питания) и земли в разных направлениях. Для их подавления устанавливаются фильтры в линии сигнала или питания.

        Второй тип — это синфазные (common mode) шумы, которые распространяются по всем линиям в одном направлении. Например, в сети переменного тока шумы распространяются по обеим линиям в одном направлении. В сигнальном кабеле шумы также распространяются по всем линиям кабеля в одном направлении.

        Поэтому для подавления шумов этого типа фильтры устанавливаются во всех линиях, по которым распространяются шумы.

        В примерах, показанных выше, применяются два следующих метода подавления шумов:

    1. Установка индуктивностей и в сигнальную линию, и в линию земли.
    2. Металлический корпус подключается к сигнальной линии через конденсатор. Таким образом, ток возвращается к источнику тока следующим путём: линия сигнала/земли — конденсатор — металлический корпус — паразитная (stray) ёмкость — источник шума.

    Подавление шумов с помощью синфазных дросселей, часть 1

        Синфазные дроссели для дифференциального тока (сигнала) работают как простой проводник, а для синфазного тока (шума) — как индуктивность.

        Влияние на синфазный шум: так как магнитный поток, вызываемый синфазным током, накапливается, появляется значительный импеданс.

        Синфазные дроссели хорошо подходят для подавления синфазных шумов, так как легко получить катушку с большим импедансом.

        Синфазные дроссели используются для подавления синфазных шумов. Их получают, наматывая сигнальные или питающие провода на ферритовый сердечник.

        Так как магнитный поток течёт внутри ферритового сердечника, синфазный дроссель работает как индуктивность для синфазного тока. Таким образом, применение синфазного дросселя обеспечивает большой импеданс для синфазного тока и бОльшую эффективность подавления синфазных шумов по сравнению с обычными индуктивностями.

    Подавление шумов с помощью синфазных дросселей, часть 2

        Влияние на дифференциальный ток: так как магнитные потоки, вызываемые дифференциальными токами, взаимоуничтожаются, импеданс не возникает.

    • Уменьшение импеданса, вызываемое насыщением магнитопровода, маловероятно даже при большом токе.
      Синфазные дроссели подходят для подавления синфазных шумов в линиях с большими токами, например, в сетях питания переменного и постоянного тока.
    • Незначительное искажение сигнала.
      Синфазные дроссели подходят для подавления шумов там, где искажение формы сигнала может вызвать проблемы, например, в линиях передачи видеосигнала.

        Примеры характеристик импеданса синфазных дросселей для постоянного тока:

        Так как магнитные потоки взаимоуничтожаются внутри ферритового сердечника, для дифференциального тока импеданс не возникает. Проблема насыщения магнитного материала незначительна. Синфазные дроссели подходят для подавления синфазных шумов в линиях с большими токами, например, в сетях питания переменного и постоянного тока. Так как они не влияют на форму сигнала, они также пригодны для подавления синфазных шумов там, где нежелательны искажения сигнала, например, в видеолиниях.

        На приведённом выше графике показаны примеры характеристик импеданса синфазных дросселей для постоянного тока. Существующие характеристики также содержат дифференциальный импеданс, и он должен учитываться при использовании синфазных дросселей в схемах с большим размахом сигнала.

    На главную страницу
    К оглавлению

    Синфазные дроссели TDK-EPCOS

    Синфазные дроссели — универсальное классическое средство, позволяющее решить задачи подавления электромагнитных помех (ЭМП) и, соответственно, выполнить требования по электромагнитной совместимости (ЭМС). Эти устройства настолько привычны, что воспринимаются как нечто, не создающее проблем. Но всегда ли синфазный дроссель синфазный? Вот в чем вопрос, но на него есть ответ. И дело здесь в правильном выборе не только дросселя, но и его изготовителя и поставщика.

    Когда разработчику радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) срочно приходится решать проблемы электромагнитной совместимости и подавления синфазных, а попутно и дифференциальных помех, он буквально хватается за синфазный дроссель. И это правильно. Казалось бы, тут все просто и понятно, про синфазные дроссели и их применение написано много, да и выбор их богатый, в конце концов, можно и самому сделать прибор, намотав, например, на ферритовое кольцо две проволочки. Однако проблемы, как и дьявол, всегда кроются в деталях. Вот на них-то мы и посмотрим.

    В общем представлении синфазный дроссель — это связанная индуктивность, в нем на одном сердечнике намотаны как минимум две катушки (бывает, и три, и четыре). Кстати, для получения синфазного дросселя очень важна стратегия намотки (рис. 1), и это разработчикам РЭА хорошо известно. Для ясности и простоты остановимся на дросселе с двумя обмотками.

    Рис. 1. Идеальный синфазный дроссель для дифференциальных токов (слева), синфазных токов (в середине) и его условное обозначение в схемах

    Компактное электрическое и электронное оборудование в основном генерирует синфазные помехи. Для того чтобы оно соответствовало требованиям безопасности (не выходя за пределы тока утечки), необходимо использовать дроссели с высоким значением асимметричной эффективной индуктивности. Для этой цели оптимальны дроссели с компенсацией тока с топологией с закрытым сердечником. Проблема насыщения сердечника за счет полезного тока в этих конструкциях решается выбором материала сердечника, но самое главное — намоткой двух катушек с равным числом витков на сердечнике. Катушки связаны таким образом, что магнитный поток, индуцированный верхней катушкой, компенсируется нижней катушкой.

    Для подобного идеального дросселя магнитный поток в сердечнике обусловлен тем, что токи дифференциального режима iDM (рис. 1, слева) компенсируют друг друга, что приводит к нулевому сопротивлению (точнее, импедансу) дросселя. Но магнитные потоки Φ1 и Φ2, вызванные синфазными токами iCM (рис. 1, в середине), суммируются, что значительно увеличивает полное сопротивление (импеданс). Для получения такого прекрасного со всех точек зрения эффекта важно правильно выполнить обмотки, поэтому в условном обозначении дросселя данного типа (рис.

    1, справа) используется две точки, чтобы указать, как должны быть выполнены обмотки.

    Подводя итог, отметим, что синфазный дроссель выглядит как простой проводник для дифференциальных сигналов и как индуктивность для синфазных сигналов. Одно из преимуществ этих видов дросселей заключается в том, что они не будут насыщаться токами дифференциального режима. Для этих связанных индуктивностей коэффициент связи k может быть рассчитан по формуле:

    k = M/√(L1×L2), (1)

    здесь M — коэффициент взаимной индуктивности, а L1, L2 — индуктивности для обеих обмоток.

    Значения индуктивностей для синфазного и дифференциального режима могут быть получены по формулам:

    LDM = 2×(L-M) и LCM = (L+M)/2 (2)

    Учитывая, что индуктивности L1 и L2 равны L и для 100%-ной идеальной связи k = 1, взаимная индуктивность M из формулы (1) получается равной индуктивности L (M = L), а индуктивности дросселя для синфазного и дифференциального режимов, как следует из формул (2), соответственно равны LDM = 0 и LCM = L.

    Таким образом, подтверждается, что мы не обнаружим наличие импеданса для сигналов дифференциального режима, но будем иметь некоторое, определяемое индуктивность LCM значение импеданса для сигналов синфазного режима.

    На практике взаимная компенсация магнитного потока в дифференциальном режиме не идеальна, этот факт разработчикам РЭА хорошо известен и широко используется. В дифференциальном режиме импеданс не равен нулю, он определяется такой характеристикой, как индуктивность рассеяния, и полезен для фильтрации сигналов дифференциального режима. Однако нельзя забывать и том, что в приложениях с высоким током необходимо убедиться в отсутствии эффекта насыщения сердечника дросселя.

    Обратимся к наглядному и поучительному примеру. Столкнулись с крайне неприятной ситуацией, когда устройство, проверенное им на прототипе в лаборатории, провалилось на сертификационных испытаниях. Причем все элементы и компоновка были те же, что и в прототипе. Чтобы проанализировать и понять ситуацию, измерили реакцию синфазных дросселей прототипа (условно названного CHKA) и заявленного на сертификацию изделия (условно названного CHKB) с помощью векторного анализатора цепей Bode 100. Упрощенное измерение синфазного дросселя было выполнено, как показано на рис. 2.

    Рис. 2. Упрощенное измерение импедансов для синфазного дросселя

    Результаты измерения дросселя, который удовлетворительно работал в приложении (CHKA), представлены на рис. 3.

    Рис. 3. Характеристики дросселя CHKA

    На рис. 3 можно увидеть, насколько велико различие импедансов синфазного режима по сравнению с дифференциальным. На втором дросселе (CHKB), снятом с изделия, на котором провалились испытания в сертификационной лаборатории, смог заметить очень тонкое отличие — на одной из катушек дросселя отсутствовал один виток (рис. 4).

    Рис. 4. Дроссели, используемые в качестве примера 

    У дросселя CHKA было 14 витков для L1 и L2, а у дросселя CHKB — 14 витков для L1 и 13 витков для L2. Это оказалось весьма существенной разницей. Если одна из катушек отличается от другой, то индуктивность для синфазного сигнала будет уменьшена (соответственно, плохая фильтрация синфазной ЭМП), а дифференциальная индуктивность увеличена. Когда речь идет о линиях передачи, это может привести к проблемам с целостностью сигналов (англ. Signal Integrity — наличие достаточных для безошибочной передачи качественных характеристик электрического сигнала), или если речь идет о цепях питания, то в приложениях с большим током сердечник, вероятно, может быть насыщен даже номинальным рабочим током.

    Данный тип дросселей наматывается вручную, так что человеческие ошибки и/или некачественные проверки конечного продукта могут создать проблему, которую трудно будет сразу обнаружить и которая способна проявиться совершенно неожиданно.

    Из приведенного примера ясно видно, насколько важна идеальная симметрия для двух катушек в дросселе. Даже в случае, когда в одной из катушек отсутствует лишь один виток, импеданс синфазного дросселя для синфазного режима резко уменьшается. Если говорить в целом, то несимметричность может быть вызвана не только пропуском полного витка, как в приведенном примере, но и просто нарушениями геометрии намотки. К сожалению, нередко этого нарушения шага намотки (не забываем, что в формулу для расчета индуктивности входит величина, обратная длине обмотки, так что при равных условиях неплотно намотанная катушка будет иметь меньшую индуктивность) или пропуска части витка при терминации просто не замечают. Вот почему для ответственных применений, особенно это касается высокочастотных приложений, не рекомендуется их самостоятельное, часто полукустарное, изготовление.

    Результатом нарушения неидеальности исполнения синфазного дросселя будет низкая эффективность фильтрации синфазных сигналов ЭМП в области высоких частот — для чего, собственно, эти дроссели и используются. Таким же образом индуктивность в дифференциальном режиме увеличивается с типичным эффектом насыщения сердечника или нарушениями целостности сигнала из-за снижения частоты среза фильтра, образованного индуктивностью рассеяния и, в зависимости от включения дросселя, входной или выходной емкостью.

    Отсюда следует вывод: будьте осторожны с недорогими и, как правило, не гарантирующими должного качества компонентами. Это касается не только идеальности намотки, но и материалов, из которых они изготовлены, поскольку последние влияют на точность соблюдения индуктивности и ток насыщения.

    В качестве выхода из ситуации можно предложить использовать для критических приложений синфазные дроссели от поставщиков, имеющих надежную репутацию на рынке. (В противном случае, как известно, скупой заплатит дважды.) Одним из таких поставщиков является TDK Corporation — японская компания, занимающаяся производством электронных компонентов и носителей информации.Позиции компании по выпуску элементов из ферритовых материалов значительно усилились в 2008 году после приобретения 90% акций еще одной известной компании EPCOS AG (Electronic Parts and Components) — европейского лидера по производству пассивных электронных компонентов. Объединение таких брендов и их технологий позволило вывести на рынок изделия в качестве, надежности и технических характеристиках которых можно не сомневаться, в том числе синфазных дросселей, специально разработанных для подавления ЭМП и решения вопросов ЭМС.

    Как уже было сказано, синфазные дроссели помогают решить две важные проблемы по ЭМС. Первая — очистить цепи питания от ЭМП, то есть уменьшить их излучение цепями питания и линиями их подключения, а вторая — защитить цепи или линии передачи сигнала от воздействия ЭМП. Эти проблемы очень различаются, соответственно, для их решения требуются разные типы синфазных дросселей. Компания TDK и ее структурное подразделение EPCOS предлагают универсальные решения для обеих проблем. В портфелях предложений компании имеются синфазные дроссели, как говорится, на любой вкус и цвет — от традиционных двух- и трех- до четырехобмоточных проволочных, рассчитанных на средние и большие токи, а также миниатюрные многослойные и тонкопленочные, предназначенные для сигнальных цепей, и сборки из нескольких дросселей, выполненные в одном корпусе.

    Примеры конструктивного исполнения синфазных дросселей компании EPCOS для линий питания

    Серия B82724J8*N

    Серия B82732R

    Серия B82732W

    Серия B82724B

    Серия B82747S6313

    Серия B82725S2*

     

     

    Синфазные дроссели компании EPCOS для линий питания

    Тип

    Индуктивность, мГн

    Номинальный ток, A

    Максимальная рабочая температура, °C

    Номинальное рабочее напряжение, В (AC)

    Номинальное рабочее напряжение, В (DC)

    B82724J8*N

    0,5–47

    1,6–10

    70

    250

    800

    B82732R, B82732W

    3,3–100

    0,4–2,2

    40

    250

    B82734R, B82734W

    3,3–68

    0,7–4,6

    40,  60

    250

    B82731H, B82731M

    3,3–100

    0,35–1,8

    40

    250

    B82731T

    3,3–100

    0,3–1,8

    40

    250

    B82733F, B82733V

    10–100

    0,7–2,3

    40

    300

    B82732F

    10–100

    0,45–1,6

    40

    250

    B82726S3223A340

    1,7

    25

    70

    300

    550

    B82725A

    0,56–82

    1–16

    40,  45,  55,  60

    250

    B82791G, B82791H, B82791K

    4,7–47

    0,25–0,9

    40,  60

    250

    B82721A, B82721J, B82721K

    0,2–47

    0,3–6

    40,  50,  60,  70

    250

    B82726S22*3

    0,75, 1,6

    20, 24

    60

    250

    B82720S

    1,1–22

    0,3–2

    40

    250

    B82726S3543

    0,19

    54

    75

    300

    700

    B82726S61*3

    2,2, 3,3

    10, 12

    85

    250

    750

    B82720A, B82720K

    1,1–22

    0,3–2

    40

    250

    B82724B

    1,8–100

    0,5–6

    40,  50,  60

    250

    B82722A, B82722J

    1,2–68

    0,3–3

    40,  60

    250

    B82726S2183

    1,3

    18

    50

    250

    B82724A, B82724J

    1–82

    0,5–6

    40,  45,  50,  60,  70

    250

    B82723A, B82723J

    0,45–56

    0,5–8

    40,  60,  70

    250

    B82726S2163

    1,4, 2,2

    16

    60

    250

    B82725S2*

    1,4–7,8

    6–13

    60,  70

    250

    B82725J

    1,8–68

    1–10

    60

    250

    B8272xE6

    0,42–3,3

    20–50

    70

    600

    1000

    B82724J2*U

    0,5–6,8

    4,3–10

    70,  80

    250

    B82721K2*U*

    0,4–47

    0,4–2,8

    70

    250

    B82767S4

    0,43–1,45

    12–26

    70

    500/300

    B82748F4183

    1,5

    18

    40

    480/275

    B82748F6233

    1,5

    23

    40

    690/400

    B82748S6623

    1,1

    62

    40

    690/400

    B82745S6123

    0,35

    12

    85

    440/250

    B82746S4103A02*

    1,7, 2

    10

    70

    500/300,  520/300

    B82747S4203A

    1,3

    20

    60

    520/300

    B82747S4183

    1,8

    18

    70

    440/250

    B82747S6313

    0,95

    31

    70

    440/250

    B82747S4423

    1,5

    42

    50

    440/250

    B82748S4503

    0,8

    50

    60

    520/300

    B82746S

    3,2, 6,2

    8, 13

    70

    550/320

    B82746S4

    0,75, 1,15

    20

    70

    500/300

    B82747S4

    0,82, 0,85

    30, 35

    70

    500/300

    B82747E6

    0,57–2,2

    16–35

    70

    600/350

    B82730G, B82730U

    0,33–15

    0,4–2,6

    40

    300

    B82614R

    0,5–3

    0,8–2,7

    40

    250

    B82623G

    0,033–1,2

    0,3–3

    60

    250

    350

    B82625B

    0,25–5

    1–5

    40

    250

    350

    B82622S

    0,0021

    30

    85

    B82615B

    0,7–20

    1–6

    40

    250

    350

    Купить синфазные дроссели можно в каталоге на сайте.  

