Ako fungujú feritové odrušovacie prvky a ako si vybrať ten správny?

Ako fungujú feritové odrušovacie prvky a ako si vybrať ten správny?
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  1510 zobrazení
4
 0
Rádioamatérov almanach

Niekedy by som si prial, aby som videl elektromagnetické vlny. Zjednodušilo by sa tým zistenie vplyvu EMI a jeho dôsleddkov na okolitú elektroniku. Namiesto toho, aby som sa musel obťažovať zložitými nastaveniami meracej techniky a analyzátormi signálov, mohol by som sa len pozrieť a zistiť, o čom všetkom ten rozruch je. Aj keď možno nebudeme môcť nikdy vidieť EMI, niekedy ho však môžeme "počuť", keď prejde cez audio obvody a objaví sa v podobe nežiadúceho brumu / šumu. Jedným z možných riešení ako odstrániť toto rušenie je použitie feritového odrušovacieho filtra.

Avšak feritové filtre (nazývané aj feritová tlmivka, feritová svorka, feritový golier, EMI alebo feritový kruhový filter) sú tak trochu záhadou. Rôzne typy filtrov, poskytujú rôzne reakcie na redukciu šumu. Napríklad feritové filtre s drôtenými vývodmi pracujú v širokom rozsahu frekvencií, ale ponúkajú menšiu odolnosť v aplikáciách jednosmerného prúdu. Aby ste ich mohli správne používať, musíte pochopiť ich elektromagnetické vlastnosti a ako sa menia počas ich používania. Potom, čo sa o nich dozviete všetky potrebné informácie o ich použí v teoretickej rovine, môžete si vybrať konkrétne prevedenie pre svoje zapojenie. Ak však zvolíte nevhodný typ, mohli by ste spôsobiť viac problémov, ako úžitku.

Prevedenie priebežného EMI filtra určeného na priame pripojenie na vodič. Nič ťažké - stačí ho iba zakliknúť.

Sadu takýchto filtrov si môžte zakúpiť prostredníctvom tohoto odkazu - klikni (Banggood)

Sadu takýchto filtrov si môžte zakúpiť prostredníctvom tohoto odkazu - klikni (Aliexpress)

Čo sú feritové filtre a ako fungujú?

Feritové EMI filtre sú pasívne elektronické komponenty, ktoré môžu potlačiť vysokofrekvenčné signály na napájacom vedení. Spravidla sú umiestnené okolo vodiča napájania a uzemnenia, ktorý prichádza do konkrétneho zariadenia, napríklad napájací kábel pre váš laptop, kde ho nájdete tesne za výstupom zo zdroja, alebo pri napájacej koncovke. Tieto filtre pracujú podľa Faradayovho zákona: magnetické jadro okolo vodiča indukuje spätné EMF(Electromagnetic fields - elektromagnetické polia) v prítomnosti vysokofrekvenčného signálu, ktorý v podstate tlmí frekvenčnú odozvu feritom. Štandardné feritové filtre je možné zakúpiť od rôznych výrobcov, hoci niektoré projekty môžu vyžadovať takéto filtre vyrobené presne na mieru.

Ferity sú magnetické materiály a umiestnenie tohto materiálu ako filtra do plastového držiaku v podobe svorky okolo vodiča napájania / uzemnenia umožňuje filtrovať zdroj induktívnej impedancie pre signály prechádzajúce cez vedenie. Feritový filter je v skutočnosti nelineárny prvok; impedancia, ktorú poskytuje, záleží od záťažového prúdu a poklesu napätia pri prechode feritom. Zjednodušený model obvodu feritového filtra vám pomôže pochopiť jeho frekvenčné charakteristiky nájdete nižšie. Nezabúdajte však, že tieto atribúty sa môžu meniť v závislosti od prúdu a teploty.

Ferit je feromagnetická keramická látka, ktorá je zlúčeninou oxidu železitého Fe2O3 (menej často Fe3O4) s oxidmi dvojmocných kovov, a ktorá má vhodné fyzikálne vlastnosti, najmä malé straty vírivými prúdmi. Je elektricky slabo alebo vôbec nie vodivá.

Na čo sa používajú feritové filtre?

