تطبيق الحبيبات المغناطيسية في تصميم EMC لإمداد الطاقة
أصبحت EMC قضية ساخنة وصعبة في التصميم والتصنيع الإلكتروني اليوم. مشكلة التوافق الكهرومغناطيسي في التطبيق العملي معقدة للغاية ولا يمكن حلها بالاعتماد على المعرفة النظرية. يعتمد ذلك أكثر على الخبرة العملية لمهندسي الإلكترونيات. من أجل حل مشكلة التوافق الكهرومغناطيسي للمنتجات الإلكترونية بشكل أفضل ، من الضروري مراعاة مشكلات مثل التأريض وتصميم الدوائر ولوحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور وتصميم الكابلات وتصميم التدريع.
يقدم هذا البحث المبادئ والخصائص الأساسية للحبيبات المغناطيسية لتوضيح أهميتها في تبديل مزود الطاقة EMC ، من أجل تزويد مصممي منتجات إمدادات الطاقة المحولة بخيارات أكثر وأفضل عند تصميم منتجات جديدة.
1 مكونات قمع التداخل الكهرومغناطيسي الفريت
الفريت مادة مغنطيسية ذات هيكل شبكي مكعب. عملية التصنيع وخصائصه الميكانيكية مماثلة لتلك الخاصة بالسيراميك ، ولونه رمادي-أسود. أحد أنواع النواة المغناطيسية المستخدمة غالبًا في فلاتر التداخل الكهرومغناطيسي هو مادة الفريت ، وتوفر العديد من الشركات المصنعة مواد الفريت المستخدمة خصيصًا لقمع التداخل الكهرومغناطيسي. تتميز هذه المادة بخسائر كبيرة جدًا عالية التردد. بالنسبة للفريت المستخدم لقمع التداخل الكهرومغناطيسي ، فإن أهم معلمات الأداء هي النفاذية المغناطيسية μ وكثافة التدفق المغناطيسي للتشبع Bs. يمكن التعبير عن النفاذية المغناطيسية μ كرقم معقد ، ويشكل الجزء الحقيقي الحث ، ويمثل الجزء التخيلي الخسارة التي تزداد مع زيادة التردد. لذلك ، فإن دائرتها المكافئة عبارة عن دائرة متسلسلة تتكون من مغو L ومقاوم R ، وكلاهما L و R هما وظيفتان للتردد. عندما يمر السلك عبر قلب الفريت هذا ، تزداد الممانعة الحثية المشكلة في الشكل مع زيادة التردد ، لكن الآلية مختلفة تمامًا عند الترددات المختلفة.
في نطاق التردد المنخفض ، تتكون الممانعة من مفاعلة الحث. عند الترددات المنخفضة ، يكون R صغيرًا جدًا ، والنفاذية المغناطيسية للنواة المغناطيسية عالية ، وبالتالي يكون الحث كبيرًا ، ويلعب L دورًا رئيسيًا ، وينعكس التداخل الكهرومغناطيسي ويتم قمعه ؛ وفي هذا الوقت المغناطيسية ، يكون فقدان النواة صغيرًا ، والجهاز بأكمله عبارة عن محث ذو خسارة منخفضة وخصائص Q عالية. هذا المحرِّض من السهل إحداث الرنين. لذلك ، في نطاق التردد المنخفض ، قد تكون هناك في بعض الأحيان ظاهرة تداخل معزز بعد استخدام خرز الفريت.
في النطاق عالي التردد ، تتكون الممانعة من مكونات مقاومة. مع زيادة التردد ، تقل النفاذية المغناطيسية للنواة المغناطيسية ، مما يؤدي إلى انخفاض في محاثة المحرِّض ، وانخفاض في مكون التفاعل الحثي. ومع ذلك ، في هذا الوقت ، يزداد فقدان النواة المغناطيسية ويزداد عنصر المقاومة. ، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الكلية ، عندما تمر إشارة التردد العالي عبر الفريت ، يتم امتصاص التداخل الكهرومغناطيسي وتبديده على شكل طاقة حرارية.
تُستخدم مكونات كبت الفريت على نطاق واسع في لوحات الدوائر المطبوعة وخطوط الطاقة وخطوط البيانات. إذا تمت إضافة عنصر كبت حديدي إلى نهاية مدخل خط الطاقة للوحة المطبوعة ، فيمكن تصفية التداخل عالي التردد. تُستخدم الحلقات المغناطيسية الفريتية أو الخرزات المغناطيسية بشكل خاص لقمع التداخل عالي التردد والتداخل المفاجئ على خطوط الإشارة وخطوط الطاقة. كما أن لديها القدرة على امتصاص تداخل نبض التفريغ الكهروستاتيكي.