    Сетевые фильтры электропитания (стр. 2 из 5)

    Выходной фильтр

    Выходной фильтр служит фильтром электромагнитных помех и предотвращению их попадания в нагрузку.

    Чем хуже характеристики конденсатора входного фильтра, тем больше блок из силовой линии будет забирать энергию ВЧ тока, что приведет к возникновению кондуктивных синфазных электромагнитных помех.

    Вторым основным источником шума является контур, который состоит из выходных диодов, конденсатора выходного фильтра и вторичных обмоток трансформатора. Между этими компонентами протекают трапецеидальной формы токи большой амплитуды. Конденсатор выходного фильтра и выпрямитель необходимо размещать как можно ближе к трансформатору; для минимализации излучаемого тока. Этот источник также создает синфазные кондуктивные помехи, главным образом, на выходных каскадах источника питания.

    2 Основные параметры Фильтров кондуктивных электромагнитных и синфазных помех

    Существует два типа входных силовых шин. Силовые шины постоянного тока – это однопроводные силовые соединения, второе плечо питания которых формирует заземление. Другим типом входного соединения является двух или трехпроводная система питания от сети переменного тока. Проектирование фильтра электромагнитных (далее ЭМ) помех для систем постоянного тока осуществляется в основном в виде простого LC-фильтра. Все помехи между одним силовым проводом и соединением через “землю” называются синфазными. Фильтр постоянного тока, значительно более сложный, поскольку учитывает паразитарные характеристики компонентов.

    Входной фильтр кондуктивных ЭМ помех предназначен для удержания ВЧ кондуктивного шума в середине корпуса. Фильтрация линий входа/выхода также важна для защиты от шума внутренних схем (например микропроцессоров, АЦП, ЦАП).

    Проектирование фильтра синфазных помех.

    Фильтр синфазных помех фильтрует шум, который создается между двумя линиями питания (h2 и h3). Схема такого фильтра приведена ниже на рис.2.1

    Рисунок 2. 1 — Схема фильтр синфазных помех

    В фильтре синфазных помех обмотки катушки индуктивности находятся в фазе, но переменный ток, который протекает через эти обмотки – в противофазе. В итоге, для тех сигналов, которые совпадают или противоположны по фазе на двух линиях электропитания, синфазный поток внутри сердечника уравновешивается.

    Проблема проектирования фильтра синфазных помех заключается в том, что при высоких частотах (когда собственно и нужная фильтрация) идеальные характеристики компонентов искажаются через паразитарные элементы. Основным паразитарным элементом является межвитковая емкость самого дросселя. Это небольшая емкость, которая существует между всеми обмотками, где разница напряжений (В/виток) между витками ведет себя подобно конденсатору. Этот конденсатор при высокой частоте действует как шунт вокруг обмотки и позволяет ВЧ переменному току протекать в обход обмоток. Частота, при которой это явление является проблемой, выше частоты авторезонанса обмотки.

    Между индуктивностью самой обмотки и этой распределенной межвитковою емкостью формируется колебательный контур. Выше точки авто резонанса влияние емкости становится большим от влияния индуктивности, что снижает уровень затухания при высоких частотах.

    Частотная характеристика фильтра изображена на рис. 2.2.


    Рисунок 2.2 — Частотная характеристика фильтра

    Этот эффект можно уменьшить, использовав Cx большей емкости. Частота авторезонанса является той точкой, в которой проявляется возможность наибольшего затухания для фильтра. Таким образом, путем выбора метода намотки обмоток индуктивности, можно разместить эту точку поверх частоты, которая нужна для наилучшей фильтрации.

    Чтобы начать процесс проектирования необходимо измерить спектр не фильтрованного кондуктивного шума или принять по отношению к нему некоторые предположения. Это необходимо для того, чтобы знать, каким должно быть затухание и на каких частотах.

    Примем, что нам необходимо 24дБ затухания на частоте переключения преобразователя напряжения.

    Определим частоту среза характеристики фильтра:

    ,

    де Gζ – затухания;

    ,

    где: fc – желаемая частота среза характеристики фильтра, fsw- рабочая частота преобразователя напряжения. В нашем случае fsw=100кГц, затухание Gζ= -24дБ.

    Выбор коэффициента затухания

    Минимальный коэффициент затухания (ζ) не должен быть менее 0,707. Меньшее значение приведет к “резонансу” и не даст меньшее 3дБ затухания на частоте среза характеристики.

    Расчет начальных значений компонентов

    ,

    где: ζ – коэффициент затухания, ζ=0,707, RL =50 Ом — импеданс линии,

    ;

    Принимаем С≈0,1мкФ 400В.

    Принимаем Сх=0,22мкФ

    400В. Данные конденсаторы размещены между линиями электропитания и должны выдерживать напряжение 250 В и скачки напряжения.

    Величину Су – конденсаторов, которые размещены между каждой фазой и “землей”, и должны выдерживать высокие напряжения ≈2500 В выбирают на несколько порядков меньше Су чем Сх. Это связано с тем, что наибольшая емкость конденсатора, доступная при номинальном напряжении 4 кВ, составляет 0,01 мкФ. Принимаем Су=2,2 нФ.

    Поскольку суммарная емкость выбранных конденсаторов больше рассчитанной, то можно допустить, что фильтр будет обеспечивать минимум — 60 дБ затухания при частотах в диапазоне от 500 кГц до 10 Мгц.

    Расчетная схема фильтра подходит как для входной, так и для выходной цепи:

    Рисунок 2.3 – Схема фильтра расчетная

    Входной фильтр электромагнитных помех.

    L5=L=450 мкГн

    С55=С58=Сх=0,22 мкФ

    400 В

    С54=С56=Су=3,3 нФ

    3 кВ.

    Выходной фильтр электромагнитных помех.

    L6=L=450 мкГн

    С54=С56=Су=3,3 нФ

    3 кВ.

    С57=С59=Сх=0,22 мкФ

    400 В

    Обоснование выбора элементов схемы

    Источник бесперебойного питания должен обеспечивать круглосуточную работу любого устройства, которое подключено к нему, с сохранением выходных параметров, поэтому к нему выдвигаются жесткие требования, как к конструкции, так и к выбору элементов схемы.

    Условно элементы схемы можно разделить на элементы общего применения и специальные.

    Элементы общего применения являются изделиями массового производства, поэтому они достаточно широко стандартизированы. Стандартами и нормами установлены технико-экономические и качественные показатели, параметры и размеры элементов. Такие элементы называют типовыми. Выбор типовых элементов проводится по параметрам и характеристикам, которые описывают их свойства, как при нормальных условиях эксплуатации, так и при разных влияниях (климатических, механических и др.).

    Основными электрическими параметрами является: номинальное значение величины, характерной для данного элемента (сопротивление резисторов, емкость конденсаторов, индуктивность катушек и т. д.) и границы допустимых отклонений; параметры, которые характеризуют электрическую прочность и способность долгосрочно выдерживать электрическую нагрузку; параметры, которые характеризуют потери, стабильность и надежность.

    Основными требованиями, которыми нужно руководствоваться при проектировании радиоэлектронной аппаратуры, являются требования по наименьшей стоимости изделия, его высокой надежности и минимальным малогабаритным показателям. Кроме того, при проектировании важно увеличивать коэффициент повторяемости электрорадиоэлементов. Исходя из перечисленных выше критериев сделаем выбор элементной базы проектируемого устройства.

    3 Основные параметры сетевых фильтров.

    Варисторы

    При выбросе напряжения в сети амплитудой более чем 380 вольт срабатывают варисторы, ограничивая это напряжение. Варистором называют полупроводниковый резистор, основное свойство которого заключается в способности изменять свое сопротивление при изменении приложенного к нему электрического напряжения.

    Первоначально варисторы использовали в качестве высоковольтных разрядников, для защиты электрооборудования в высоковольтных пиниях электропередач. Для изготовления варисторов используют порошок, состоящий из кристаллов карбида кремния, скрепленный связующим веществом.

    Нелинейность вольт-амперной характеристики варистора связана с процессами, происходящими, на контактах и поверхности кристаллов при протекании тока. Кристаллы имеют разнообразную форму. При малом приложенном напряжении ток протекает через участки соприкосновения кристаллов. С возрастанием напряжения пропорционально увеличивается ток через эти участки и начинает протекать ток через участки с малыми зазорами между кристаллами. Чем выше напряжение; тем с большими зазорами между кристаллами подключаются участки. Новые проводящие цепочки включаются параллельно. В результате эффективное сечение, по которому протекает ток, возрастает, сопротивление уменьшается. Электропроводность такой структуры связана с несколькими механизмами: с замыканием кристаллов карбида кремния, с пробоем оксидных поверхностных пленок на кристаллах и с нагревом контактирующих точек между кристаллами.

    Плата адаптера для фильтрации электромагнитных помех на интерфейсе RS-485

    В статье подробно рассматривается процесс разработки адаптера со схемой фильтра для подключения к интерфейсу RS-485. Адаптер позволяет быстро проверить влияние фильтра на тестируемую систему. Этот фильтр ослабляет сигналы с частотами, не соответствующими стандарту передачи, а также обеспечивает защиту от перенапряжений в линиях передачи сигналов.

    Роберт Хартунг (Robert Hartung), Würth Elektronik

    Введение

    В результате постоянно растущего числа приложений, основанных на сетевой коммуникации с помощью линий передачи сигналов, все более важным становится обеспечение безотказной работы, а также безопасности электрических систем и устройств. За счет фильтрации излучаемых помех непосредственно на интерфейсе предотвращается проникновение в систему электростатических разрядов (ESD) и всплесков напряжения в быстрых переходных процессах, которые негативно влияют на рабочие характеристики. Для проверки электромагнитной совместимости (ЭМС) электрических систем в аккредитованных испытательных лабораториях проводятся специальные тесты. Если они не пройдены, заявка пересматривается.

    Чтобы упростить этот процесс, был разработан адаптер, позволяющий проверить влияние фильтра на тестируемую систему. После прохождения испытаний со вставленным фильтром схема допускается к реализации в системе.

    В этой статье описывается проектирование такой фильтрующей вставки в соответствии с требованиями стандарта передачи сигналов RS-485. Поскольку для приложений RS485 разъем не определен, были выбраны 9-контактные разъемы D-SUB. Их назначение определено протоколом PROFIBUS и указано в таблице 1, благодаря чему обеспечиваются потребности самого широкого ряда приложений.

    Прежде чем приступить к выбору компонентов для фильтра, следует определить ожидаемый эффект. Выбранный интерфейс RS-485 требует высокого уровня защиты от синфазных помех во всем диапазоне частот. Кроме того, все сигналы с частотами, не соответствующими стандарту передачи, должны быть ослаблены. Необходимо также обеспечить защиту от перенапряжений в линиях передачи сигналов. Стационарное напряжение в линии электропитания не должно содержать помех.

     

    Выбор компонентов

    Сначала выбираются и устанавливаются размеры компонентов, необходимые для обеспечения требуемой фильтрации. С этой целью выполняются расчеты с помощью передаточных функций и моделирование. Такой полезный онлайн-инструмент как REDEXPERT от Würth Elektronik позволяет сравнить характеристические данные и реальные измеренные значения отдельных компонентов друг с другом и выбрать из них наиболее подходящий. Заметим, что к фильтрам для линии передачи сигналов и линии питающего напряжения предъявляются разные требования.

     

    Схема фильтра для линий передачи сигналов

    Сначала выбирается синфазный дроссель: определяется частота, на которой линия может работать как антенна и, следовательно, вызывать синфазные помехи. Предельной частотой является та, на которой длина линии равна четверти длины волны λ. При превышении этой длины линия больше не может считаться короткозамкнутым контуром без потерь, поскольку паразитными эффектами уже нельзя пренебречь. В рассматриваемом случае учитывается максимально возможная длина кабеля для приложений RS-485, которая составляет 1,2 км. Уравнение (1) позволяет получить значение 4,8 км для длины волны λ. Частоту среза fλ/4 в первом приближении можно найти с помощью уравнения (2) с учетом скорости света в вакууме, которая может варьироваться в зависимости от используемой линии передачи.

     

     

     

     

     

     

    Поскольку эта частота растет с уменьшением длины кабеля, необходимо, чтобы затухание синфазного дросселя происходило уже на 62,5 кГц и росло на более высоких частотах. Таким образом, был выбран компонент WE-SL2 744222, который показан на рисунке 1.

    Рис. 1. Внешний вид компонентов WE SL2 744222

    На рисунке 2 иллюстрируются вносимые потери компонента в синфазном режиме. Видно, что компонент уже имеет большое затухание примерно на уровне 16,5 дБ на частоте fλ/4 = 62,5 кГц.

    Рис. 2. Вносимые потери WE-SL2 744222 в синфазном режиме

    Затем выбираются ограничители электростатического разряда для защиты от перенапряжения. Важным параметром в данном случае является величина приложенного напряжения. Поскольку необходимо защитить линии передачи сигналов, выбирается ограничитель электростатического разряда (ЭСР) с номинальным напряжением 5 В. В каталоге Würth Elektronik имеются подавители электростатического разряда WE-VE 823 570 505 60, специально предназначенные для приложений RS-485.