Pretože impedancia feritových filtrov je induktívna, tak sa  feritové filtre používajú na tlmenie vysokofrekvenčných signálov v elektronických obvodoch. Ak je feritová filtračná tlmivka umiestnená na elektrickom vedení pripojenom k ​​elektronickému zariadeniu, odstraňuje akýkoľvek rušivý vysokofrekvenčný šum prítomný na napájacom vedení alebo vystupujúci zo zdroja jednosmerného prúdu. Toto použitie feritového filtra je jedným z mnohých postupov k potlačeniu šumu, ako napríklad zo zdroja napájania so spínaným režimom (napríklad spínané zdroje počítačov, zdroje napájania pre LED pásy). Táto aplikácia feritového filtra poskytuje pomerne dobrú supresiu a elimináciu EMI.

Medzi rôznymi použitiami feritových filtrov je obvykle filtračná časť filtra EMI  napájacieho zdroja obvykle dimenzovaná na určitý prah jednosmerného prúdu. Prúd vyšší ako špecifikovaná hodnota môže komponent poškodiť. Problémom je, že tento limit je drasticky ovplyvnený teplom. Pri zvyšovaní teploty menovitý prúd rýchlo klesá. Menovitý prúd tiež ovplyvňuje impedancia feritu. Keď sa jednosmerný prúd zvyšuje, feritový filter sa "nasýti" a stratí tak svoju indukčnosť. Pri relatívne vysokých prúdoch môže saturácia znížiť impedanciu feritových filtrov až o 90%.

Feritové filtre verzus indukčné prvky

Ak uvažujete o tom, ako zmerať správanie sa  feritového filtra verzus jeho induktorové správanie, pošlite analógový signál cez filter a preveďte frekvenciu o niekoľko rádov. Ak potom vytvoríte bodový graf pre merania frekvencie prehnanej cez feritový filter, zistíte, že filter poskytuje strmší nábeh pri vyšších frekvenciách v porovnaní s induktorom s podobným nízkym frekvenčným správaním.

Jednoduchý, ale presný model feritového filtra pripojeného k zdroju striedavého prúdu.

Feritový filter sa dá načrtnúť ako spojenie kondenzátorov a indukčných komponentov a tiež ako rezistor paralelne s touto sieťou RLC zapojenou so sériovým odporom. Sériový odpor kvantifikuje odpor zariadenia voči jednosmerným prúdom. Indukčný prvol "L" v tomto modeli predstavuje feritový filter s primárnou funkciou tlmenia vysokofrekvenčných signálov, t. j. poskytovanie indukčnej impedancie prostredníctvom Faradayovho zákona. Paralelný odpor "R" v tomto modeli zodpovedá stratám vo vírivých prúdoch, ktoré sú indukované v feritovom filtry pri vysokých frekvenciách. Konečne kondenzátor "C" v tomto modeli zodpovedá za prirodzenú parazitickú kapacitu komponentu.

Pri pohľade na krivku impedancie feritového filtra je odporová impedancia extrémne vysoká iba v tenkom pásme. V tomto tenkom pásme dominuje indukčnosť filtra. Pri vyšších frekvenciách sa impedancia feritového filtra začína javiť ako kapacitná a impedancia sa rýchlo znižuje. Nakoniec, keď frekvencia neustále rastie, kapacitná impedancia klesne na veľmi malú hodnotu a impedancia sa javí čisto odporovo.

Feritové jadro poskytuje podobnú funkciu ako feritové jadro v transformátore.

Sprievodca výberom feritových filtrov

Teraz, keď máte prebranú teóriu feritov, je čas vybrať si pre svoje zariadenie jedne - ten pravý. To nie je príliš ťažké a ak chcete vedieť, ako zvoliť správny filter pre vaše zapojenie, musíte venovať pozornosť najmä jeho špecifikáciám. Možno si položíte otázku - "sú pre moje zapojenie potrebné feritové filtre?" Rovnako ako mnoho technických rozhodnutí, odpoveď nie je taká jednoduchá ako by sa na prvý pohľad zdalo. Ak viete, že vaša doska bude pod vplyvom EMI v špecifickom frekvenčnom rozsahu a tieto frekvencie je potrebné zoslabiť, môže byť feritový filter tou správnou voľbou pre vaše zapojenie.

