تطبيق الخرز المغناطيسي في تصميم EMC لتحويل إمدادات الطاقة
يقدم هذا البحث خصائص حبة الفريت، ووفقا لخصائصها، يتم تحليلها وتقديم تطبيقاتها الهامة في تصميم EMC لتحويل إمدادات الطاقة، وتعطي النتائج التجريبية والاختبارية في مرشح خط الطاقة.
أصبحت EMC مشكلة ساخنة وصعبة في التصميم والتصنيع الإلكتروني اليوم. إن مشكلة التوافق الكهرومغناطيسي في التطبيق العملي معقدة للغاية، ولا يمكن حلها بالاعتماد على المعرفة النظرية. ويعتمد الأمر أكثر على الخبرة العملية لمهندسي الإلكترونيات. من أجل حل مشكلة EMC للمنتجات الإلكترونية بشكل أفضل، من الضروري النظر في قضايا مثل التأريض، وتصميم الدوائر ولوحة PCB، وتصميم الكابلات، وتصميم التدريع.
تقدم هذه الورقة المبادئ والخصائص الأساسية للخرزات المغناطيسية لتوضيح أهميتها في تحويل إمدادات الطاقة EMC، من أجل تزويد مصممي منتجات تحويل الطاقة بخيارات أكثر وأفضل عند تصميم منتجات جديدة.
1 مكونات قمع الفريت EMI
الفريت عبارة عن مادة مغناطيسية ذات هيكل شبكي مكعب. تشبه عملية تصنيعه وخصائصه الميكانيكية تلك الخاصة بالسيراميك، ولونه رمادي-أسود. أحد أنواع النواة المغناطيسية المستخدمة غالبًا في مرشحات EMI هو مادة الفريت، والعديد من الشركات المصنعة توفر مواد الفريت المستخدمة خصيصًا لقمع EMI. تتميز هذه المادة بخسائر كبيرة جدًا في الترددات العالية. بالنسبة للفريت المستخدم لقمع التداخل الكهرومغناطيسي، فإن أهم معلمات الأداء هي النفاذية المغناطيسية μ وكثافة التدفق المغناطيسي التشبع Bs. يمكن التعبير عن النفاذية المغناطيسية μ كرقم مركب، الجزء الحقيقي يشكل الحث، والجزء التخيلي يمثل الخسارة، والتي تزداد مع زيادة التردد. ولذلك، فإن الدائرة المكافئة لها هي دائرة تسلسلية مكونة من مغو L ومقاوم R، وكلاهما L و R دالتان للتردد. عندما يمر السلك عبر قلب الفريت هذا، فإن المعاوقة الحثية المتكونة تزداد في الشكل مع زيادة التردد، لكن الآلية مختلفة تمامًا عند الترددات المختلفة.
في نطاق التردد المنخفض، تتكون المعاوقة من المفاعلة التحريضية للمحرِّض. في الترددات المنخفضة، يكون R صغيرًا جدًا، وتكون النفاذية المغناطيسية للنواة المغناطيسية عالية، وبالتالي فإن الحث كبير، ويلعب L دورًا رئيسيًا، وينعكس التداخل الكهرومغناطيسي ويتم قمعه؛ وفي هذا الوقت، يكون فقدان النواة المغناطيسية صغيرًا، والجهاز بأكمله عبارة عن مغو ذو خسارة منخفضة وخصائص Q عالية.
في نطاق التردد العالي، تتكون المعاوقة من مكونات المقاومة. مع زيادة التردد، تقل النفاذية المغناطيسية للقلب المغناطيسي، مما يؤدي إلى انخفاض في محاثة المحرِّض وانخفاض في مكون المفاعلة الحثي. ومع ذلك، في هذا الوقت، يزداد فقدان النواة المغناطيسية ويزداد مكون المقاومة، مما يؤدي إلى زيادة المعاوقة الإجمالية. عندما تمر الإشارة عالية التردد عبر الفريت، يتم امتصاص التداخل الكهرومغناطيسي وتبدده في شكل طاقة حرارية.
تُستخدم مكونات قمع الفريت على نطاق واسع في لوحات الدوائر المطبوعة وخطوط الكهرباء وخطوط البيانات. إذا تمت إضافة عنصر قمع الفريت إلى نهاية مدخل خط الطاقة للوحة المطبوعة، فيمكن تصفية التداخل عالي التردد. تُستخدم الحلقات المغناطيسية من الفريت أو الخرز المغناطيسي خصيصًا لقمع التداخل عالي التردد والتداخل المتصاعد على خطوط الإشارة وخطوط الكهرباء. كما أن لديها القدرة على امتصاص تداخل نبض التفريغ الكهروستاتيكي.