    Другой существенной частью схемы фильтра является емкость величиной 56 пФ, которая вносит свой вклад в общую емкость схемы. Можно считать, мы подготовили фильтр к работе с синфазными помехами и перенапряжением. Однако необходимо также предусмотреть защиту от помех в дифференциальном режиме.

    Наконец, следует подобрать конденсаторы для защиты линии передачи сигналов. Поскольку все другие компоненты уже выбраны, общую емкость, которая обеспечит требуемое затухание от помех в дифференциальном режиме, можно рассчитать с помощью передаточной функции. С этой целью мы рассмотрим общую эквивалентную схему для дифференциального режима. Она состоит из согласующих резисторов в начале и конце линии, индуктивности и емкости (см. рис. 3).

    Рис. 3. Схема всей системы

    Из этой схемы выводится следующее уравнение (3) для передаточной функции.

     

     

     

     

    где XL1 – реактивное сопротивление катушки индуктивности L1, а XC1 – реактивное сопротивление конденсатора C1. Согласно стандарту RS-485, максимальная скорость передачи составляет 12 Мбит/с. Поскольку при передаче в RS-485 используется кодирование NRZ (без возврата к нулю), частота передачи fMAX рассчитывается следующим образом (4):

     

     

     

    Поскольку все сигналы до этой частоты должны передаваться беспрепятственно, для обеспечения определенного запаса указывается заданное ослабление –3 дБ на частоте среза fcut-off = 15 МГц. В силу того, что схема построена как делитель напряжения, в это значение требуется включить базовое затухание –6 дБ. Общее затухание составляет –9 дБ, что, в свою очередь, соответствует суммарному коэффициенту передачи по напряжению около 0,35. Эта величина представляет собой ранее неизвестное комплексное число (Ua/Ue = Z). По условиям согласования для приложений RS-485 значения сопротивлений R1 и R2 должны составлять по 120 Ом. В качестве величины индуктивности L дифференциального режима используется значение индуктивности рассеяния дросселя LS = 90 нГн из технического описания, т.к. индуктивность синфазного режима компенсируется противоположно направленными токами. Используя значения частоты среза и индуктивности рассеяния, из уравнения (5) получаем значение реактивного сопротивления XL индуктивности:

    Последним неизвестным параметром в передаточной функции является реактивное сопротивление емкости XC1. Преобразуя уравнение (3), получаем следующее выражение (6) для X C1:

    Поскольку реактивное сопротивление конденсатора не содержит действительной части, его можно положить равным нулю. В этом случае формулу необходимо разделить на действительную и мнимую части. Используя выражение (7) и преобразовав уравнение (6), получаем уравнение (8):

    Поскольку уравнение (8) может быть комплексно сопряжено, в знаменателе нет мнимой части, а комплексное число остается в числителе. Действительная часть этого комплексного числа полагается равной нулю и преобразуется в один из параметров a или b. Действительная часть этого комплексного числа равна нулю. С помощью этого уравнения и уравнения (9) мы получаем два уравнения для двух неизвестных переменных. В результате решается система уравнений:

    Следующие значения являются результатами расчета с помощью MatLab Simulink:

    — действительная часть: a ≈ 0,23;

    — мнимая часть: b ≈ –0,27;

    — комплексное число: Z ≈ 0,23 – j0,27.

    Мнимая часть входит в формулу (10) для XC1:

    Получаем следующее значение импеданса конденсатора:

    XC1 = –j58,49 Ом.

    Подставляя значения XC1 и fcut-off в уравнение (11) для полной емкости системы, получаем:

    Чтобы требуемое ослабление составило –3 дБ на частоте 15 МГц, общая емкость фильтра должна составить 181,38 пФ. Первый вклад в эту емкость вносят подавители электростатических разрядов емкостью по 56 пФ каждый. Поскольку они параллельны схеме и заземлены, работает только половина емкости одного компонента, как следует из выражения (12):

    В результате два подавителя электростатических разрядов влияют на схему как общая емкость величиной 28 пФ.

    По такому же принципу рассчитываются значения емкости двух конденсаторов схемы. Они используются для отвода высокочастотных помех. В сочетании с синфазным дросселем эта схема обеспечивает очень хорошую защиту от синфазных помех в широком диапазоне частот. Для достижения требуемого эффекта достаточно небольшой емкости. Были выбраны два конденсатора емкостью 100 пФ. Их влияние рассчитывается так же, как и для подавителей ЭСР. Таким образом, суммарная емкость двух конденсаторов цепи составляет 50 пФ.

    В дополнение к синфазному дросселю и двум подключенным к земле конденсаторам между линиями передачи сигналов A и B устанавливается конденсатор для противодействия симметричным помехам. Поскольку емкость схемы уже достигла 78 пФ из-за подавителей ЭСР и двух других конденсаторов, мы выбрали 100 пФ для этого компонента. Путем подбора компонентов достигается общая емкость 178 пФ, что всего на 3,38 пФ отличается от расчетной общей емкости. Отклонение неизбежно из-за фиксированных значений емкости конденсаторов, имеющихся в ассортименте продукции, и при таком выборе оно было минимальным. Поскольку схема должна быть небольшой, используются только многослойные керамические конденсаторы. На этом выбор компонентов схемы фильтра завершен. На рисунке 4 показан окончательный вид схемы фильтра для линий передачи сигналов A и B.

    Чтобы проверить, достигается ли с помощью выбранных компонентов требуемый результат, схему на рисунке 4 можно смоделировать с помощью LTspice. Стандарт VDE EN 55017 определяет, что испытуемая схема в дифференциальном режиме должна моделироваться с помощью изоляторов с соотношением обмоток 1:1, поскольку при симуляции учитываются только два порта. Помимо выбранных фильтрующих элементов в начале и в конце схемы устанавливаются последовательные резисторы, чтобы учесть влияние согласованных по импедансу микрополосковых линий на печатной плате. Линии передачи сигналов вставного фильтра были рассчитаны с дифференциальным импедансом 120 Ом (по 60 Ом на микрополосковую линию), чтобы избежать отражений на концах шины RS-485, выходное сопротивление которых составляет 120 Ом. На рисунке 5 показана соответствующая стандарту симметричная схема для тестирования характеристик затухания сигналов в дифференциальном режиме.

    Рис. 5. Испытательная схема в дифференциальном режиме

    На рисунке 6 представлен результат моделирования нагрузки дифференциальными токами в том виде, в каком они возникают при нормальной работе. Отображается затухание всей цепи; на оси Y указан уровень затухания в дБ, а ось X показывает соответствующий частотный диапазон 10 кГц…1 ГГц. Измерение осуществляется на выходе схемы.

    Рис. 6. Моделирование затухания в дифференциальном режиме (SDD21) линии передачи сигналов

    Базовое затухание –6 дБ возникает, как упоминалось, из-за того, что смоделированная схема создана как делитель напряжения. Видно, что сигнал не затухает в диапазоне линии передачи RS-485 (<6 МГц). Точка маркера на уровне около 15 МГц соответствует ослаблению –9,18 дБ. Таким образом, проектирование с помощью REDEXPERT и расчет с использованием передаточной функции почти точно обеспечивают требуемый результат. Отклонение в –0,18 дБ можно объяснить небольшой разницей между используемой и рассчитанной общей емкостью и тем фактом, что при симуляции применялись модели реальных компонентов, а в расчете – идеальные значения.

    Для моделирования нагрузок в синфазном режиме стандарт VDE EN 55017 требует, чтобы цепь фильтра была установлена ​​между генератором сигнала и приемником, а входные и выходные проводники соединялись параллельно. Из-за использования параллельной цепи в схему были добавлены последовательные сопротивления по 30 Ом для имитации 60-Ом микрополосковой линии. Это значение сопротивления получено из выражения (13):

    Соответствующая стандарту асимметричная испытательная схема сигнала в синфазном режиме была смоделирована с помощью схемы на рисунке 7.

    Рис. 7. Схема для моделирования нагрузки в синфазном режиме

    На рисунке 8 показан результат моделирования. Базовое затухание составляет –6 дБ. Видно, что оно начинает расти уже с 10 кГц. На расчетной частоте fλ/4 = 62,5 кГц затухание составляет примерно –23,82 дБ. Как видно из рисунка 2, затухание одного только дросселя составило –16,5 дБ на этой частоте. Остальные 7,32 дБ обусловлены дополнительными конденсаторами. Схема обеспечивает заметное ослабление помех в синфазном режиме во всем диапазоне частот.

    Рис. 8. Моделирование нагрузки в синфазном режиме (SCC21) линии передачи сигналов

    В целом, моделирование показало хороший результат не только с точки зрения того, как были подавлены нежелательные сигналы дифференциального режима, но и все синфазные помехи.

     

    Фильтр для линии питающего напряжения

    В соответствии со стандартом передачи RS-485, на линию питающего напряжения должно подаваться гармоническое постоянное напряжение 5 В с током 200 мА. Чтобы выполнить это условие, все частотные составляющие должны быть отфильтрованы. Это значит, что необходим фильтр нижних частот. Из-за того, что затухание увеличивается за декаду частоты с каждым полюсом фильтра, для фильтрации был выбран фильтр нижних частот 3-го порядка. Таким образом, затухание составляет 60 дБ на декаду частоты. ФНЧ, как показано на рисунке 9, состоит из двух конденсаторов и катушки индуктивности.

    Рис. 9. Фильтр нижних частот 3-го порядка

    Из-за π-образного вида схемы ее называют Pi-фильтром. Для выбора подходящих компонентов, отвечающих требованиям фильтра, используется онлайн-инструмент REDEXPERT.

    Сначала выбирается соответствующая требованиям катушка индуктивности. Заметим, что по линии питающего напряжения протекает ток 200 мА. Катушка индуктивности, рассчитанная на меньшие токи, будет сильно нагреваться. Во избежание этого для печатной платы выбран феррит с номинальным током IR = 500 мА. Это значит, что он нагревается всего на 40 К при токе 500 мА. Кроме того, индуктивность должна противодействовать токам и напряжениям с определенным импедансом по частотным составляющим. На рисунке 10 показана кривая импеданса выбранного феррита, который увеличивается с ростом частоты.

    Рис. 10. Характеристика импеданса WE-TMSB 74269241152

    Кроме того, REDEXPERT отображает кривые импеданса при разных токах. Мы выбрали ток 200 мА с учетом особенностей рассматриваемого приложения.

    Конденсаторы для этого фильтра выбираются так, чтобы диапазон затухания был как можно большим и крутым, а все токи и напряжения с частотными составляющими отводились на землю. Для обеспечения компактного размера в линиях передачи сигналов используются многослойные керамические конденсаторы. Мы выбрали конденсаторы WE-CSGP 885 012 105 006 емкостью 1 мкФ.

    Эти компоненты изготовлены из керамики X5R, что обеспечивает высокую емкость. Однако из-за своей внутренней структуры материал также очень зависит от напряжения. В результате смещения постоянного тока рост приложенного напряжения приводит к падению емкости. Как именно этот эффект влияет на выбранные конденсаторы, можно посмотреть в REDEXPERT. На рисунке 11 показана зависимость изменения емкости конденсатора WE-CSGP 885 012 105 006 от напряжения.

    Рис. 11. Изменение емкости в зависимости от постоянного напряжения смещения

    Из рисунка видно, что при напряжении 5 В емкость конденсаторов уменьшилась примерно на 42% от исходного значения.

    Из-за зависимости феррита от тока и зависимости конденсаторов от напряжения требуется проверить схему в условиях эксплуатации. На рисунке 12 показана схема выбранного фильтра, моделируемая в LTspice.

    Рис. 12. Схема Pi-фильтра в LTspice

    Компоненты Würth Elektronik eiSos можно представить в виде моделей в LTspice, чтобы симуляция дала максимальную точность. Мы использовали источник переменного напряжения с амплитудой 1 В. На рисунке 13 показан результат симуляции этой схемы.

    Рис. 13. Моделирование Pi-фильтра

    Поскольку моделируемая схема представлена как делитель напряжения, базовое затухание составляет –6 дБ. Маркеры показывают, что, как и ожидалось, ослабление на декаду частоты составляет 60 дБ. Во всем диапазоне частот наблюдается хорошее затухание. Однако подозрительно выглядит высокое максимальное значение затухания –158 дБ. Сомнительно, что такое большое затухание достигается с помощью реальных компонентов. Кроме того, предел технических возможностей большинства анализаторов цепей составляет –100 дБ.

    Мы выбрали все необходимые фильтрующие элементы. Поскольку моделирование показало хорошие результаты, их можно использовать для построения схем. Однако симуляция не проверила такие факторы как влияние материалов и потери в линии. Следовательно, необходимы дополнительные измерения, чтобы понять, соответствует ли схема требованиям высокой безопасности при помехах и переходных процессах в реальных условиях эксплуатации.

    Проектирование печатной платы

    Во избежание отражений импеданс микрополосковых дорожек на печатной плате фильтра должен быть таким же, что и у приложения; в данном случае он составляет 120 Ом. В дифференциальной линии передачи сигнала импедансы суммируются. Следовательно, каждая линия должна быть рассчитана на импеданс 60 Ом. Чтобы обеспечить определенное значение импеданса линии, необходимо согласовать друг с другом параметры, показанные на рисунке 14 с базовой структурой печатной платы.

    Рис. 14. Внешний вид печатной платы

    Изменяя параметры, показанные на рисунке 14, можно подобрать требуемый импеданс печатной платы. Параметр W представляет собой ширину проводника, параметр T – его высоту, H – толщину материала подложки между проводником и заземляющей плоскостью из огнестойкого непроводящего композитного материала, изготовленного из эпоксидной смолы и стеклоткани, который наиболее часто используется в печатных платах благодаря хорошей адгезии, водо- и дугостойкости.

    С помощью калькулятора можно рассчитать импеданс печатной платы, введя упомянутые параметры. Высота медного конца в стандартной комплектации составляет 35 мкм при минимальной стоимости. Ширину проводника можно выбирать произвольно. Чем шире проводник, тем меньше импеданс. Поскольку небольшой размер компонентов и разъемов ограничивает ширину дорожек и необходимо обеспечить импеданс величиной 60 Ом, подбирается расстояние до заземляющей плоскости (параметр T). Чтобы расстояние было небольшим, используется четырехслойная печатная плата, у которой второй слой выступает в качестве заземления. Таблица 2 описывает стандартную структуру четырехслойной печатной платы, у которой высота медного слоя равна 35 мкм. Заметим, что медный слой толщиной 18 мкм, указанный в этой таблице, в готовой плате покрыт слоем толщиной до 35 мкм.

    Таблица 2. Структура четырехслойной печатной платы

    Из таблицы 2 видно, что расстояние между первым и вторым слоями составляет 0,288 мм. Исходя из этого значения, высоты торца меди 35 мкм и диэлектрической проницаемости материала стеклотекстолита равной 4, можно подобрать ширину проводника с импедансом 60 Ом. В таблице 3 приведены параметры печатной платы с учетом импеданса 60 Ом.