2. مبدأ وخصائص الخرزات المغناطيسية عندما يتدفق التيار عبر السلك في الفتحة المركزية ، سيكون مسارًا مغناطيسيًا يدور داخل الخرزة المغناطيسية. يجب صياغة الفريتات للتحكم في التداخل الكهرومغناطيسي بحيث يتم تبديد معظم التدفق المغناطيسي كحرارة في المادة. يمكن نمذجة هذه الظاهرة من خلال توليفة متسلسلة من مغو ومقاوم. كما هو موضح في الصورة 2
تتناسب القيمة العددية للمكونين مع طول الخرزة المغناطيسية ، ويؤثر طول الخرزة المغناطيسية تأثيرًا كبيرًا على تأثير الكبت. كلما كان طول الخرزة المغناطيسية أطول ، كان تأثير القمع أفضل. نظرًا لأن طاقة الإشارة مقترنة مغناطيسيًا بالخرز المغناطيسي ، فإن تفاعل ومقاومة المحرِّض تزداد مع زيادة التردد. تعتمد كفاءة الاقتران المغناطيسي على النفاذية المغناطيسية لمادة الخرزة بالنسبة للهواء. عادةً ما يمكن التعبير عن فقدان مادة الفريت التي تتكون منها الخرزة على أنها كمية معقدة من خلال نفاذيتها بالنسبة للهواء.
غالبًا ما تستخدم المواد المغناطيسية هذه النسبة لتمييز زاوية الخسارة. مطلوب زاوية خسارة كبيرة لمكونات قمع EMI ، مما يعني أن معظم التداخل سوف يتبدد ولن ينعكس. توفر المجموعة الواسعة من المواد الفريتية المتاحة اليوم للمصممين مجموعة واسعة من الخيارات لاستخدام خرزات الفريت في تطبيقات مختلفة.
3 تطبيق حبات مغناطيسية
3.1 القامع سبايك
أكبر عيب في تبديل مصدر الطاقة هو أنه من السهل توليد الضوضاء والتداخل ، وهي مشكلة فنية رئيسية ابتليت بتبديل مصدر الطاقة لفترة طويلة. إن ضوضاء مصدر طاقة التحويل ناتجة بشكل أساسي عن التبديل السريع للجهد العالي وتيار الدائرة القصيرة النبضي لأنبوب طاقة التبديل والصمام الثنائي لمعدل التحويل. لذلك ، فإن استخدام مكونات فعالة للحد منها إلى الحد الأدنى هو إحدى الطرق الرئيسية لقمع الضوضاء. عادةً ما يتم استخدام الحث المشبع غير الخطي لقمع ذروة تيار الاسترداد العكسي ، في هذا الوقت تكون حالة عمل قلب الحديد من -Bs إلى زائد B. وفقًا لاتساق النفاذية المغناطيسية العالية والخرز المغنطيسي لعنصر الحث الصغير جدًا القابل للإشباع على الصمام الثنائي الطليق لمزود طاقة التبديل ، تم تطوير مثبط الارتفاع المستخدم لقمع تيار الذروة المتولد عند تبديل مصدر طاقة التبديل.
خصائص أداء مثبطات سبايك
(1) القيم الأولية والحد الأقصى للمحاثة عالية جدًا ، والخطية لقيمة المحاثة المتبقية بعد التشبع غير واضحة للغاية. بعد توصيله في سلسلة بالدائرة ، يرتفع التيار ويظهر مقاومة عالية على الفور ، والتي يمكن استخدامها كعنصر معاوقة فورية.
(2) إنها مناسبة لمنع إشارة الذروة الحالية العابرة في دائرة أشباه الموصلات ، ودائرة إثارة الصدمة والضوضاء المصاحبة لها ، ويمكنها أيضًا منع تلف أشباه الموصلات.
(3) الحث المتبقي صغير للغاية ، وتكون الخسارة صغيرة جدًا عندما تكون الدائرة مستقرة.
(4) يختلف تمامًا عن أداء منتجات الفريت.
(5) طالما يتم تجنب التشبع المغناطيسي ، فيمكن استخدامه كعنصر تحريض صغير للغاية وعالي الحث.
(6) يمكن استخدامه كنواة حديدية عالية الأداء قابلة للتشبع مع خسارة منخفضة للتحكم وتوليد التذبذب.
يتطلب مثبط الارتفاع أن يكون للمادة الأساسية الحديدية نفاذية مغناطيسية أعلى للحصول على محاثة أكبر ؛ يمكن أن تجعل النسبة المربعة العالية قلب الحديد مشبعًا ، ويجب أن ينخفض الحث إلى الصفر بسرعة ؛ القوة القسرية صغيرة وفقدان التردد العالي منخفض ، وإلا فإن القلب لن يعمل بشكل صحيح بسبب تبديد الحرارة.
الغرض من مثبط الارتفاع هو بشكل أساسي تقليل إشارة الذروة الحالية ؛ تقليل الضوضاء الناتجة عن إشارة الذروة الحالية ؛ منع تلف تبديل الترانزستور ؛ تقليل فقدان التبديل من الترانزستور التبديل ؛ تعويض خصائص استعادة الصمام الثنائي ؛ منع إثارة الصدمة الحالية النبضة عالية التردد. استخدمه كمرشح خط صغير جدًا ، إلخ.