Na základe induktívneho správania sa feritových filtrov je prirodzené vyvodiť záver, že feritové filtre "utlmujú vysoké frekvencie" bez väčšieho zaváhania. Feritové filtre však nepôsobia ako širokopásmový dolnopriepustný filter, pretože môžu pomôcť iba zoslabiť určitý rozsah frekvencií. Musíte si preto zvoliť použitie vhodného filtra  v mieste, kde sú vaše nežiaduce frekvencie v odporovom pásme. Ak klesnete príliš nízko alebo stúpnete  príliš vysoko, filter nebude mať požadovaný účinok.

Pred výberom konkrétneho filtra pre svoje zapojenie by ste sa mali presvedčiť, či vám výrobca môže poskytnúť grafy impedancie verzus zaťaženia pre daný filter. Katalógový list / Datasheet je preto najlepší nástroj, ktorý môžete použiť, ak si nie ste istí, ako vybrať vhodný filter. Ak sú vaše zaťažovacie prúdy veľmi vysoké, budete musieť vybrať feritový filter, ktorá im odolá bez toho, aby saturoval a stratil svoju impedanciu v požadovanom frekvenčnom rozsahu.

Upozornenie

Feritové filtre a feritové tlmivky sú v podstate odporové záťaže, ktoré pri vysokých frekvenciách môžu spôsobiť niekoľko problémov vo vašom obvode. Pri umiestňovaní filtra budete musieť premýšľať aj o úbytku napätia a rozptyle tepla.

V dobe obvodov s vyšším napätím nebol pokles napätia veľký problém. Teraz máme veľa obvodov s nízkym výkonom, ktoré môžu používať aj napätie nižšie ako 2 V. Na týchto úrovniach si preto nemôžete dovoliť veľa stratiť. Feritové filtre spôsobujú pokles jednosmerného napätia vo vašom obvode. To sa nemusí zdať veľa, ale ak vaše integrované obvody (IC) majú krátky vysokoprúdový stav záťaže, strata by mohla byť znašne významná. Feritové filtre preto umiestnite tam, kde nespôsobia problémy s poklesom napätia.

Pretože feritové materiály sú odolné pri vysokých frekvenciách, absorbujú energiu predovšetkým ako teplo. Toto teplo nemusí byť nevyhnutne problémom pre vaše DPS, keď v na napájacom vedení používa feritová tlmivka, ale môže sa stať jedným, keď sa používa na rozptyľovanie vysokých frekvencií pri vysokom prúde. Ak je váš systém obzvlášť hlučný / zašumelý a filter bude absorbovať veľa vysokých frekvencií, toto teplo by sa mohlo stať problémom. Nezabudnite preto vziať do úvahy odvod tepla z EMI filtra a navrhnite svoje zariadenie tak, aby bol odvod tohoto tepla optimálny a nezaťažoval tak nadmerne celý obvod a aj ostatné komponenty, nakoľko by mohlo dchádzať napríklad k predčasnému vysychaniu kondenzátorov, alebo iných citlivých komponentov.

Záver

Feritové filtre môžu byť veľmi užitočným a relatívne lacným nástrojom na potláčanie vysokofrekvenčbých rušení vo vašich obvodoch, ale iba vtedy, ak presne viete, ako fungujú. Pamätajte však, že tlmia signály v pomerne malom pásme a ich účinnosť závisí od teploty a zaťažovacieho prúdu a určite nie sú 100% riešením problému. Aby ste čo najlepšie využili feritový filter, mali by ste sa ubezpečiť, že vyhovuje vašim presným špecifikáciám. Potom pri umiestňovaní filtra nezabudnite na úbytok napätia a zohriatie. Rovnako pamätajte už pri samotnom návrhu zariadenia, či DPS na optimálne usporiadanie jednotlivých častí a komponentov, pretože aj toto je cesta k úspešnému zvládnutiu problematiky rušenia a následného odrušenia.

Zaobchádzanie s komponentami, ako sú feritové filtre, môže byť ťažké nakoľko sa jedná vo svojej podstate o veľmi krehký materiál, ale správny návrh dosky s plošnými spojmi je podstatne jednoduchšia vec než dodatočne riešiť zbytočné problémy s EMI rušením.

Zdroj :

World Healt Organisation - What are electromagnetic fields?

Wikipedia (sk) - Zákon elektromagnetickej indukcie

Wikipedia (eng) - Electromagnetic field

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 200.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo
PCBWay Promo
PCBWay Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Webwiki Button