    Таблица 3. Параметры печатной платы

    В общем случае требуется, чтобы фильтр был как можно более компактным. Все компоненты устанавливаются на верхнюю сторону платы. Только разъемы должны быть припаяны с нижней стороны из-за особенностей конструкции теплоотвода. Во избежание отражений необходимо, чтобы проводники не проходили под прямым углом друг к другу. Закругленные тракты и углы в 45° улучшают прохождение сигнала. Кроме того, компоненты следует размещать непосредственно на проводниках, чтобы сократить их длину.

    На рисунке 15 показана завершенная схема платы. На линиях передачи сигнала подавители электростатических разрядов расположены рядом с входным разъемом, чтобы максимально быстро отводить импульсы электростатического разряда.

    Рис. 15. Завершенная конструкция фильтра

    Все остальные компоненты устанавливаются друг за другом через короткие интервалы. Однако их не следует размещать слишком близко друг к другу во избежание нежелательной емкостной связи. Обе линии передачи сигналов должны иметь одинаковую длину для передачи симметричных сигналов. Сквозные переходные отверстия с гальваническим покрытием используются для заземления. Они размещаются рядом с контактными площадками, образуя токопроводящее соединение с нижней стороной платы, которое является заземлением.

    В линии питающего напряжения два контакта под номером 6 соединены напрямую. Компоненты устанавливаются непосредственно на линии по описанному выше принципу. Наличие доступного пространства под конденсаторами позволяет установить несколько переходных отверстий, чтобы сопротивление соединения с заземлением было как можно меньше. Контакты 5 и поверхность корпуса заземлены. Черные края обозначают пространство, отведенное под выступающий разъем D-SUB.

     

    Измерение S-параметров

    Сначала измеряются характеристики линий передачи сигналов A и B для дифференциального и синфазного режимов. Цель измерения – установить, что фильтр, не увеличивая ослабление сигналов, позволяет передавать их в диапазоне частот до 6 МГц в соответствии со стандартами RS-485 в дифференциальном режиме и отфильтровывает нежелательные сигналы с более высокими частотами. Синфазные сигналы должны подавляться без исключения во всем частотном диапазоне. Согласно расчетам и результатам моделирования, сигнал с частотой до 6 МГц должен проходить практически без затухания. Выше по частоте начинается затухание, достигающее величины –3 дБ на частоте 15 МГц. На рисунке 16 показан результат измерения S-параметра смешанного режима SDD21.

    Рис. 16. Характеристики линий передачи с двухтактными сигналами

    Значение затухания –0,63 дБ, помеченное точкой 2 на частоте 6 МГц, указывает на то, что на максимально возможной частоте передачи около 93% сигнала передается без затухания. Как правило, для успешной передачи затухание должно быть ниже, чем на частоте среза по уровню –3 дБ. В точке 3 на частоте 15 МГц величина затухания равна –2,59 дБ, что соответствует коэффициенту передачи 74,2%. По мере роста частоты затухание постоянно увеличивается до значения ниже –80 дБ за исключением некоторых резонансных значений.

    Анализируется не только затухание при двухтактной передаче, но и характеристика с учетом синфазных сигналов. С этой целью исследуется параметр SCC21 смешанного режима, показанный на рисунке 17.

    Рис. 17. Характеристики линий передачи с синфазными сигналами

    Видно, что сигнал ослабляется, начиная с нижнего значения представленного диапазона частот. Затухание на расчетной частоте среза fλ/4 в точке 1 составляет около –21,8 дБ. Начиная с 50 кГц, затухание всегда меньше –20 дБ, что соответствует коэффициенту передачи менее 10%. Свойства линии питающего напряжения определяются с помощью двухпортового измерения. Параметр S21 описывает вносимые потери фильтра. Поскольку используется Pi-фильтр (ФНЧ 3-го порядка), следует ожидать, что во всем частотном диапазоне обеспечено сильное затухание. На рисунке 18 показан результат измерения линии питающего напряжения.

    Рис. 18. Характеристики передачи напряжения питания по кабелю

    Как видно из этого рисунка, затухание в начале диапазона частот составляет около –10 дБ. В точке 1, где частота составляет 62,5 кГц, затухание равно –19,82 дБ. Оно достигает максимального значения –95 дБ вблизи 2 МГц.

     

    Анализ и выводы

    Сначала анализируется поведение линии передачи в дифференциальном режиме. На рисунке 19 показаны смоделированные и измеренные S-параметры смешанного режима SDD21 линий передачи сигналов A и B. Красной линией показан результат моделирования, черной – результат измерений.

    Базовое затухание –6 дБ исключено на рисунке 19 в силу того, что схема рассматривалась в LTspice как делитель напряжения, чтобы в лучшей мере сравнить результаты моделирования и измерения.

    Рис. 19. Сравнение значений SDD21 линий передачи A и B

    Видно, что затухание на обоих графиках начинается примерно в один и тот же момент. Мы успешно избежали ослабления сигналов до 6 МГц. Таким образом, все сигналы, соответствующие стандарту RS-485, могут передаваться без помех. Видно, что результат моделирования практически идентичен результату измерения. Единственные заметные различия – резонансы и минимальные отклонения значений затухания. Добротность Q компонентов определяет высоту резонансных пиков. Чем выше добротность, тем больше амплитуда резонансов из-за меньших потерь, вызванных реактивным сопротивлением. Резонансы измеренного графика значительно меньше из-за паразитных эффектов, которые не учитываются при моделировании и имеют отрицательное влияние на качество системы.

    Небольшие отклонения значений затухания можно объяснить допусками компонентов. Поскольку два графика почти идентичны, на практике схема фильтра выполняет поставленное условие, благодаря чему сигналы, соответствующие требованиям RS-485, проходят без затухания. Сигналы на более высоких частотах ослабляются во избежание помех при передаче. Далее моделируемая и измеренная характеристики синфазных сигналов сравниваются по выше рассмотренному принципу. На рисунке 20 показана смоделированная и измеренная кривые параметра SCC11 линий передачи сигналов A и B в смешанном режиме. Цветовое разделение то же, что и на рисунке 20.

    Рис. 20. Сравнение значений SCC21 линий передачи A и B

    Из рисунка видно, что кривые на обоих графиках также очень похожи приблизительно до 300 МГц. Точки резонанса расположены примерно в одних и тех же местах, но по-разному выражены. Как уже упоминалось, это различие можно объяснить влиянием на добротность системы. Кроме того, используемые модели LTspice являются лишь упрощенными копиями реальных компонентов и могут отклоняться от реальных значений. Отклонения значений затухания и резонансов в рабочем диапазоне синфазного дросселя можно объяснить допусками на индуктивность компонента.

    На частотах выше 300 МГц возникают резонансы из-за связи паразитных емкостей печатной платы и компонентов. В целом, измерение подтверждает, что схема обеспечивает достаточно большое затухание во всем соответствующем частотном диапазоне по сравнению с синфазными сигналами. На расчетной частоте fλ/4 = 62,5 кГц также наблюдается ослабление –21,8 дБ. Однако то, что это значение не «дотягивает» до ожидаемого –23,8 дБ, можно объяснить допусками на величину индуктивности синфазного дросселя. Уже начиная с частоты 50 кГц, затухание становится ниже –20 дБ. Сравнение показывает, что схема фильтра на практике очень близка к моделируемой и демонстрирует хороший уровень затухания по сравнению с синфазными помехами. Желаемый результат достигается и в случае синфазных, и в случае дифференциальных сигналов. Следовательно, она годится для фильтрации линий передачи сигналов стандарта RS-485. Таким же образом сравниваются результаты моделирования и измерения линии питающего напряжения. На рисунке 21 показаны оба графика вносимых потерь S21.

    Рис. 21. Сравнение значений S21 линии питающего напряжения

    И в этом случае для лучшего сравнения было исключено базовое затухание –6 дБ имитационной модели. Видно, что оба графика поначалу практически одинаковы. Между их значениями имеется разница лишь в несколько дБ. Четкое отличие заметно на частоте 2 МГц. Смоделированная кривая уменьшается до значения около –150 дБ, а максимальное значение измеренного затухания составляет –95 дБ. Затухание в диапазоне –95…–150 дБ очень велико, т.е. очень малые напряжения, измеренные анализатором цепей, находятся в диапазоне собственных шумов этого прибора; в этом диапазоне анализатор достигает своих технических пределов. Высокое затухание фильтра более 85 дБ в частотном диапазоне более 1 МГц означает, с одной стороны, хорошую развязку между входом и выходом фильтра. С другой стороны, заметна даже малейшая паразитная емкостная связь проводников, соединений между компонентами (лицевых сторон контактных площадок) и соединений разъемов, что приводит к очень сильной связи элементов фильтра и к резонансам.

    Несмотря на отличия от результатов моделирования, результаты измерения свидетельствуют о хорошей характеристике фильтра, поскольку обеспечено достаточно высокое затухание во всем частотном диапазоне. Таким образом, все напряжения переменного тока отфильтровываются из напряжения питания, и передается только одно напряжение постоянного тока. Как упоминалось, приложенное напряжение постоянного тока снижает емкость конденсаторов. Ток, протекающий через фильтр, уменьшает индуктивность и изменяет резонансную частоту дросселя. Этот эффект можно измерить. На рисунке 22 сравниваются результаты измерения с приложенным постоянным напряжением (со смещением постоянного тока) и без него.

    Рис. 22. Сравнение данных измерений со смещением по постоянному току и без него

    Черная кривая описывает результаты измерения без смещения постоянного тока, а красная – измерение со смещением постоянного тока 5 В при 200 мА. Видно, что первый резонанс смещается в сторону большей частоты. Это связано с тем, что резонансная частота SMD-феррита растет с увеличением тока, а индуктивность уменьшается. Уменьшение емкости двух конденсаторов из-за приложенного напряжения 5 В несколько уменьшает затухание фильтра, которое все еще очень велико, несмотря на влияние смещения постоянного тока. Таким образом, измерение показывает, что даже в реальных условиях эксплуатации затухание при смещении соответствует требованиям в заданном диапазоне частот. Поскольку измерения линии питающего напряжения также показали удовлетворительные результаты, было подтверждено, что разработанная схема фильтра надежно ослабляет нежелательные сигналы, помехи и влияние электростатического разряда, не влияя на стандарты передачи RS-485. Итак, все изначально поставленные цели были успешно достигнуты. Чтобы оптимизировать ЭМС приложения, можно проверить, насколько эта схема отвечает желаемым результатам, подключив ее к системе. В случае успешного функционирования схему можно реализовать в приложении.

    На рисунке 23 представлена принципиальная схема фильтра и его внешний вид, а в таблице 4 – список материалов.

    Рис. 23. Полная принципиальная схема и внешний вид фильтра

    Таблица 4. Список использованных материалов

    Читать статью в оригинале 

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Преобразователь мощности | Трансформатор | Магнитный компонент

    Преобразователи постоянного тока в постоянный без изоляции 0,75 ~ 7,5 Вт

    Неизолированный импульсный стабилизатор от 0,75 до 7,5 Вт с выводом, совместимый с линейным регулятором LM78XX. Диапазон температур рабочей среды для серии 01D-500 составляет от -40 ° C до + 85 ° C. Он упакован в 3PIN SIP и не требует отвода тепла. Продукт имеет КПД до 97% и имеет функцию защиты от короткого замыкания и теплового отключения. Материал упаковки — UL94V-0. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток компании Yuan Dean соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный без изоляции 1,65 ~ 7,5 Вт

    Неизолированный импульсный стабилизатор с диапазоном мощности 1,65 ~ 7,5 Вт. Диапазон рабочих температур окружающей среды от -55 ° C до + 85 ° C. Вывод серии 08D-500 совместим с линейным регулятором LM78XX и использует 3-контактную SIP-упаковку, не требует теплоотвода и КПД до 92%, с защитой от короткого замыкания и перегрева, упаковочный материал соответствует UL94V-0 . Все наши преобразователи питания постоянного тока в постоянный соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный без изоляции 1,2 ~ 15 Вт

    Преобразователь мощности DC-DC мощностью 1,2 ~ 15 Вт, с высоким КПД и неизолированным типом представляет собой переключаемый регулятор с рабочей температурой окружающей среды от -40 ° C до + 85 ° C. Вывод совместим с линейным регулятором LM78XX. Серия 01D-1A может иметь КПД до 96% и не требует радиатора. Материал корпуса соответствует стандарту UL94V-0 и упакован в 3PIN SIP с защитой от короткого замыкания. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток от Yuan Dean соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный без изоляции 3,6 ~ 30 Вт

    Преобразователь постоянного тока в постоянный ток POL 3,6 ~ 30 Вт, который является высокоэффективным и неизолированным, имеет широкий диапазон входного напряжения 4,75 ~ 36 В постоянного тока, без радиатора и КПД до 96%. Диапазон температуры окружающей среды от -40 ° C до + 82 ° C. Материал упаковки — UL94V-0 и доступен в 3-контактном SIP-корпусе. Линейный стабилизатор LM78XX, совместимый по выводам, имеет защиту от короткого замыкания. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток от Yuan Dean соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный без изоляции 1,77 ~ 45 Вт

    Преобразователь мощности POL DC-DC имеет диапазон 1,77 ~ 45 Вт и неизолированный. Радиатор не требуется, а эффективность может достигать 95%. Диапазон входного напряжения составляет 4,5 ~ 14 В постоянного тока и 10 ~ 30 В постоянного тока. Выходное напряжение серии 01D-3A регулируется. Рабочая температура окружающей среды от -40 ° C до + 65 ° C, выпускается в открытом безкорпусном корпусе с дистанционным выключателем и защитой от короткого замыкания. Наши преобразователи питания постоянного тока в постоянный соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный без изоляции 7,5 ~ 45 Вт

    Преобразователь постоянного тока в постоянный ток POL 7,5 ~ 45 Вт, который является высокоэффективным и неизолированным. Серия 01D-3AC имеет широкий диапазон входного напряжения 4,75 ~ 36 В постоянного тока, без радиатора и КПД до 97%. Диапазон температуры окружающей среды от -40 ° C до + 97 ° C. Материал упаковки — UL94V-0 и доступен в 3-контактном SIP-корпусе. Линейный стабилизатор LM78XX, совместимый по выводам, имеет защиту от короткого замыкания. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток от Yuan Dean соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный без изоляции 4,5 ~ 19,8 Вт

    Высокоэффективный преобразователь постоянного тока в постоянный ток POL мощностью 4,5 ~ 19,8 Вт имеет неизолированный тип. Размер серии 02Д-6А всего 22,9 * 10,2 * 5мм. Диапазон входного напряжения составляет 2,4 ~ 5,5 В постоянного тока и 8,3 ~ 14 В постоянного тока, а выходное напряжение программируется от 0,75 до 3,3 В постоянного тока и от 0,75 до 5 В постоянного тока через внешний резистор. Температура окружающей среды при эксплуатации от -40 ° C до + 85 ° C. Он упакован в SIP и имеет выходной ток до 6А. Все преобразователи питания постоянного тока в постоянный ток от Yuan Dean соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный без изоляции 7,5 ~ 50 Вт

    Высокоэффективный неизолированный преобразователь постоянного тока в постоянный ток POL мощностью 7,5 ~ 50 Вт упакован в SMD и имеет выходной ток до 10 А. Размер продукта составляет всего 33,0 * 13,5 * 7,7 мм. Диапазон входного напряжения составляет от 8,3 до 14 В постоянного тока, а выходное напряжение может составлять от 0,75 до 5 В постоянного тока через внешний резистор. Температура рабочей среды от -40 ° C до + 85 ° C. Наши преобразователи питания постоянного тока в постоянный соответствуют требованиям директивы RoHS и могут быть адаптированы по индивидуальному заказу с 3-летней гарантией при продаже. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный без изоляции, 12 ~ 80 Вт

    Высокоэффективный 12 ~ 80-ваттный неизолированный преобразователь постоянного тока в постоянный ток POL имеет пакеты SIP и SMD. Выходной ток серии 04Д-16А до 16А. Размер всего 50,8 * 12,7 * 7,2 мм. Диапазон входного напряжения составляет от 8,3 до 14 В постоянного тока, а выходное напряжение может составлять от 0,75 до 5 В постоянного тока через внешний резистор. Серия 04D-16A Yuan Dean соответствует сертификации ЕС RoHS 2002/95 / EC и может принимать индивидуальные продукты и предоставлять 3-летнюю гарантию на продукты после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Экономичные преобразователи постоянного тока в постоянный с изоляцией 1 Вт, 1,5 кВ ~ 6 кВ постоянного тока (12 постоянного тока)

    Преобразователь постоянного тока в постоянный, экономичный, 7PIN, SIP, мощностью 1 Вт, обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения для изоляции и согласования напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 ~ 6 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 87%.