3.2 التطبيق في المرشح أ) نتيجة الاختبار بدون حبيبات مغناطيسية ب) نتيجة الاختبار باستخدام حبيبات مغناطيسية ج) نتيجة الاختبار باستخدام الخط L والخرز المغناطيسي د) نتيجة الاختبار بالخط N والخرز المغناطيسي
تتكون المرشحات العادية من مكونات تفاعلية غير ضائعة. وتتمثل وظيفتها في الدائرة في عكس تردد نطاق التوقف مرة أخرى إلى مصدر الإشارة ، لذلك يُطلق على هذا النوع من المرشحات أيضًا اسم مرشح الانعكاس. عندما لا يتطابق مرشح الانعكاس مع مقاومة مصدر الإشارة ، فإن جزءًا من الطاقة سينعكس مرة أخرى على مصدر الإشارة ، مما يؤدي إلى زيادة مستوى التداخل. لحل هذا العيب ، يمكن استخدام الحلقة المغناطيسية الفريتية أو الأكمام الخرزة المغناطيسية على الخط الوارد للمرشح ، ويمكن استخدام فقدان التيار الدوامي للإشارة عالية التردد بواسطة الحلقة الفريتية أو الخرزة المغناطيسية لتحويل الارتفاع العالي مكون التردد في فقدان الحرارة. لذلك ، فإن الحلقة المغناطيسية والخرزات المغناطيسية تمتص فعليًا مكونات عالية التردد ، لذلك يطلق عليها أحيانًا مرشحات الامتصاص.
مكونات كبت الفريت المختلفة لها نطاقات تردد قمع مثلى مختلفة. بشكل عام ، كلما زادت النفاذية ، انخفض التردد المكبوت. بالإضافة إلى ذلك ، كلما زاد حجم الفريت ، كان تأثير الكبت أفضل. عندما يكون الحجم ثابتًا ، يكون للشكل الطويل والرفيع تأثير قمع أفضل من الشكل القصير والسميك ، وكلما كان القطر الداخلي أصغر ، كان تأثير القمع أفضل. ومع ذلك ، في حالة تيار تحيز التيار المستمر أو التيار المتردد ، لا تزال هناك مشكلة تشبع الفريت. كلما زاد المقطع العرضي لعنصر الكبت ، قل احتمال تشبعه ، وزاد تيار التحيز الذي يمكنه تحمله.
بناءً على المبادئ والخصائص المذكورة أعلاه للخرز المغناطيسي ، يتم تطبيقه على مرشح تبديل مصدر الطاقة ، ويكون التأثير واضحًا. من نتائج الاختبار ، يمكن ملاحظة أن تطبيق الخرزات المغناطيسية يختلف اختلافًا كبيرًا. يمكن أن نرى من النتائج التجريبية أنه نظرًا لتأثير تبديل دائرة إمداد الطاقة والتخطيط الهيكلي والطاقة ، يكون لها أحيانًا تأثير قمع جيد على تداخل الوضع التفاضلي ، وأحيانًا يكون لها تأثير قمع جيد على تداخل الوضع الشائع ، وأحيانًا لا يمكنها قمع التداخل ، بل على العكس من ذلك ، ستزيد من تداخل الضوضاء.
عندما تمنع الحلقة / الحبة المغناطيسية الممتصة EMI تداخل الوضع التفاضلي ، فإن القيمة الحالية التي تمر عبرها تتناسب مع حجمها ، ويؤدي عدم التوازن بين الاثنين إلى التشبع ، مما يقلل من أداء المكون ؛ عند قمع تداخل الوضع الشائع ، قم بتوصيل السلكين (الموجب والسالب) لمزود الطاقة بالمرور عبر حلقة مغناطيسية في نفس الوقت ، والإشارة الفعالة هي إشارة الوضع التفاضلي ، وليس للحلقة المغناطيسية / الخرزة المغناطيسية الممتصة EMI أي تأثير عليه ، لكنه سيظهر محاثة كبيرة لإشارة الوضع المشترك. طريقة أخرى أفضل في استخدام الحلقة المغناطيسية هي جعل السلك الذي يمر عبر الحلقة المغناطيسية يلف بشكل متكرر عدة مرات لزيادة المحاثة. وفقًا لمبدأ قمع التداخل الكهرومغناطيسي ، يمكن استخدام تأثير التثبيط بشكل معقول.
يجب تثبيت مكونات كبت الفريت بالقرب من مصدر التداخل. بالنسبة لدائرة الإدخال / الإخراج ، يجب أن تكون قريبة قدر الإمكان من مدخل ومخرج علبة التدريع. بالنسبة لمرشح الامتصاص المكون من حلقة مغناطيسية من الفريت وحبات مغناطيسية ، بالإضافة إلى اختيار مواد ضائعة ذات نفاذية مغناطيسية عالية ، يجب الانتباه أيضًا إلى مناسبات تطبيقها. تبلغ مقاومتها للمكونات عالية التردد في الخط حوالي عشرة إلى مئات Ω ، لذا فإن دورها في الدوائر عالية المقاومة ليس واضحًا. على العكس من ذلك ، في الدوائر منخفضة المقاومة (مثل توزيع الطاقة أو مزود الطاقة أو دوائر التردد اللاسلكي) سيكون الاستخدام فعالاً للغاية.
