خازن‌های فیلتر، سلف‌های حالت مشترک و مهره‌های مغناطیسی، شکل‌های رایجی در مدارهای طراحی EMC هستند و همچنین سه ابزار قدرتمند برای حذف تداخل الکترومغناطیسی می‌باشند.
برای نقش این سه در مدار، من معتقدم که بسیاری از مهندسان درک نمی‌کنند، مقاله‌ای از طراحی، تجزیه و تحلیل دقیقی از اصل حذف سه مورد از واضح‌ترین تداخل الکترومغناطیسی ارائه می‌دهد.
۱. خازن فیلتر
اگرچه رزونانس خازن از نظر فیلتر کردن نویز فرکانس بالا نامطلوب است، اما رزونانس خازن همیشه مضر نیست.
وقتی فرکانس نویزی که باید فیلتر شود تعیین شد، می‌توان ظرفیت خازن را طوری تنظیم کرد که نقطه تشدید دقیقاً روی فرکانس اختلال قرار گیرد.
در مهندسی عملی، فرکانس نویز الکترومغناطیسی که باید فیلتر شود اغلب به بزرگی صدها مگاهرتز یا حتی بیش از ۱ گیگاهرتز است. برای چنین نویز الکترومغناطیسی با فرکانس بالا، لازم است از یک خازن درون هسته برای فیلتر کردن موثر استفاده شود.
دلیل اینکه خازن‌های معمولی نمی‌توانند نویز فرکانس بالا را به طور مؤثر فیلتر کنند، دو دلیل دارد:
(1) یکی از دلایل این است که اندوکتانس سر خازن باعث رزونانس خازن می‌شود که امپدانس بزرگی را در برابر سیگنال فرکانس بالا ایجاد می‌کند و اثر بای‌پس سیگنال فرکانس بالا را تضعیف می‌کند.
(2) دلیل دیگر این است که خازن انگلی بین سیم‌هایی که سیگنال فرکانس بالا را کوپلینگ می‌کنند، اثر فیلترینگ را کاهش می‌دهند.
دلیل اینکه خازن سرتاسری می‌تواند نویز فرکانس بالا را به طور مؤثر فیلتر کند این است که خازن سرتاسری نه تنها مشکلی که اندوکتانس سرب باعث می‌شود فرکانس رزونانس خازن خیلی پایین باشد را ندارد.
و خازن هسته میانی را می‌توان مستقیماً روی پنل فلزی نصب کرد و از پنل فلزی برای ایفای نقش ایزولاسیون فرکانس بالا استفاده کرد. با این حال، هنگام استفاده از خازن هسته میانی، مشکلی که باید به آن توجه کرد، مشکل نصب است.
بزرگترین نقطه ضعف خازن‌های هسته کامل، ترس از دمای بالا و ضربه دما است که هنگام جوشکاری خازن هسته کامل به پنل فلزی، مشکلات بزرگی ایجاد می‌کند.
بسیاری از خازن‌ها در حین جوشکاری آسیب می‌بینند. به خصوص وقتی تعداد زیادی خازن اصلی باید روی پنل نصب شوند، تا زمانی که آسیبی وجود داشته باشد، تعمیر آن دشوار است، زیرا وقتی خازن آسیب دیده برداشته شود، به سایر خازن‌های مجاور نیز آسیب می‌رساند.
اندوکتانس حالت مشترک
از آنجایی که مشکلاتی که EMC با آن مواجه است، عمدتاً تداخل حالت مشترک است، سلف‌های حالت مشترک نیز یکی از اجزای قدرتمند مورد استفاده ما هستند.
سلف حالت مشترک یک دستگاه سرکوب تداخل حالت مشترک با هسته فریت است که از دو سیم‌پیچ با اندازه و تعداد دور یکسان تشکیل شده است که به صورت متقارن روی یک هسته مغناطیسی حلقه فریت پیچیده شده‌اند تا یک دستگاه چهار ترمیناله را تشکیل دهند که دارای اثر سرکوب القایی بزرگ برای سیگنال حالت مشترک و یک اثر القایی نشتی کوچک برای سیگنال حالت تفاضلی است.
اصل این است که وقتی جریان حالت مشترک جریان می‌یابد، شار مغناطیسی در حلقه مغناطیسی بر یکدیگر منطبق می‌شوند، بنابراین دارای یک اندوکتانس قابل توجه هستند که جریان حالت مشترک را مهار می‌کند و هنگامی که دو سیم‌پیچ از طریق جریان حالت تفاضلی جریان می‌یابند، شار مغناطیسی در حلقه مغناطیسی یکدیگر را خنثی می‌کند و تقریباً هیچ اندوکتانسی وجود ندارد، بنابراین جریان حالت تفاضلی می‌تواند بدون تضعیف عبور کند.