    Больше
    Экономичные преобразователи постоянного тока в постоянный с изоляцией 1 Вт, 1,5 кВ и 3 кВ (13 постоянного тока)

    Экономичный преобразователь постоянного тока в постоянный с 4-контактным разъемом SIP и 8-контактным разъемом мощностью 1 Вт обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения с изоляцией питания и согласованием напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 и 3 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 87%.

    Больше
    Экономичные преобразователи постоянного тока в постоянный с изоляцией 1 Вт, 1,5 кВ и 3 кВ (13DSC)

    DC-DC-преобразователь мощностью 1 Вт с 14-контактным SMD-корпусом обычно используется в чувствительных к стоимости, универсальных приложениях для изоляции и согласования напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 и 3 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 87%.

    Больше
    Экономичные преобразователи постоянного тока в постоянный с изоляцией 1 Вт, 1,5 кВ и 3 кВ (13DS1C)

    DC-DC-преобразователь мощностью 1 Вт с 18-контактным и 22-контактным SMD-корпусом обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения с изоляцией питания и согласованием напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 и 3 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 87%.

    Больше
    Экономичные преобразователи постоянного тока в постоянный с изоляцией 1 Вт, 1,5 кВ и 3 кВ (14 постоянного тока)

    Преобразователь постоянного тока в постоянный, экономичный, 7PIN, SIP, мощностью 1 Вт, обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения для изоляции и согласования напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 и 3 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 87%.

    Больше
    Экономичные DC-DC преобразователи SIP мощностью 2 Вт, 1,5 кВ ~ 6 кВ постоянного тока (12DC-2 Вт)

    Преобразователь постоянного тока в постоянный, экономичный, с 7-контактным разъемом SIP мощностью 2 Вт, обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения с изоляцией питания и согласованием напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 ~ 6 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 89%.

    Больше
    Экономичные DC-DC преобразователи мощностью 2 Вт, 1,5 кВ и 3 кВ постоянного тока (13DC-2 Вт)

    2 Вт экономичный 4-контактный SIP и 8-контактный DIL-преобразователь DC-DC-преобразователь обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения с изоляцией питания и согласованием напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 и 3 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 89%.

    Больше
    Экономичные преобразователи постоянного тока в постоянный SMD мощностью 2 Вт, 1,5 кВ и 3 кВ постоянного тока (13DSC-2W)

    Преобразователь постоянного тока в постоянный с одним выходом в экономичном корпусе 14PIN SMD мощностью 2 Вт обычно используется в чувствительных к стоимости устройствах общего назначения с изоляцией питания и согласованием напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 и 3 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 89%.

    Больше
    Экономичные DC-DC преобразователи мощностью 2 Вт, 1,5 кВ и 3 кВ постоянного тока (13DS1C-2W)

    DC-DC-преобразователь 2 Вт экономичный 18-контактный и 22-контактный SMD-преобразователь обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения с изоляцией питания и согласованием напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 и 3 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 89%.

    Больше
    Экономичные DC-DC преобразователи мощностью 2 Вт, 1,5 кВ и 3 кВ постоянного тока (14DC-2 Вт)

    Преобразователь постоянного тока в постоянный, экономичный, с 7-контактным разъемом SIP мощностью 2 Вт, обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения с изоляцией питания и согласованием напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 и 3 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 105 ° C и обеспечивает высокий КПД до 89%.

    Больше
    Экономичные преобразователи постоянного тока в постоянный SIP мощностью 3 Вт, 1,5 кВ ~ 6 кВ постоянного тока (12DC-3 Вт)

    DC-DC-преобразователь 3 Вт экономичный 7PIN SIP-преобразователь обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения для изоляции питания и согласования напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 ~ 6 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 85 ° C и обеспечивает высокий КПД до 88%.

    Больше
    Экономичные DC-DC преобразователи 3 Вт, 1,5 кВ и 3 кВ постоянного тока (14DC-3 Вт)

    DC-DC-преобразователь 3 Вт экономичный 7PIN SIP-преобразователь обычно используется в чувствительных к стоимости приложениях общего назначения для изоляции питания и согласования напряжения. Несмотря на низкую стоимость, это полностью специализированный преобразователь с изоляцией 1,5 и 3 кВ постоянного тока. Промышленная рабочая температура находится в диапазоне от -40 ° C до + 85 ° C и обеспечивает высокий КПД до 88%.

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный для поверхностного монтажа с изоляцией 0,25 Вт 1 кВ

    Преобразователь питания постоянного тока в постоянный с одним выходом 0,25 Вт находится в 14-контактном корпусе SMD с изоляционным напряжением 1 кВ. Это нерегулируемый тип выхода и диапазон рабочих температур от -40 ° C до + 85 ° C. КПД может достигать 72%. Он доступен в виде стандартных штифтов и в упаковке для автоматизированного механического оборудования. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток от Yuan Dean соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный для поверхностного монтажа с изоляцией 0,5 Вт 1 кВ

    Преобразователь постоянного тока в постоянный, который имеет мощность 0,5 Вт и имеет нерегулируемый одинарный выход, упакован в 14-контактный SMD с напряжением изоляции 1 кВ и рабочей температурой окружающей среды от -40 ° C до + 85 ° C. КПД может достигать 78%. Он доступен в виде стандартных штифтов и в упаковке для автоматизированного механического оборудования. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток от Yuan Dean соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше
    Преобразователи постоянного тока в постоянный для поверхностного монтажа 1 кВ с изоляцией 1 Вт (13DS)

    Преобразователь постоянного тока в постоянный ток мощностью 1 Вт с одним выходом находится в 14-контактном корпусе SMD с напряжением изоляции 1 кВ. КПД может быть до 80%. Серия 13DS — это изделие с нерегулируемым выходом и конструкцией с высокой удельной мощностью. Диапазон рабочих температур от -40 ° C до + 85 ° C при использовании стандартных штифтов и может использоваться для автоматизированного механического оборудования. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток от Yuan Dean соответствуют требованиям RoHS и могут быть адаптированы для различных продуктов. Гарантия на продукцию — 3 года после продажи. Любые требования OEM / ODM приветствуются. Надеемся на сотрудничество с вами!

    Больше

    Катушки индуктивности в ЭМС — Часть 3: Фильтрация синфазных помех

    В этой статье представлены магнитные компоненты для фильтрации синфазных помех:

    Оба широко используются в области электромагнитной совместимости (ЭМС) для фильтрации синфазных помех. В этой статье представлены основы, характеристики и некоторые реальные приложения фильтрации синфазного шума.

    Что такое синфазный шум?

    Синфазный шум — один из наиболее распространенных источников излучаемого излучения.Характеристики синфазного шума можно увидеть на рисунке ниже: синфазный шумовой ток течет через сигнал в прямом И через обратный путь сигнала в том же направлении. Существуют различные источники синфазного шума, такие как емкостная связь (одновременно с трактом прямого и обратного тока) или зашумленная контрольная точка. При наличии синфазного шума могут возникнуть два эффекта:

    Синфазный шум против дифференциального шума.

    Что такое ферритовые зажимы?

    Зажимные ферриты, также называемые кабельными ферритами, — это ферриты, которые можно открывать и устанавливать вокруг провода или кабеля.Они очень удобны, потому что их можно установить вокруг проводки без необходимости отсоединять какие-либо клеммы. Ферриты зажима изготовлены из материалов с высокой магнитной проницаемостью, таких как MnZn или NiZn. Высокая магнитная проницаемость этих материалов «вынуждает» концентрировать силовые линии магнитного поля синфазного тока внутри этих фиксирующих ферритов.

    Пример ферритового зажима (ферритовый кабель) [8].

    Характеристики зажимных ферритов

    С физической точки зрения зажимные ферриты работают как ферритовые шарики.У них есть частотно-зависимый импеданс. С увеличением частоты ферритовые шарики ведут себя индуктивно, пока частота не достигнет резонансной частоты. Вокруг резонансной частоты ферритовый шарик ведет себя резистивно и, следовательно, помогает эффективно подавлять синфазный шум. Для еще более высоких частот феррит проявляет емкостное поведение. Следующие два рисунка показывают типичную частотную характеристику ферритового зажима. На левом графике показано, как импеданс зависит от частоты (резонансная частота примерно 150 МГц).Второй показывает, как изменяется резонансная частота в зависимости от количества витков, то есть сколько раз кабель наматывается на феррит. При добавлении витков сопротивление увеличивается, но частота сдвигается из-за дополнительной емкости.

    Характеристики ферритового зажима [1].

    Основные параметры ферритовых зажимов

    Ферритовые зажимы бывают различных типов и размеров. Чтобы выбрать подходящий, важно знать несколько основных аспектов:

    • Материал. Магнитный материал и его проницаемость будут определять полезный частотный диапазон феррейта. Есть много видов материалов. Вот самые важные из них: Железный порошок (Fe), подходящий для низких частот. Ядра MnZn, подходящие от нескольких МГц до 30 МГц. NiZn, подходит от нескольких МГц до 1 ГГц.

    • Температура Кюри Tc. Магнитные материалы сохраняют свои свойства до тех пор, пока не достигнут значения температуры Кюри. При более высоких температурах феррит теряет свой постоянный магнетизм и, следовательно, теряет все фильтрующие способности.Обычно значения температуры высокие, несколько сотен [ºC]. Обычно точка Кюри намного выше рекомендованной рабочей температуры, поэтому ферриты никогда не должны работать около этих высоких температур. Например, Würth Elektronik утверждает, что Tc некоторых ферритов составляет 150 ° C [6].

    • Размер. Максимальный размер провода, который можно вставить через феррит, и количество витков.

    • Насыщенность. Подобно другим деталям, сделанным из ферромагнитных материалов, ферритовые зажимы изменяют свое поведение с увеличением тока.Однако синфазные токи, отвечающие за подавление непреднамеренных излучений, обычно находятся в диапазоне микро- или миллиампер. Следовательно, ток насыщения обычно не является проблемой для ферритовых кабелей в качестве фильтров синфазных электромагнитных помех (EMI).

    Что такое синфазные дроссели?

    Синфазные дроссели, также известные как дроссели с компенсацией тока, в основном представляют собой пару связанных катушек индуктивности.

    Синфазный дроссель SMD [2].

    На рисунке ниже показано, как дифференциальный и синфазный токи протекают через синфазный дроссель.Дифференциальный ток, циркулирующий через каждый из индукторов, создает магнитное поле, и, поскольку они связаны, магнитное поле, создаваемое одним индуктором, противодействует полю, создаваемому другим индуктором, тем самым устраняя общую магнитную энергию, циркулирующую по обоим проводникам.

    Символ синфазного дросселя.

    Характеристики синфазных дросселей

    Идеальный синфазный дроссель устраняет весь синфазный шум (бесконечное общее сопротивление) и пропускает через него все дифференциальные сигналы (нулевой дифференциальный импеданс).В реальном мире существуют ограничения для обеих характеристик, поэтому важно знать приложение и его частотные характеристики, чтобы выбрать правильный дроссель.

    Как было сказано ранее, импеданс, представленный синфазным сигналам, известен как общий импеданс, а импеданс, представленный дифференциальным сигналам, известен как дифференциальный импеданс. Измерение обоих параметров можно выполнить с помощью анализатора цепей. Для каждого измерения частотной характеристики входы и выходы синфазных дросселей необходимо замкнуть накоротко, как показано на рисунке ниже.

    Слева: измерение синфазного сигнала. Справа: измерение в дифференциальном режиме. Таблицы данных

    обычно включают кривые с импедансами как синфазного, так и дифференциального режима, и они обычно указываются в логарифмической шкале [дБ], предоставляя информацию о затухании, которое они производят для синфазных и дифференциальных сигналов, циркулирующих через дроссели.

    Синфазное и дифференциальное ослабление синфазного дросселя [3].

    Основные параметры синфазных дросселей

    При выборе синфазных дросселей наиболее важными параметрами, которые следует учитывать, являются следующие:

    • Номинальный ток [A]. Максимальный среднеквадратичный (RMS) ток, который может быть приложен без насыщения сердечника. Чтобы избежать насыщения сердечника, необходимо оставить немного места для максимального тока насыщения. Однако синфазные токи, ответственные за непреднамеренные излучения, обычно находятся в диапазоне микро- или миллиампер. Следовательно, ток насыщения обычно не является проблемой для фильтров синфазных электромагнитных помех (EMI). Ограничивающим фактором для номинального тока синфазных дросселей является сопротивление меди Rdc обмоток, поскольку это приводит к тепловому нагреву дросселя.

    • Материал. Материал сердечника будет определять полосу частот, а также пределы насыщения. Магнитная проницаемость µr [1] описывает способность концентрировать магнитный поток в материале.

    • Сопротивление постоянному току Rdc [ Ом] . Максимальное сопротивление при 0 Гц. Это вызвано тем, что каждый медный провод имеет сопротивление более 0 Ом. Он определит максимальные потери мощности синфазного дросселя.

    • Номинальная индуктивность [H]. Обычно выдается вместе с тестом, при котором измеряется индуктивность (частота и приложенный ток). Вот почему кривые затухания не совсем плоские и есть причина саморезонанса.