2. مبدأ وخصائص الخرز المغناطيسي عندما يتدفق التيار عبر السلك في الفتحة المركزية له، سيكون مسارًا مغناطيسيًا يدور داخل الخرزة المغناطيسية. ينبغي صياغة الفريت للتحكم في EMI بحيث يتبدد معظم التدفق المغناطيسي كحرارة في المادة. يمكن تمثيل هذه الظاهرة من خلال مجموعة متتالية من مغو ومقاوم. كما هو موضح في الصورة 2
القيمة العددية للمكونين تتناسب مع طول الخرزة المغناطيسية، وطول الخرزة المغناطيسية له تأثير كبير على تأثير القمع. كلما زاد طول الخرزة المغناطيسية، كان تأثير القمع أفضل. نظرًا لأن طاقة الإشارة مقترنة مغناطيسيًا بالخرزة المغناطيسية، فإن مفاعلة ومقاومة المحرِّض تزداد مع زيادة التردد. تعتمد كفاءة الاقتران المغناطيسي على النفاذية المغناطيسية لمادة الخرزة بالنسبة للهواء. عادة يمكن التعبير عن فقدان مادة الفريت التي تشكل الخرزة ككمية معقدة من خلال نفاذيتها بالنسبة للهواء.
غالبًا ما تستخدم المواد المغناطيسية هذه النسبة لوصف زاوية الفقد. مطلوب زاوية خسارة كبيرة لمكونات قمع EMI، مما يعني أن معظم التداخل سوف يتبدد ولن ينعكس. توفر المجموعة الواسعة من مواد الفريت المتوفرة اليوم للمصممين مجموعة واسعة من الخيارات لاستخدام خرز الفريت في تطبيقات مختلفة.
3 تطبيق الخرز المغناطيسي
3.1 مانع التسرب
أكبر عيب في تحويل مصدر الطاقة هو أنه من السهل توليد الضوضاء والتداخل، وهي مشكلة فنية رئيسية ابتليت بها تحويل مصدر الطاقة لفترة طويلة. يحدث ضجيج مصدر طاقة التبديل بشكل أساسي بسبب التبديل السريع للجهد العالي وتيار الدائرة القصيرة النبضي لأنبوب طاقة التبديل والصمام الثنائي لمقوم التبديل. لذلك، يعد استخدام المكونات الفعالة للحد منها إلى الحد الأدنى إحدى الطرق الرئيسية لقمع الضوضاء. عادة ما يتم استخدام الحث المشبع غير الخطي لقمع ذروة تيار الاسترداد العكسي، في هذا الوقت تكون حالة عمل قلب الحديد من -Bs إلى زائد Bs. وفقًا لاتساق النفاذية المغناطيسية العالية والخرز المغناطيسي لعنصر الحث الصغير جدًا القابل للإشباع على الصمام الثنائي الحر لمصدر طاقة التبديل، تم تطوير مثبط ارتفاع يستخدم لقمع ذروة التيار المتولد عند تبديل مصدر طاقة التبديل.
خصائص أداء المكثفات سبايك
(1) قيم الحث الأولية والحد الأقصى عالية جدًا، وعدم خطية قيمة الحث المتبقية بعد التشبع غير واضحة للغاية. بعد توصيله على التوالي بالدائرة، يرتفع التيار ويظهر مقاومة عالية على الفور، والتي يمكن استخدامها كعنصر يسمى بعنصر المعاوقة اللحظية.
(2) إنها مناسبة لمنع إشارة الذروة الحالية العابرة في دائرة أشباه الموصلات، ودائرة إثارة التأثير والضوضاء المصاحبة، ويمكنها أيضًا منع تلف أشباه الموصلات.
(3) الحث المتبقي صغير للغاية، والخسارة صغيرة جدًا عندما تكون الدائرة مستقرة.
(4) إنه يختلف تمامًا عن أداء منتجات الفريت.
(5) طالما يتم تجنب التشبع المغناطيسي، يمكن استخدامه كعنصر حث صغير للغاية وعالي الحث.
(6) يمكن استخدامه كنواة حديدية عالية الأداء وقابلة للتشبع مع خسارة منخفضة للتحكم وتوليد التذبذب.
يتطلب مثبط الارتفاع أن تتمتع المادة الأساسية الحديدية بنفاذية مغناطيسية أعلى للحصول على محاثة أكبر؛ عندما تتمكن النسبة المربعة العالية من تشبع قلب الحديد، يجب أن ينخفض الحث إلى الصفر بسرعة؛ القوة القسرية صغيرة وفقدان التردد العالي منخفض، وإلا فإن تبديد الحرارة للنواة الحديدية لن يعمل بشكل طبيعي.