بنابراین، سلف حالت مشترک می‌تواند به طور مؤثر سیگنال تداخل حالت مشترک را در خط متعادل سرکوب کند، اما هیچ تاثیری بر انتقال عادی سیگنال حالت تفاضلی ندارد.
سلف‌های حالت مشترک باید هنگام تولید، الزامات زیر را برآورده کنند:
(1) سیم‌های پیچیده شده روی هسته سیم‌پیچ باید عایق‌بندی شوند تا اطمینان حاصل شود که هیچ اتصال کوتاه شکستی بین دورهای سیم‌پیچ تحت تأثیر اضافه ولتاژ آنی وجود ندارد.
(2) هنگامی که سیم پیچ از طریق جریان بزرگ لحظه ای جریان می یابد، هسته مغناطیسی نباید اشباع شود.
(3) هسته مغناطیسی در سیم‌پیچ باید از سیم‌پیچ عایق‌بندی شود تا از شکست بین این دو تحت تأثیر اضافه ولتاژ آنی جلوگیری شود.
(4) سیم‌پیچ باید تا حد امکان به صورت تک‌لایه پیچیده شود تا ظرفیت خازنی انگلی سیم‌پیچ کاهش یافته و توانایی سیم‌پیچ در انتقال اضافه ولتاژ گذرا افزایش یابد.
در شرایط عادی، ضمن توجه به انتخاب باند فرکانسی مورد نیاز برای فیلتر، هرچه امپدانس حالت مشترک بزرگتر باشد، بهتر است، بنابراین هنگام انتخاب سلف حالت مشترک، عمدتاً بر اساس منحنی فرکانس امپدانس، باید به داده‌های دستگاه نگاه کنیم.
علاوه بر این، هنگام انتخاب، به تأثیر امپدانس حالت دیفرانسیلی بر سیگنال توجه کنید، عمدتاً روی امپدانس حالت دیفرانسیلی تمرکز کنید، به خصوص به پورت‌های پرسرعت توجه کنید.
مهره مغناطیسی
در فرآیند طراحی مدار دیجیتال محصول EMC، ما اغلب از مهره‌های مغناطیسی استفاده می‌کنیم، ماده فریت آلیاژ آهن-منیزیم یا آلیاژ آهن-نیکل است، این ماده نفوذپذیری مغناطیسی بالایی دارد، می‌تواند به عنوان سلف بین سیم‌پیچ کویل در صورت فرکانس بالا و مقاومت بالا، حداقل ظرفیت خازنی را تولید کند.
مواد فریت معمولاً در فرکانس‌های بالا استفاده می‌شوند، زیرا در فرکانس‌های پایین، مشخصه‌های اصلی القایی آنها باعث می‌شود تلفات روی خط بسیار کوچک باشد. در فرکانس‌های بالا، آنها عمدتاً نسبت‌های مشخصه راکتانس هستند و با فرکانس تغییر می‌کنند. در کاربردهای عملی، مواد فریت به عنوان تضعیف‌کننده‌های فرکانس بالا برای مدارهای فرکانس رادیویی استفاده می‌شوند.
در واقع، فریت معادل بهتری برای موازی بودن مقاومت و اندوکتانس است، مقاومت در فرکانس پایین توسط سلف اتصال کوتاه می‌شود و امپدانس سلف در فرکانس بالا کاملاً زیاد می‌شود، به طوری که جریان همه از مقاومت عبور می‌کند.
فریت یک وسیله مصرفی است که در آن انرژی فرکانس بالا به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود که با ویژگی‌های مقاومت الکتریکی آن تعیین می‌شود. دانه‌های مغناطیسی فریت ویژگی‌های فیلترینگ فرکانس بالای بهتری نسبت به سلف‌های معمولی دارند.
فریت در فرکانس‌های بالا مقاومتی است، معادل یک سلف با ضریب کیفیت بسیار پایین، بنابراین می‌تواند امپدانس بالایی را در یک محدوده فرکانسی وسیع حفظ کند و در نتیجه راندمان فیلترینگ فرکانس بالا را بهبود بخشد.
در باند فرکانس پایین، امپدانس از اندوکتانس تشکیل شده است. در فرکانس پایین، R بسیار کوچک است و نفوذپذیری مغناطیسی هسته زیاد است، بنابراین اندوکتانس بزرگ است. L نقش اصلی را ایفا می‌کند و تداخل الکترومغناطیسی توسط انعکاس سرکوب می‌شود. و در این زمان، تلفات هسته مغناطیسی کم است، کل دستگاه تلفات کم و ویژگی‌های Q بالایی از سلف دارد، این سلف به راحتی باعث ایجاد رزونانس می‌شود، بنابراین در باند فرکانس پایین، گاهی اوقات ممکن است پس از استفاده از دانه‌های مغناطیسی فریت، تداخل افزایش یابد.