    Реальные приложения

    Синфазные дроссели часто используются для фильтрации входных линий питания. В этом случае дроссель синфазного сигнала ослабляет шум, исходящий от внешнего источника питания, и наоборот.

    Сетевой фильтр постоянного тока с синфазным дросселем.

    В шинах дифференциальной связи, таких как сеть контроллеров (CAN), широко используемая в автомобилях, синфазные дроссели фильтруют сигналы перед передачей в другие части автомобиля.

    Синфазный фильтр в связи по шине CAN [4].

    В высокоскоростных приложениях, таких как универсальная последовательная шина (USB), обычно добавляют ферритовый буртик на один или даже на оба конца кабеля. Обычно это делается для предотвращения непреднамеренного излучения путем ослабления синфазных токов в кабеле.

    Ферриты по USB-кабелю [5].

    Заключение

    Зажимные ферриты и синфазные дроссели являются важными компонентами в области электромагнитной совместимости (ЭМС). Они ослабляют высокочастотные токи синфазного шума и, следовательно, помогают снизить уровень излучаемых помех. Ферритовые зажимы широко используются для поиска и устранения неисправностей, поскольку их можно легко установить в уже собранную систему. Синфазные дроссели важны для подавления синфазного шума в источниках питания и высокоскоростных линиях дифференциальных сигналов (например,грамм. CAN, Ethernet, LVDS).

    Это сообщение в блоге было написано Игнасио де Мендисабалем (инженер-электронщик, Брюссель) и отредактировано Рето Келлер (инженер-электронщик, Швейцария). Большое спасибо Игнасио и Рето за их ценную работу.

    Ссылки

    [1] Ферритовый цех. https://ferrite-shop.com/product/5-mm-ferrite-snap-on-clamp/ , по состоянию на 06 ноября 2020 г.

    [2] West Coast Magnetics. https://www.wcmagnetics.com/ , по состоянию на 06 ноября 2020 г.

    [3] Поиск подходящего феррита: сравнение материалов сердечника, Würth Elektronik. https://www.we-online.com/web/en/electronic_components/news_pbs/blog_pbcm/blog_detail-worldofelectronics_72001.php , по состоянию на 06 ноября 2020 г.

    [4] Texas Instruments. Синфазные дроссели в сетях CAN: источник неожиданных переходных процессов. https://www.ti.com/lit/an/slla271/slla271.pdf , по состоянию на 06 ноября 2020 г.

    [5] Swling — USB-кабели Tripp Lite с двойным ферритом. https: // swling.com / blog / 2019/09 / tripp-lite-dual-ferrite-usb-cabin / , по состоянию на 06 ноября 2020 г.

    [6] Лист данных Ферритовый кольцевой сердечник WE-NCF с нейлоновым зажимом, Würth Elektronik. https://www.we-online.de/katalog/datasheet/74271318.pdf , по состоянию на 06 ноября 2020 г.

    [7] Компонент RS. https://uk.rs-online.com/web/p/ferrite-sleeves/1232497/ , по состоянию на 06 ноября 2020 г.

    Фильтры синфазных помех — комплекты HF

    Применение фильтров синфазных помех

    Чем полезны фильтры синфазных помех? Фильтры синфазного режима используются во многих приложениях.Вот несколько примеров: для антенн с торцевым питанием, чтобы коаксиальный кабель не становился частью антенны. Антенны заземленной поверхности, чтобы экран коаксиального кабеля не использовался как лишний радиальный. Между трансивером и усилителем для предотвращения замыкания на землю. Непосредственно в точке питания дипольной антенны (здесь ее часто называют BalUn). Еще одна ситуация, когда это может быть полезно, — это когда вы входите в Дом (лачугу). Поскольку во многих случаях коаксиальный кабель не всегда выходит из антенны под углом 90 градусов по отношению к излучателю антенны, экран коаксиального кабеля принимает сигнал непосредственно от антенны.

    Основная причина использования синфазного дросселя заключается в том, чтобы гарантировать, что экран коаксиального кабеля не станет частью антенной системы и не будет излучать непреднамеренно. Подумайте о всевозможных неприятных эффектах: проблемы с помехами, нарушение диаграммы направленности антенны и более высокий уровень шума. Этот последний момент связан с тем, что при передаче не только экран коаксиального кабеля излучает, но и работает как приемная антенна. Поскольку коаксиальный кабель часто проходит в пределах дома, рядом с источниками помех (сеть, ПЛК и т. Д.), Полезно устранить эти источники помех.В любом случае, веская причина использовать фильтр общего режима.

    Влияние синфазного дросселя трудно предсказать. Это зависит от местных условий. Подумайте о: типе антенны, размещении антенны, типе фидерной линии, ее размещении и особенно о местных источниках помех. Есть производители, которые заранее обещают значительное снижение помех, но это нереально. Есть случаи, когда помехи уменьшаются на две-три S-точки, но также есть случаи, когда фильтр не оказывает заметного эффекта.

    Дипольная антенна

    В случае использования хорошего BalUn (который на самом деле является фильтром синфазных помех) в точке питания антенны, во многих случаях дополнительный фильтр синфазных помех не требуется. Важно, чтобы коаксиальный кабель был натянут как минимум на четверть длины волны под прямым углом к ​​дипольной антенне. В противном случае антенна излучает прямо в оболочку коаксиального кабеля. Во многих случаях местные обстоятельства просто не позволяют этого достичь. При входе в дом используйте фильтр синфазных помех, чтобы не допустить попадания нежелательного тока коаксиального экрана в дом.

    Антенна EndFed

    В случае антенны с торцевым питанием коаксиальный кабель используется в качестве противодействия. Поскольку антенна EndFed в точке питания имеет высокий импеданс, требования к противоемкости не так высоки, но она есть. Если вы хотите узнать больше об этом, ознакомьтесь с этим: EndFed-антенны-критический-взгляд Не должно быть проблемой, если часть коаксиального кабеля используется в качестве противодействующей емкости, но часто возникают раздражающие эффекты. Подумайте о помехах, обратной связи, беспокойном приеме, радиочастотах в хижине и т. Д.Особенно этот беспокойный прием вызван тем фактом, что оболочка коаксиального кабеля в доме может принимать все виды помех, например, от сети.

    Где разместить такой синфазный дроссель в случае антенны EndFed?

    Слева направо:

    1: Нет синфазного дросселя — Если вы находитесь в среде с небольшими помехами и не работаете с высокой мощностью, вы, конечно, можете работать без дросселя. Например, если я работаю в кемпинге портативно, я не использую обычный фильтр.

    2: Синфазные дроссели непосредственно под точкой питания — Это нежелательный выбор. Поскольку фильтр находится непосредственно под точкой питания, емкость счетчика фактически устраняется, что ухудшает работу антенны. Поскольку фильтр синфазных помех размещен в точке, где антенна показывает высокий импеданс, фильтр также будет работать намного хуже. Пример: дроссель используется в точке полного сопротивления 3000 Ом. Также сопротивление синфазного тока в этой точке составляет 3000 Ом.Затем происходит распределение напряжения, при котором примерно половина тока экрана все еще пропускается.

    3: фильтр синфазных помех на некотором расстоянии от точки питания — это хороший выбор. Поскольку фильтр расположен на некотором расстоянии от точки питания, антенна по-прежнему имеет кусок коаксиального кабеля в качестве счетчика. Дополнительным преимуществом является то, что сопротивление тока антенны уменьшилось, что улучшит характеристики фильтра. Возьмите длину от 0.05 и 0,30 длины волны как расстояние от точки питания.

    4: Фильтр синфазных помех в сочетании с емкостью счетчика — Это тоже хороший выбор. Опять же, поместите фильтр на некотором расстоянии от точки подачи. Поскольку у тока оболочки есть альтернатива (противодействующая емкость), фильтр тока оболочки будет работать оптимально. Емкость счетчика длины 0,05 — 0,30 Длина волны.

    Вертикальная антенна

    Четвертьволновая вертикальная антенна также требует нескольких четвертьволновых радиалов.Если фильтр синфазных помех не установлен, внешняя сторона коаксиального кабеля также будет радиальной. Само по себе это не проблема, но мы не хотим, чтобы в лачуге были синфазные токи. Поэтому и в этой ситуации рекомендуется использовать фильтр общего режима.

    Различные фильтры синфазных помех

    Существует три различных обычно используемых фильтра синфазных помех. Коаксиальный кабель свернут в катушку, коаксиальный кабель намотан вокруг феррита, а бифилярные обмотки вокруг феррита.Эти три популярных синфазных фильтра теперь будут рассматриваться индивидуально. Здесь используются измерения, сделанные G3TXQ. Настоящим я хотел бы поблагодарить «Стива Ханта» за разрешение использовать этот материал. http://www.karinya.net/g3txq/chokes/

    Коаксиальный спиральный фильтр

    Ниже приведен обзор некоторых воздушных змеевиков, намотанных из коаксиального кабеля, например, на трубу из ПВХ. Что сразу бросается в глаза, так это низкая пропускная способность. Поэтому для этого типа фильтра очень важно выбрать правильный диаметр и правильное количество обмоток, иначе фильтр не будет работать на выбранной частоте.Из-за ограниченной полосы пропускания этот тип фильтра не подходит для многодиапазонных антенн. К сожалению, этот тип фильтра также дает небольшой реальный импеданс, но в основном индуктивный. Совет таков: желательно не выбирать этот тип фильтра!

    Источник: Стив Хант — G3TXQ

    Заключение: простота изготовления, очень низкая пропускная способность, малое реальное сопротивление.

    Коаксиальный ферритовый фильтр

    В приведенном выше примере коаксиальный кабель обернут вокруг трубы из ПВХ (воздушной катушки).Теперь также можно наматывать коаксиальный кабель на ферритовый сердечник. В приведенных ниже таблицах Стива Ханта (GX3TXQ) показано влияние различных ферритовых сердечников и количества обмоток.

    Популярные ферритовые сердечники рассматриваются ниже. Начнем с самого известного типа -43. Этот ферритовый материал продается разными производителями. Что сразу бросается в глаза, так это пропускная способность по сравнению с воздушной катушкой из коаксиального кабеля.

    Источник: Стив Хант — G3TXQ

    Ниже вы можете увидеть обзор ферритового материала 31.Что сразу бросается в глаза, так это то, что этот материал лучше подходит для низких частот, вспомните диапазоны 160, 80, 60 и 40 метров.

    Источник: Стив Хант — G3TXQ

    Type 61 больше подходит для высоких частот.

    Источник: Стив Хант — G3TXQ

    Последний тип 52 не так легко доступен в Европе, но он обладает некоторыми хорошими характеристиками.

    Источник: Стив Хант — G3TXQ

    Вывод:

    Преимущества: достаточно простота изготовления, ширина полосы, подходящая для многодиапазонных антенн, хорошее затухание синфазного сигнала, большой реальный импеданс.Недостаток: полоса пропускания по-прежнему не покрывает весь ВЧ спектр.

    Бифилярный ферритовый фильтр

    HF Kits выбирает бифилярный фильтр синфазного тока. Этот тип фильтра показывает оптимальное затухание в широком спектре. В качестве обмоточного провода хорошо подойдет посеребренный медный провод с изоляцией из ПТФЭ. Этот обмоточный провод имеет низкое сопротивление, выдерживает высокие температуры и имеет значение изоляции 600 Вольт.

    Однако полное сопротивление двух параллельных проводов с изоляцией составляет около 100 Ом.Конечно, не должно быть случая, чтобы фильтр синфазных помех нарушал импеданс линии питания и антенны. Таким образом, фильтр синфазных помех также должен иметь импеданс 50 Ом. На рисунке ниже показано, как два набора бифилярных обмоток соединены параллельно вокруг одного и того же тороидального сердечника. Дважды параллельные 100 Ом составляют 50 Ом. В результате импеданс синфазного фильтра такой, каким должен быть.

    Ниже представлен график ослабления синфазного сигнала. Материал сердечника FT240-43.По всему ВЧ-спектру (3–30 МГц) затухание не менее 30 дБ.

    Заключение

    Преимущества: Идеальное демпфирование, широкий спектр, идеально подходит для многополосного использования. Недостатки: более сложный в изготовлении, относительно дорогой тороидальный сердечник и обмоточный провод!

    Заинтересованы? Комплект для сборки синфазного фильтра

    Скачать как PDF

    Подавление синфазного шума | Редукционные фильтры синфазного сигнала

    Скачать PDF-версию страницы

    Понимание создания, эффектов и способов уменьшения синфазного перенапряжения

    Что такое общий режим?

    Для начала, общий режим плохой.Синфазное напряжение создается частотно-регулируемыми приводами (VFD), которые служат способом управления скоростью двигателей переменного тока путем изменения частоты источника питания с использованием широтно-импульсной модуляции (PWM). Это достигается путем постоянного включения и выключения транзисторов, IGBT или тиристоров.

    Непрерывная генерация импульсов мощности от частотно-регулируемых приводов предотвращает образование гладкой синусоиды, сумма которой в любой точке равна нулю (см. Рисунок 1). Вместо этого полученные формы сигналов приводят к сумме в любой точке, которая не всегда равна нулю (см. Рис.2). Результатом является повреждение синфазного перенапряжения, что может привести к разрушительным последствиям для вашего оборудования.
    Рис.1
    Трехфазное питание от электросети генерирует три гладких синусоидальных волны
    , которые в любой точке усредняют нулевую сумму. Это создает оптимальный сценарий
    с нулевым синфазным перенапряжением.

    Рис.2

    Мощность, производимая частотно-регулируемыми приводами, вырабатывается в виде непрерывной генерации импульсов,
    которых в среднем достигают синусоиды. Однако сумма в любой момент равна
    , что не всегда равно нулю, что приводит к повреждению синфазного перенапряжения.

    Деструктивное воздействие синфазного перенапряжения

    Проблемы синфазного режима возникают за пределами частотно-регулируемого привода, поэтому их трудно диагностировать. Эффекты синфазного перенапряжения чрезвычайно проблематичны для повседневных операций. Эти проблемы негативно влияют на вашу прибыль, создавая необходимость в замене оборудования, увеличивая затраты на ремонт и могут привести к остановке производства.

    Как устранить перенапряжение в синфазном режиме?

    К сожалению, синфазное перенапряжение не может быть устранено, но может быть уменьшено.Существует несколько решений для борьбы с синфазным перенапряжением: правильно разработанный фильтр du / dt, синфазный дроссель или комплект заземления вала для защиты подшипников двигателя. Но все они не созданы одинаково, и есть только одно решение, которое превосходит их все — запатентованная система Triple Core Defense dV Sentry ™.

    ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

    Проблемы общего режима включают:

    • Повреждение подшипников двигателя
    • Неожиданное срабатывание замыкания на землю
    • Неустойчивое поведение частотно-регулируемых приводов и ПЛК
    • Преждевременный выход из строя изоляции двигателя
    • Повреждение кабеля
    ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

    dV Sentry ™ — единственный проверенный фильтр, обеспечивающий снижение синфазного сигнала, защиту от пикового напряжения и уменьшение времени нарастания — все в одном устройстве.