الغرض من مثبط الارتفاع هو بشكل أساسي تقليل إشارة الذروة الحالية؛ تقليل الضوضاء الناجمة عن إشارة الذروة الحالية؛ منع تلف الترانزستور التبديل. تقليل فقدان التبديل لترانزستور التبديل ؛ تعويض خصائص الاسترداد للصمام الثنائي. منع عالية التردد نبض الإثارة الصدمة الحالية. يُستخدم كمرشح خط صغير جدًا، وما إلى ذلك.
3.2 التطبيق في المرشح أ) نتيجة الاختبار بدون الخرز المغناطيسي ب) نتيجة الاختبار مع الخرز المغناطيسي ج) نتيجة الاختبار مع الخط L والخرز المغناطيسي د) نتيجة الاختبار مع الخط N والخرز المغناطيسي
تتكون المرشحات العادية من مكونات تفاعلية غير قابلة للضياع. وتتمثل وظيفته في الدائرة في عكس تردد النطاق المتوقف إلى مصدر الإشارة، لذلك يُسمى هذا النوع من المرشحات أيضًا مرشح الانعكاس. عندما لا يتطابق مرشح الانعكاس مع مقاومة مصدر الإشارة، سينعكس جزء من الطاقة مرة أخرى إلى مصدر الإشارة، مما يؤدي إلى زيادة مستوى التداخل. من أجل حل هذا العيب، يمكن استخدام حلقة مغناطيسية من الفريت أو غلاف خرزي مغناطيسي على الخط الوارد للمرشح، ويمكن استخدام فقدان التيار الدوامي للإشارة عالية التردد بواسطة حلقة الفريت أو الخرزة المغناطيسية لتحويل التردد العالي -مكون التردد في فقدان الحرارة. لذلك، فإن الحلقة المغناطيسية والخرز المغناطيسي تمتص فعليًا المكونات عالية التردد، لذلك يطلق عليها أحيانًا مرشحات الامتصاص.
تحتوي مكونات قمع الفريت المختلفة على نطاقات تردد قمع مثالية مختلفة. بشكل عام، كلما زادت النفاذية، انخفض التردد المكبوت. بالإضافة إلى ذلك، كلما زاد حجم الفريت، كان تأثير القمع 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 التيار المستمر أو التيار المتردد، لا تزال هناك مشكلة تشبع الفريت. كلما زاد حجم المقطع العرضي لعنصر القمع، قل احتمال تشبعه، وزاد تيار الانحياز الذي يمكنه تحمله.
بناءً على المبادئ والخصائص المذكورة أعلاه للخرز المغناطيسي، يتم تطبيقه على مرشح تحويل مصدر الطاقة، ويكون التأثير واضحًا. من نتائج الاختبار، يمكن ملاحظة أن تطبيق الخرز المغناطيسي يختلف بشكل كبير. يمكن أن نرى من النتائج التجريبية أنه نظرًا لتأثير دائرة إمداد الطاقة التبديلية والتخطيط الهيكلي والطاقة، في بعض الأحيان يكون لها تأثير قمع جيد على تداخل الوضع التفاضلي، وفي بعض الأحيان يكون لها تأثير قمع جيد على تداخل الوضع الشائع، وأحيانًا لا يكون له تأثير قمع على التداخل ولكنه يزيد من تداخل الضوضاء.
عندما تقوم الحلقة المغناطيسية/الخرزة المغناطيسية التي تمتص EMI بقمع 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 المشترك، يمر السلكان (الإيجابي والسلبي) لمصدر الطاقة عبر حلقة مغناطيسية في نفس الوقت، والإشارة الفعالة هي إشارة الوضع التفاضلي. هناك طريقة أخرى أفضل لاستخدام الحلقة المغناطيسية وهي جعل السلك الذي يمر عبر الحلقة المغناطيسية يلف بشكل متكرر عدة مرات لزيادة الحث. وفقًا لمبدأ قمع التداخل الكهرومغناطيسي، يمكن استخدام تأثير القمع بشكل معقول.
يجب تركيب مكونات قمع 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 وخرز مغناطيسي، بالإضافة إلى اختيار المواد المفقودة ذات النفاذية المغناطيسية العالية، يجب أيضًا الانتباه إلى مناسبات تطبيقه. تبلغ مقاومتها للمكونات عالية التردد في الخط حوالي عشرة إلى مئات أوم، لذا فإن دورها في الدوائر عالية المعاوقة ليس واضحًا. على العكس من ذلك، سيكون فعالاً للغاية في الدوائر ذات المعاوقة المنخفضة (مثل توزيع الطاقة أو مصدر الطاقة أو دوائر الترددات الراديوية).