در باند فرکانس بالا، امپدانس از مولفه های مقاومتی تشکیل شده است. با افزایش فرکانس، نفوذپذیری هسته مغناطیسی کاهش می یابد و در نتیجه اندوکتانس سلف کاهش یافته و مولفه راکتانس القایی کاهش می یابد.
با این حال، در این زمان، از دست دادن هسته مغناطیسی افزایش می‌یابد، مولفه مقاومت افزایش می‌یابد و در نتیجه امپدانس کل افزایش می‌یابد و هنگامی که سیگنال فرکانس بالا از فریت عبور می‌کند، تداخل الکترومغناطیسی جذب شده و به شکل اتلاف گرما تبدیل می‌شود.
اجزای حذف فریت به طور گسترده در بردهای مدار چاپی، خطوط برق و خطوط داده استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، یک عنصر حذف فریت به انتهای ورودی سیم برق برد چاپی اضافه می‌شود تا تداخل فرکانس بالا را فیلتر کند.
حلقه مغناطیسی فریت یا مهره مغناطیسی به طور خاص برای سرکوب تداخل فرکانس بالا و تداخل پیک در خطوط سیگنال و خطوط برق استفاده می‌شود و همچنین توانایی جذب تداخل پالس تخلیه الکترواستاتیک را دارد. استفاده از مهره‌های مغناطیسی تراشه یا سلف‌های تراشه عمدتاً به کاربرد عملی بستگی دارد.
سلف‌های تراشه‌ای در مدارهای رزونانسی استفاده می‌شوند. هنگامی که نیاز به حذف نویز EMI غیرضروری باشد، استفاده از دانه‌های مغناطیسی تراشه‌ای بهترین انتخاب است.
کاربرد دانه‌های مغناطیسی تراشه و سلف‌های تراشه
سلف‌های تراشه‌ای:فرکانس رادیویی (RF) و ارتباطات بی‌سیم، تجهیزات فناوری اطلاعات، آشکارسازهای راداری، الکترونیک خودرو، تلفن‌های همراه، پیجرها، تجهیزات صوتی، دستیارهای دیجیتال شخصی (PDA)، سیستم‌های کنترل از راه دور بی‌سیم و ماژول‌های منبع تغذیه ولتاژ پایین.
دانه‌های مغناطیسی تراشه‌ای:مدارهای تولید ساعت، فیلتر کردن بین مدارهای آنالوگ و دیجیتال، کانکتورهای داخلی ورودی/خروجی I/O (مانند پورت‌های سریال، پورت‌های موازی، صفحه کلیدها، ماوس‌ها، ارتباطات از راه دور، شبکه‌های محلی)، مدارهای RF و دستگاه‌های منطقی مستعد تداخل، فیلتر کردن تداخل هدایت‌شده با فرکانس بالا در مدارهای منبع تغذیه، رایانه‌ها، چاپگرها، ضبط‌کننده‌های ویدیویی (VCRS)، حذف نویز EMI در سیستم‌های تلویزیونی و تلفن‌های همراه.
واحد مهره مغناطیسی اهم است، زیرا واحد مهره مغناطیسی مطابق با امپدانس اسمی است که در یک فرکانس خاص تولید می‌کند و واحد امپدانس نیز اهم است.
برگه اطلاعات مهره مغناطیسی معمولاً مشخصات فرکانس و امپدانس منحنی را ارائه می‌دهد، که معمولاً ۱۰۰ مگاهرتز به عنوان استاندارد در نظر گرفته می‌شود، برای مثال، وقتی فرکانس ۱۰۰ مگاهرتز باشد، امپدانس مهره مغناطیسی معادل ۱۰۰۰ اهم است.
برای باند فرکانسی که می‌خواهیم فیلتر کنیم، باید امپدانس مهره مغناطیسی را هرچه بزرگتر انتخاب کنیم، بهتر است، معمولاً امپدانس ۶۰۰ اهم یا بیشتر را انتخاب می‌کنیم.
علاوه بر این، هنگام انتخاب دانه‌های مغناطیسی، لازم است به شار دانه‌های مغناطیسی توجه شود که عموماً باید تا 80٪ کاهش یابد و هنگام استفاده در مدارهای قدرت، تأثیر امپدانس DC بر افت ولتاژ باید در نظر گرفته شود.
زمان ارسال: ۲۴ ژوئیه ۲۰۲۳