    Уникальное запатентованное ядро ​​тройной защиты DV Sentry

    Запатентованная конструкция dV Sentry ™ и его ядро ​​Triple Defense не похожи ни на что из того, что вы видели раньше.

    • Понижение синфазного сигнала: фильтрует мощность через внешний сердечник и снижает синфазный ток.
    • Защита от пикового напряжения и защита от времени нарастания: мощность фильтруется через внутренний сердечник, сокращает время нарастания и обеспечивает защиту от пикового напряжения.

    dV Sentry vs.Остальное

    DV Sentry превосходит конкурентов с проверенными результатами. Из трех протестированных фильтров, типичного фильтра du / dt, синфазного дросселя и фильтра DV Sentry, dV Sentry показал, что он выделяется среди конкурентов. Каждый фильтр был протестирован с использованием системы привода 480 В, 50 л.с., 1000 футов кабеля, частоты переключения 8 кГц и полной нагрузки. Хотя многие конкуренты заявляют о снижении синфазного напряжения, им не удается его поддержать.

    Фильтрация Фильтр синфазного демпфирования Изменение синфазного тока Примечание
    Стандартный фильтр du / dt НЕТ -5% Пренебрежимо низкая фильтрация синфазных помех
    Синфазный дроссель Нет 18% Ненадежная фильтрация синфазных помех
    Щетка заземления вала НЕТ 0% Может защитить подшипники
    MTE dV Сторожевой фильтр Оптимальный -47% Надежная фильтрация синфазных помех

    The SineWave Guardian: Нет ничего лучше для защиты двигателя.

    Защита двигателя и качество электроэнергии не должны быть загадкой. MTE упрощает это. Показательный пример: наш фильтр SineWave Guardian ™. Этот лучший в своем классе фильтр обеспечивает непревзойденную производительность при очистке сигналов ШИМ, генерируемых частотно-регулируемыми приводами (VFD). Он практически исключает высокочастотную составляющую и пики напряжения, тем самым снижая нагрев двигателя, что продлевает срок его службы и сокращает время простоя. SineWave Guardian также предлагает невероятную надежность и долговечность.Он более эффективен и выдерживает более высокие температуры окружающей среды, что делает его идеальным для различных применений, от сталелитейных заводов до нефтяных месторождений. Его модульная конструкция и меньшая занимаемая площадь упрощают интеграцию и установку. Все это составляет лучший синусоидальный фильтр и лучшее соотношение цены и качества на рынке сегодня.

    SineWave Guardian Performance:
    SineWave Guardian — это синусоидальный фильтр, который защищает двигатели от повреждений, «очищая» синусоидальную форму волны, генерируемую частотно-регулируемым приводом.

    Хотите узнать больше?

    Знаете ли вы: ваша система может испытывать пиковые напряжения и время нарастания, превышающие стандарт NEMA MG-1, часть 31, для двигателей с инверторным режимом работы.

    Фильтрация синфазных помех в перегруженных средах

    Множество факторов способствуют увеличению количества «шумовых» помех, которые могут нарушить функциональность и даже повредить электронные устройства, начиная с огромного количества используемых поблизости в любой момент времени.

    Сегодняшние автомобили — яркий тому пример. В одном автомобиле вы можете найти Wi-Fi, Bluetooth, спутниковое радио, системы GPS, светодиодные фонари, кондиционер, усилитель руля, антиблокировочную систему тормозов, камеры заднего вида и другие приборы. Многие элементы также работают с двигателями постоянного тока, включая сиденья с электроприводом, регулируемые зеркала, дворники, электрические стеклоподъемники и люки на крыше.

    Этот же пример может также применяться к различным устройствам, от устройств с поддержкой Wi-Fi или Bluetooth, таких как стиральные машины, кофемашины эспрессо, медицинские инструменты и даже медицинские имплантаты.

    Для этого в промышленности обычно используется экранирование вместе с фильтрами электромагнитных помех в различных конфигурациях для устранения нежелательного шума.

    Однако даже некоторых традиционных решений по устранению EMI / RFI уже недостаточно, учитывая увеличение частоты рабочей цепи, шумы более высоких частот, которые расширяют диапазон затронутых частот, и миниатюризацию электронных устройств, которая сокращает расстояние между источником и жертвой.

    Если этого было недостаточно, многие электронные устройства легче подвержены влиянию шума, даже с меньшим энергопотреблением, благодаря сегодняшним схемам, которые работают при более низком напряжении.

    Это побуждает многих OEM-производителей избегать таких вариантов, как дифференциальный с двумя конденсаторами, с тремя конденсаторами (один X-конденсатор и 2 Y-конденсатора), проходные фильтры, синфазные дроссели или их комбинации для получения более идеальных решений, таких как монолитные. Фильтры электромагнитных помех, обеспечивающие превосходное подавление шума в значительно меньшем корпусе.

    Шум EMI / RFI
    Когда электронные устройства получают сильные электромагнитные волны, в цепи могут индуцироваться нежелательные электрические токи, которые могут вызвать непредусмотренные операции — или помешать запланированным операциям.

    EMI / RFI могут быть в форме кондуктивных или излучаемых излучений. Когда происходит электромагнитное излучение, это означает, что шум распространяется по электрическим проводникам. Излучаемые электромагнитные помехи возникают, когда шум распространяется по воздуху в виде магнитных полей или радиоволн.

    Даже если энергия, подаваемая извне, мала, если она смешана с радиоволнами, используемыми для радиовещания и связи, это может вызвать потерю приема, аномальный шум в звуке или нарушение видео в местах, где радиоволны для радиовещания и связи связь слабая.Если энергия слишком сильная, электронные устройства могут быть повреждены.

    Источники шума включают естественные, такие как электростатический разряд, освещение и другие источники; и искусственный шум, такой как контактный шум, утечка из устройств, которые используют высокие частоты, нежелательное излучение (например, гармоническое излучение от цифровой схемы, излучение от импульсных источников питания) и другие.

    Шум может даже создаваться схемой внутри электронного устройства и вызывать помехи в другой цепи того же электронного устройства.

    Обычно шум EMI / RFI является синфазным шумом, поэтому решение состоит в том, чтобы практически исключить нежелательные высокие частоты с помощью фильтра EMI, либо как отдельного устройства, либо встроенного в печатные платы. Это также помогает OEM-производителям соответствовать нормативным стандартам, которые существуют в большинстве стран и ограничивают уровень шума.

    Фильтры электромагнитных помех
    Фильтры электромагнитных помех обычно состоят из пассивных компонентов, таких как конденсаторы и катушки индуктивности, соединенных вместе в цепи.

    «Катушки индуктивности пропускают постоянный ток или токи низкой частоты, блокируя вредные нежелательные высокочастотные токи.Конденсаторы обеспечивают путь с низким импедансом, чтобы отводить высокочастотный шум от входа фильтра либо обратно в источник питания, либо к заземлению », — пояснил Кристоф Камбрелин из Johanson Dielectrics, компании, производящей различные мультикомпоненты. слоистые керамические конденсаторы и фильтры электромагнитных помех.

    Традиционные подходы к синфазной фильтрации включают фильтры нижних частот, состоящие из конденсаторов, которые пропускают сигналы с частотой ниже выбранной частоты среза и ослабляют сигналы с частотами выше частоты среза.

    Обычной отправной точкой является применение пары конденсаторов в дифференциальной конфигурации с одним конденсатором между каждой дорожкой и землей дифференциального входа. Емкостной фильтр в каждой ветви отводит EMI / RFI на землю выше заданной частоты среза. Поскольку эта конфигурация включает отправку сигнала, противоположного по фазе, по двум проводам, отношение сигнал / шум улучшается, а нежелательный шум отправляется на землю.

    «К сожалению, значение емкости MLCC с диэлектриком X7R (обычно используемым для этой функции) значительно меняется в зависимости от времени, напряжения смещения и температуры», — пояснил Камбрелин.«Таким образом, даже если два конденсатора тесно согласованы при комнатной температуре, при низком напряжении в определенный момент времени, весьма вероятно, что они в конечном итоге будут иметь совсем другое значение, когда время, или напряжение, или температура изменится. Это несоответствие между двумя линиями приведет к тому, что отклик рядом с отсечкой фильтра будет неравным, и, следовательно, он преобразует синфазный шум в дифференциальный шум ».

    Другое решение — подключить большой конденсатор «X» к двум конденсаторам «Y».Шунт конденсатора «X» обеспечивает желаемый эффект синфазной балансировки, однако с нежелательным побочным эффектом фильтрации дифференциального сигнала

    Возможно, наиболее распространенным решением и альтернативой фильтрам нижних частот является дроссель синфазного сигнала.

    Синфазный дроссель — это трансформатор 1: 1, в котором обе обмотки действуют как первичные и вторичные. В этом подходе ток через одну обмотку индуцирует встречный ток в другой обмотке. К сожалению, синфазные дроссели также большие, тяжелые, дорогие и подвержены отказу из-за вибрации.

    Тем не менее, идеальный синфазный дроссель с идеальным согласованием и связью между обмотками полностью прозрачен для дифференциальных сигналов и имеет очень высокое сопротивление для синфазного шума.

    Одним из недостатков синфазных дросселей является ограниченный частотный диапазон из-за паразитной емкости. Для данного материала сердечника, чем выше индуктивность, используемая для получения низкочастотной фильтрации, тем больше требуется количество витков и, как следствие, паразитная емкость, которая препятствует высокочастотной фильтрации.

    Несоответствие между обмотками из-за механического производственного допуска может вызвать преобразование режима, когда часть энергии сигнала преобразуется в синфазный шум и наоборот. Это вызывает проблемы с электромагнитной совместимостью и помехоустойчивостью. Несовпадения также уменьшают эффективную индуктивность каждой ноги.

    Синфазные дроссели действительно имеют большое преимущество перед другими вариантами, когда дифференциальные сигналы (проходящие) работают в том же частотном диапазоне, что и синфазный шум, который необходимо подавлять.С дросселем синфазного сигнала полоса пропускания сигнала может расширяться до полосы отклонения синфазного сигнала.

    Монолитные фильтры электромагнитных помех
    Несмотря на популярность синфазных дросселей, лучшей альтернативой могут быть монолитные фильтры электромагнитных помех. При правильной компоновке эти многослойные керамические компоненты обеспечивают превосходное подавление синфазного шума. Они объединяют два симметричных шунтирующих конденсатора в одном корпусе с компенсацией взаимной индуктивности и экранированием. Эти фильтры от Johanson Dielectrics используют два отдельных электрических пути в одном устройстве, подключенном к четырем внешним соединениям.

    Во избежание путаницы следует отметить, что монолитный фильтр электромагнитных помех не является традиционным проходным конденсатором. Несмотря на то, что они выглядят одинаково (одинаковая упаковка и внешний вид), их дизайн сильно различается, и они не связаны одинаковым образом.

    Как и другие фильтры EMI, монолитные фильтры EMI ослабляют всю энергию выше указанной частоты среза и выбирают только пропускание необходимой энергии сигнала, одновременно отводя нежелательный шум на «землю».

    Ключевым моментом, однако, является очень низкая индуктивность и согласованный импеданс.В монолитных фильтрах EMI выводы подключаются внутри к общему контрольному (экранному) электроду внутри устройства, а пластины разделяются контрольным электродом.

    Электростатически три электрических узла образованы двумя емкостными половинами, которые имеют общие электроды сравнения, и все они содержатся в едином керамическом корпусе.

    «Будучи очень хорошо сбалансированным, монолитный фильтр электромагнитных помех практически не обеспечивает преобразования синфазного шума в дифференциальные сигналы и наоборот.Кроме того, очень низкая индуктивность делает его особенно эффективным на высоких частотах », — сказал Камбрелин.

    Баланс между половинками конденсатора также означает, что пьезоэлектрические эффекты равны и противоположны, компенсируясь. Это также влияет на изменение температуры и напряжения, поэтому компоненты обеих линий стареют одинаково.

    «По сравнению с решением с синфазным дросселем, это устройство обеспечивает значительно большее подавление радиопомех в значительно меньшем корпусе. Он также отвергает гораздо более широкую полосу частот », — добавил Камбрелин.

    Обратной стороной этих монолитных фильтров электромагнитных помех является то, что их нельзя использовать, если синфазный шум находится на той же частоте, что и дифференциальный сигнал. «В этом случае лучше использовать дроссель синфазного тока», — сказал Камбрелин.

    Хотя монолитные фильтры электромагнитных помех изначально стоят дороже, чем эквивалентные обычные конденсаторы, наши клиенты говорят нам, что их стоимость составляет лишь часть стоимости одного синфазного дросселя.

    % PDF-1.3 % 1158 0 объект > эндобдж xref 1158 77 0000000016 00000 н. 0000005970 00000 н. 0000006187 00000 н. 0000006548 00000 н. 0000007341 00000 п. 0000007890 00000 н. 0000008583 00000 н. 0000008641 00000 п. 0000008756 00000 н. 0000009438 00000 н. 0000009986 00000 н. 0000010071 00000 п. 0000012016 00000 п. 0000012138 00000 п. 0000014179 00000 п. 0000016220 00000 н. 0000016392 00000 п. 0000016992 00000 н. 0000017125 00000 п. 0000019806 00000 п. 0000020168 00000 н. 0000020473 00000 п. 0000023874 00000 п. 0000027195 00000 п. 0000028648 00000 п. 0000031905 00000 п. 0000032018 00000 п. 0000032141 00000 п. 0000032260 00000 п. 0000035459 00000 п. 0000035772 00000 п. 0000036107 00000 п. 0000036136 00000 п. 0000036273 00000 п. 0000041193 00000 п. 0000041585 00000 п. 0000041880 00000 п. 0000049672 00000 п. 0000049713 00000 п. 0000049967 00000 н. 0000054135 00000 п. 0000054250 00000 п. 0000054372 00000 п. 0000054475 00000 п. 0000059874 00000 п. 0000060164 00000 п. 0000060336 00000 п. 0000060365 00000 п. 0000060489 00000 п. 0000060608 00000 п. 0000067319 00000 п. 0000067619 00000 п. 0000067870 00000 п. 0000067899 00000 п. 0000069107 00000 п. 0000069472 00000 п. 0000070263 00000 п. 0000070605 00000 п. 0000082398 00000 п. 0000082439 00000 п. 0000094586 00000 п. 0000111197 00000 н. 0000111997 00000 н. 0000116783 00000 н. 0000120753 00000 н. 0000122707 00000 н. 0000137622 00000 н. 0000153081 00000 н. 0000154602 00000 н. 0000178157 00000 н. 0000179742 00000 н. 0000180574 00000 н. 0000181662 00000 н. 0000182863 00000 н. 0000183759 00000 н. 0000185121 00000 н. 0000001883 00000 н. трейлер ] / Назад 2434143 >> startxref 0 %% EOF 1234 0 объект > поток a3! Y, «M-y | 13PO3JH * kVX pwQS * RmZv ~ / S 큡 p7_w ݲ i? wf * m ~; P26rfh4W 82r * Q ( Р.҄Iu01O: ͜: C’JvT7 & ểxy [2pt] gGO ‘+ ת $% 6 夁 QK: fQ [@Pkg) PJ «‘ AJ ~ @: Π) DYj ߜ ύ! S): V

    Будьте осторожны с низкой стоимостью / качеством. Mode Chokes….

    Уважаемые читатели, в последние месяцы я был очень занят обучением и устранением неисправностей EMI. Я рад снова быть здесь с новым сообщением.

    В этом месяце мы увидим тему от реальная ситуация — очень интересная — для проектировщиков электроники, работающих над проблемами кондуктивной эмиссии

    В одном из проектов, в котором я участвовал несколько недель назад, у продукта не было кондуктивных эмиссий в линии электропитания переменного тока.При измерениях с помощью LISN (сети стабилизации импеданса линии) проблема была связана с синфазным излучением.

    Разработчик схемы попытался использовать дроссель синфазного тока, чтобы уменьшить выбросы (конденсаторы типа Y были невозможны для этого приложения).

    Был использован недорогой (это важно!) Дроссель синфазного тока с тороидальным сердечником.

    Для этого компонента у него было несколько образцов для тестирования, и изначально дроссель выглядел как эффективное решение для испытаний внутри компании.Назовем использованный дроссель ЧКА.

    Благодаря многообещающим результатам в компании, опытный образец был специально подготовлен для отправки во внешнюю лабораторию (время скрестить пальцы!).

    Но во внешней лаборатории продукт снова вышел из строя (я думаю, вы экспериментировали с подобной ситуацией), и у вас на ум приходит типичный вопрос: «Как это возможно, что решение в компании не сработало во внешней лаборатории?»

    Ответ на этот вопрос, как обычно, заключается в обнаружении различий между обоими сценариями.

    Анализируя проблему, я обнаружил, что дроссель, использованный в прототипе для внешней лаборатории, отличался от того, который был припаян в исходном прототипе. Тот же номер детали, тот же производитель, та же коробка с образцами, но…. другой блок, а не ТОЧНО дроссель, используемый в компании. Назовем второй штуцер ЧКБ.

    Прежде чем объяснять причину отказа, давайте рассмотрим основы синфазного дросселя.

    Синфазный дроссель — это спаренная катушка индуктивности: две катушки индуктивности построены с использованием одного и того же сердечника.Обратите внимание на то, как намотка (рис. 1) очень важна для получения синфазного дросселя.

    Рис. 1. Идеальный дроссель синфазного сигнала для дифференциальных токов (слева), синфазных токов (в середине) и символ для схемы (справа).

    Для этого идеального дросселя магнитный поток в сердечнике обусловлен тем, что токи дифференциальной моды iDM (рис. 1, слева) компенсируют друг друга, что приводит к нулевому импедансу. Но магнитный поток, вызванный синфазными токами iCM (рис. 1, в середине), накапливается, что приводит к высокому значению импеданса.Обозначение этого типа дросселя (рис. 1, справа) использует две точки, чтобы указать, как должны быть сделаны обмотки, чтобы добиться такого поведения.

    Подводя итог, идеальный дроссель синфазного режима выглядит как простой провод для сигналов дифференциального режима, в то время как он выглядит как индуктор для сигналов синфазного режима. Одним из преимуществ таких дросселей является то, что они не насыщаются токами дифференциального режима.

    Для этих связанных катушек индуктивности коэффициент связи k можно рассчитать по формуле. 1:

    k = M / √ (L1 × L2) (Ур.1)

    , а индуктивности синфазного и дифференциального режимов могут быть получены из уравнения. 2:

    LDM = 2 × (L-M) и LCM = (L + M) / 2 (уравнение 2)

    , где M — взаимная индуктивность, а L1, L2 — индуктивности для обеих катушек индуктивности.

    Учитывая, что индукторы равны, L1 = L и для 100% идеальной связи k = 1 взаимная индуктивность M определяется по формуле. 1, равная индуктивности L (M = L), а индуктивности в синфазном и дифференциальном режимах взяты из уравнения. 2, LDM = 0 и LCM = L.

    Итак, подтверждено, что мы обнаружим не эффект импеданса для сигналов дифференциального режима, а некоторое значение импеданса для сигналов синфазного режима.

    В реальном синфазном дросселе подавление не идеальное. В результате импеданс дифференциального режима не равен нулю. Этот эффект иногда называют «утечкой». Это полезно для фильтрации сигналов дифференциального режима, но в сильноточных приложениях необходимо проверять эффект насыщения.

    Вернемся к нашему примеру с ошибкой в ​​лаборатории. Чтобы проанализировать ситуацию, я измерил отклик обоих дросселей с помощью анализатора цепей Bode 100 (действительно полезный инструмент, если вас интересуют частоты до 50 МГц).

    Упрощенное измерение синфазного дросселя может быть выполнено, как показано на рис. 2:

    Рис. 2. Упрощенное измерение импедансов синфазного дросселя.

    Было измерено удовлетворительное функционирование дросселя в нашем приложении (CHKA), результаты представлены на рис. 03:

    Рис. 3. Простая характеристика CHKA.

    Вы можете увидеть, насколько велико сопротивление эффекта синфазного режима по сравнению с эффектом дифференциального режима.

    Для второго дросселя (CHKB), который вышел из строя в лаборатории, я смог увидеть очень тонкую разницу: у одной из катушек дросселя не хватало ОДНОГО ОБОРОТА (рис. 4).

    Рис. 4. Дроссели, использованные в нашем примере.

    ЧКА имел 14 витков для L1 и L2. ЧКБ имел 14 витков для L1 и 13 витков для L2.

    Это очень важное отличие. Если одна из катушек не совсем такая, как другая, индуктивность синфазного режима будет уменьшена (плохая фильтрация синфазного сигнала), а дифференциальная индуктивность увеличится (возможно, сердечник может быть насыщен номинальным током в сильноточных приложениях).

    Ядра такого типа наматываются вручную, поэтому человеческие ошибки и / или низкокачественные тесты могут создать эту трудную для поиска проблему.

    Сравнение обоих дросселей представлено на рис. 5:

    Рис. 5. Сравнение дросселей CHKA и CHKB.

    Из измерений ясно, насколько важна идеальная симметрия для двух катушек в дросселе. При отсутствии только одного витка в одной из катушек полное сопротивление синфазного сигнала (рис. 5, слева) резко уменьшается, как, например, от точки A к точке B на той же конкретной частоте.В результате будет снижена эффективность фильтрации синфазных сигналов EMI.

    Таким же образом индуктивность дифференциального режима увеличивается от A до B (рис. 5, справа) с типичным эффектом насыщения сердечника.

    Позвольте мне завершить этот пост двумя важными советами: 1) будьте осторожны с дешевыми / некачественными компонентами; и 2) попробуйте иметь в своей лаборатории анализатор цепей или анализатор импеданса, чтобы проверить, какой компонент вы используете в своей конструкции. И, конечно же, удачи в следующем дизайне!

    Фильтрация синфазного шума в автомобильной среде — Electronics World

    Джефф Эллиотт, технический писатель

    По мере усложнения конструкции при усадке упаковок, несколько факторов объединяются, чтобы увеличить количество шумовых помех, которые ухудшают функциональность конструкции и даже повреждают компоненты.

    Ярким примером являются современные автомобили. В одном автомобиле есть Wi-Fi, Bluetooth, спутниковое радио, системы GPS, светодиодные фонари, кондиционер, гидроусилитель руля, антиблокировочная система тормозов, камеры заднего вида и другие системы, количество и функциональность которых продолжает расти. Многие автомобильные системы нуждаются в двигателях постоянного тока для питания сидений, окон, люков, зеркал, дворников и т. Д.

    Чтобы предотвратить взаимные помехи между ними, в промышленности обычно используют экранирование вместе с фильтрами электромагнитных помех в различных конфигурациях.К сожалению, некоторых традиционных решений по устранению EMI / RFI уже недостаточно, учитывая увеличение рабочих частот схемы, генерацию высокочастотного шума и уменьшение расстояний между компонентами, влияющими на шум.

    Если этого было недостаточно, многие электронные устройства более чувствительны к шуму даже при малой мощности из-за того, что схемы работают при более низких напряжениях.

    Это привело к тому, что производители оригинального оборудования отказались от некоторых опций, таких как двухконденсаторные дифференциалы, трехконденсаторные (одна X-cap и 2 Y-caps) проходные фильтры, синфазные дроссели или любая их комбинация, для более подходящих решений, таких как как монолитные фильтры электромагнитных помех, которые обеспечивают превосходное подавление шума в значительно меньших корпусах.

    EMI / RFI шум

    Электромагнитные волны могут вызывать нежелательные токи в электронных устройствах, мешать работе или вообще вызывать нежелательные операции.

    Излучение EMI ​​/ RFI может быть кондуктивным или излученным. При наведении шум распространяется по электрическим проводникам, тогда как излучаемые электромагнитные помехи возникают, когда шум распространяется по воздуху в виде магнитных полей или радиоволн.

    Даже если энергия, подаваемая извне, низкая, смешанная с радиовещательными и коммуникационными радиоволнами, это может вызвать потерю приема, шум в звуке или искажение видео.Если сильнее, эта энергия может повредить электронные устройства.

    Источники шума могут быть естественного происхождения, например электростатический разряд, освещение и другие источники, или искусственными, например, контактный шум, утечка из высокочастотных устройств, нежелательные излучения (например, гармоническое излучение от цифровых цепей, излучение от импульсных источников питания). ), и другие. Электронные устройства также создают внутренний шум, вызывая помехи в соседних цепях.

    Обычно шум EMI / RFI является синфазным шумом, поэтому решение будет заключаться в устранении нежелательных высоких частот с помощью фильтра EMI, либо как отдельного устройства, либо встроенного в печатную плату.Это также соответствует нормативным стандартам, которые ограничивают уровень шума, который может быть издан.

    Фильтры электромагнитных помех

    Фильтры электромагнитных помех обычно состоят из пассивных компонентов, таких как конденсаторы и катушки индуктивности.

    «Катушки индуктивности пропускают постоянный ток или токи низкой частоты, блокируя вредные, нежелательные высокочастотные токи. Конденсаторы обеспечивают путь с низким импедансом для отвода высокочастотного шума от входа фильтра либо обратно в источник питания, либо на землю », — объясняет Кристоф Камбрелин из Johanson Dielectrics, компании, производящей разнообразные многослойные керамические конденсаторы и Фильтры электромагнитных помех.

    Традиционные подходы к синфазной фильтрации включают фильтры нижних частот, содержащие конденсаторы, которые пропускают сигналы с частотой ниже выбранной частоты среза и ослабляют сигналы с частотами выше частоты среза.

    Обычной отправной точкой является применение пары конденсаторов в дифференциальной конфигурации с одним конденсатором между каждой дорожкой и землей дифференциального входа. Емкостной фильтр в каждой ветви отводит EMI / RFI на землю выше заданной частоты среза.Поскольку эта конфигурация включает отправку сигнала в противофазе по двум проводам, отношение сигнал / шум улучшается за счет отправки нежелательного шума на землю.

    «К сожалению, значение емкости многослойного керамического конденсатора с диэлектриком X7R (обычно используемым для этой функции) значительно изменяется со временем, напряжением смещения и температурой», — сказал Камбрелин. «Таким образом, даже если два конденсатора точно соответствуют друг другу при комнатной температуре и низком напряжении, в определенный момент времени очень вероятно, что они будут иметь совсем другое значение после изменения времени, напряжения или температуры.Это несоответствие между двумя линиями приведет к тому, что отклик рядом с отсечкой фильтра будет неравным, и, следовательно, он преобразует синфазный шум в дифференциальный шум ».

    Другое решение — подключить большой конденсатор X к двум конденсаторам Y. Шунт конденсатора X обеспечивает желаемый эффект синфазной балансировки, но с нежелательным побочным эффектом фильтрации дифференциального сигнала.

    Синфазные дроссели

    Возможно, наиболее распространенным решением и альтернативой фильтрам нижних частот является дроссель синфазного сигнала.Это трансформатор 1: 1, в котором обе обмотки действуют как первичные и вторичные. В этом подходе ток через одну обмотку индуцирует встречный ток в другой обмотке. К сожалению, синфазные дроссели также большие, тяжелые, дорогие и подвержены отказу из-за вибрации. Тем не менее, идеальный синфазный дроссель с идеальным согласованием и связью между обмотками полностью прозрачен для дифференциальных сигналов и обеспечивает очень высокое сопротивление синфазному шуму.

    Одним из недостатков синфазных дросселей является ограниченный частотный диапазон из-за паразитной емкости.Для данного материала сердечника, чем выше индуктивность, используемая для получения низкочастотной фильтрации, тем больше требуется количество витков и, как следствие, паразитная емкость, которая препятствует высокочастотной фильтрации.

    Несоответствие между обмотками из-за механических производственных допусков может вызвать преобразование режима, при котором часть энергии сигнала преобразуется в синфазный шум и наоборот, вызывая проблемы с электромагнитной совместимостью и помехоустойчивостью. Несовпадения также уменьшают эффективную индуктивность каждой ноги.

    Синфазные дроссели действительно имеют большое преимущество перед другими вариантами, когда дифференциальные сигналы (пропускаемые) работают в том же частотном диапазоне, что и синфазный шум, который необходимо подавлять. При использовании дросселя синфазного сигнала полоса пропускания сигнала может расширяться до полосы подавления синфазного сигнала.

    Монолитные фильтры электромагнитных помех

    Существуют альтернативы синфазным дросселям в виде монолитных фильтров электромагнитных помех. При правильной компоновке эти многослойные керамические компоненты обеспечивают превосходное подавление синфазного шума.Они объединяют два симметричных шунтирующих конденсатора в одном корпусе с компенсацией взаимной индуктивности и экранированием. Эти фильтры от Johanson Dielectrics используют два отдельных электрических пути в одном устройстве, подключенном к четырем внешним соединениям.

    Однако следует отметить, что монолитный фильтр электромагнитных помех не является традиционным сквозным конденсатором. Хотя они выглядят одинаково (одинаковая упаковка и внешний вид), их дизайн сильно различается, и они не связаны одинаковым образом.

    Как и другие фильтры электромагнитных помех, монолитные фильтры электромагнитных помех ослабляют всю энергию выше заданной частоты среза и пропускают только необходимые сигналы, в то время как другие, включая шум, отводятся на землю.

    Ключевым моментом, однако, является очень низкая индуктивность и согласованный импеданс. В монолитных фильтрах EMI выводы подключаются внутри к общему контрольному (экранному) электроду внутри устройства, а пластины разделяются контрольным электродом.

    Электростатически три электрических узла образованы двумя емкостными половинами, которые имеют общие электроды сравнения, все они содержатся в едином керамическом корпусе.

    «Будучи очень хорошо сбалансированным, монолитный фильтр электромагнитных помех практически не обеспечивает преобразования синфазного шума в дифференциальные сигналы и наоборот.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *