Część 7. Zaburzenia przewodzone. c. Filtry wejściowe

Transkrypt

1 Część 7 Zaburzenia przewodzone c. Filtry wejściowe 1

2 Topologie filtrów Dla częstotliwości zaburzeń filtr EMI powinien być maksymalnie stratny Zasadniczo filtry EMI są dolnoprzepustowe Skuteczność zależy od impedancji źródła i odbiornika zaabsorbuje wówczas energię zaburzeń, która zostanie w nim rozproszona w przeciwnym razie zostanie odbita i rozproszona w układzie gdzie indziej DM mogą być zmierzone lub oszacowane obliczeniowo CM trudne do przewidzenia; przewody zasilające typowo 150 Ω Filtry wieloelementowe wymagają optymalizacji wartości elementów 2

3 Wpływ elementów pasożytniczych Negatywny wpływ głównie pasożytniczych elementów reaktancyjnych Pasożytnicze LC wprowadzają rezonans zamiana właściwości L C rezystancje można wykorzystać do zwiększenia stratności i stłumienia filtru im większe elementy, tym niższa częstotliwość rezonansowa Typowo z elementami standardowymi: max. tłumienie: 40 db max. frez: 10 MHz 3

4 Optymalny dobór elementów pasożytniczych Kondensatory konieczna minimalizacja indukcyjności wewnętrznej materiały: ceramiczne, poliestrowe, polistyrenowe zewnętrznych krótkie wyprowadzenia i doprowadzenia (ścieżki) stratne dielektryki, np. X7R, Y5V, Z5U o ile dokładność i stałość pojemności nie jest istotna gdyż stratne wykazują dużą zmienność w funkcji napięcia i temperatury Cewki konieczna minimalizacja pojemności jak najmniej zwojów jak najmniej warstw duża odległość między końcami odpowiedni sposób nawijania materiał rdzenia głównie ferryty duża przenikalność w szerokim paśmie częstotliwości mało zwojów stosunkowo duża stratność i silnie rosnąca z częstotliwością 4

5 Zasady konstrukcji filtrów Rozdzielenie masy wejścia i wyjścia Jak najkrótsze połączenie masy wewnątrz Uziemienie mas i obudowy Rozdzielenie ścieżek wejściowych i wyjściowych Elementy wejściowe i wyjściowe jak najdalej od siebie wejścia i wyjścia rozdzielone jak najkrótsza ścieżka masy 5

6 Koraliki ferrytowe (ferrite beads) Dobre tłumienie nawet przy ~100 MHz Duża stratność dla wysokich częstotliwości pochłanianie a nie odbijanie energii zaburzeń tłumienie pasożytniczych rezonansów Bardzo niski koszt Łatwe stosowanie Zmax Ω skuteczne tylko między niskimi impedancjami najwyżej tego samego rzędu, wówczas tłumienie ~10 db 6

7 Koraliki ferrytowe (cd.) Wystarczy nawlec na fragment przewodu Można zwiększyć skuteczność tworząc więcej zwojów albo zacisnąć koraliki dwupołówkowe efekt ograniczany przez pojemność pasożytniczą n2 Dławiki szerokopasmowe 1 2,5 zwoju przewleczone przez otwory w ferrycie duża impedancja do 1000 Ω 7

8 Koraliki ferrytowe SMD Dla zaburzeń DM Dla zaburzeń CM Dławik szerokopasmowy 8

9 opisać plus schaffner plus module11 Konstrukcje kondensatorów Kon 9

10 Typowy praktyczny filtr DM+CM Filtracja CM: dławik dwuuzwojeniowy L, kondensator CY Filtracja DM: kondensator CX, indukcyjność rozproszenia dławika Llk Efektywne schematy zastępcze dla poszczególnych składowych 10

11 Dławik składowej wspólnej Strumienie magnetyczne od prądu różnicowego znoszą się Rdzeń nie nasyca się mimo dużego natężenia prądu różnicowego prąd różnicowy jest zawsze duży, gdyż odpowiada za przekaz energii Tłumienie DM początki uzwojeń włączone tak samo, natomiast ten sam prąd różnicowy w każdym z przewodów L/N płynie w odwrotnym kierunku indukcyjność rozproszenia Llk, którą można do tego celu wykorzystać ale im większa, tym niższy prąd nasycenia i gorsze działanie dla CM Maksymalna częstotliwość skutecznej filtracji narzucona przez materiał rdzenia 11

12 Kondensatory filtru Kondensatory CM CY brak wpływu na DM CX > CY skuteczność pogarsza dzielnik pojemnościowy który CY tworzą z pojemnością sprzężenia CM typowo uzyskuje się tłumienie 20 db skuteczniejszy jest dławik Kondensatory DM CX dość duże wartości (~0,1 1 µf) jeden z nich może być pominięty jeżeli sąsiaduje z niską impedancją np. 0,1 µf khz wejście przetwornicy może mieć dużo mniej 12

13 Wymagania bezpieczeństwa Norma IEC kondensatory X których awaria (zwarcie) nie może doprowadzić do porażenia użytkownika kondensatory Y których awaria może doprowadzić do porażenia ryzyko porażenia dotyczy sytuacji przerwy w PE (urządzenia kl. I) lub uszkodzenia izolacji ochronnej (kl. II) Awaria zarówno X jak i Y może spowodować pożar Wartość CY ograniczona przez dopuszczalny (bezpieczny) prąd w przewodzie E (0,1 5 ma) dla obwodów prądu przemiennego lub przez bezpieczną energię zgromadzoną dla obwodów prądu stałego Dławik CM wytrzymałość na napięcie między uzwojeniami osobne uzwojenia z separacją przestrzenną mimo że Llk wytrzymałość prądowa uzwojeń wartość skuteczna prądu DM 13

14 Wymagania IEC Podklasy napięciowe w zależności od napięcia szczytowego impulsu nałożonego na sinusoidę napięcia sieci 250 V źródła: pioruny, przełączanie w urządzeniu chronionym lub urządzeniach sąsiednich napięcie impulsowe napięcie długotrwałe: 1000 h, 1,25 UR co 1 h: 1000 V (RMS) na 0,1 s 14

15 Wymagania IEC (cd.) Palność statyczna klasy zgodne z IEC i IEC Palność dynamiczna 20 impulsów 2,5 kv powtarzanych co 5 s nie może spowodować zapłonu 15

16 Bardziej złożony filtr DM Dławik DM brak wpływu na CM gdyż Lcm (widziana przez składową CM) > Ldm wytrzymałość prądowa na IDM,rms rdzeń nie nasycający się przy IDMpk Kondensator C1 nie jest filtrem DM pomaga on rozłożyć zaburzenia CM równo na obie linie L i N unikamy niesymetrii, a więc przekształcenia części zaburzeń CM w efektywne zaburzenia DM CM DM 16

17 Filtracja zaburzeń od aktywnego kompensatora współczynnika mocy (CCM) Przewód N Przewód L Bez filtru Przewód N Przewód L Z filtrem 17

18 Środki minimalizujące zaburzenia u źródła w układzie PFC BCM Dioda wymiana na łagodnie wyłączającą MSR1560 szeregowo koralik ferrytowy Ferronics B zmniejszenie stromości prądu ograniczenie przepięć Tłumik napięcia RC 33 Ω pf między drenem a ziemią szeregowy koralik B zmniejszenie stromości napięcia ograniczenie stromości prądu w tłumiku podczas jego ładowania Tranzystor wymiana na STF9NK90Z w obudowie izolowanej TO220FP zmniejszenie pojemności pasożytniczej do ziemi Rezystancja bramkowa 10 Ω w szereg z D6 zmniejszenie stromości napięcia kompromis z mocą strat 18

19 Środki minimalizujące zaburzenia u źródła w układzie PFC BCM (cd.) LC 47 µh, 0,1 µf za kondensatorem wyjściowym zmniejszenie zawartości zaburzeń w napięciu wyjściowym Filtr zasilania obwodu sterowania koralik ferrytowy Fair Rite między VCC a C4 minimalizacja zaburzeń w napięciu zasilającym sterownik, mogących zakłócić jego pracę Przewód N Filtr wyjściowy Z filtrem Przewód L dodanie dławika bezpośrednio na wejściu zasilania z sieci AC poprawa tłumienia wysokiej częstotliwości Przewód L Filtr wejściowy Bez filtru Przewód N 19

20 Wpływ filtru wejściowego na stabilność przekształtnika impulsowego Ericsson, rozdz. 10 Wpływ filtru wejściowego na transmitancję przekształtnika i warunki stabilności slajdy 9 20 Przykład przetwornica obniżająca napięcie slajdy

21 Wymagania dotyczące filtru wejściowego Zapobieżenie wzbudzania oscylacji / niestabilności przetwornicy wskutek współdziałania Zin Zout i modyfikacji charakterystyk przetwornicy wzajemne położenie asymptot Zin Zout Odpowiednio silne tłumienie zaburzeń Minimalizacja rozmiarów elementów biernych Minimalizacja mocy strat w elementach biernych stłumienie filtru 21

22 Obwód Rf-Cb Zalety Cb nie ma wpływu na asymptotę w.cz. wystarczy zoptymalizować rozmiar Cb względem tłumienia jako Rf można wykorzystać ESR Cb (przy ff) nie trzeba minimalizować ESR, więc można używać kondensatorów elektrolitycznych Wady duży kondensator Cb może być niepożądany w układach z wejściem AC, gdyż będzie filtrował pożądaną składową przemienną w niektórych aplikacjach mniejszy rozmiar dają obwody indukcyjne 22

23 Optymalizacja filtru wejściowego Ericsson, rozdz. 10 Techniki tłumienia filtru wejściowego slajdy Filtry wielosekcyjne slajdy

24 Projektowanie filtru EMI 24

25 Algorytm projektowania Różne ścieżki sprzężeń CM i DM Impedancja źródła ma wpływ na jakość tłumienia Powyżej pewnej częstotliwości ujawniają się el. pasożytnicze Należy znać widmo początkowe (bez filtru) Jeżeli elementy filtru są dobrze dobrane, to wpływ impedancji źródła (przetwornicy) można pominąć nie trzeba mierzyć Najpierw koncentrujemy się na niższych częstotliwościach łatwiejsze analitycznie Później poprawiamy w zakresie wyższych częstotliwości 25

26 Charakterystyka filtru dla składowej wspólnej Twierdzenie Tellegena Rezonans nie jest widoczny ze względu na silne tłumienie filtru 26

27 Charakterystyka filtru dla składowej różnicowej 27

28 Charakterystyka filtru dla składowej różnicowej (cd.) 28

29 Przykład (1) Zaburzenia bez filtru 29

30 Przykład (2) Dobór elementów Z wymagania prądu upływu przy 60 Hz, Cy 3300 pf W doborze Cx należy zwrócić uwagę na stabilność układu 3 db tłumienie obwodu rozdzielającego CM/DM Zakładamy margines 6 db w VLimit 30

31 Przykład (3) Zaburzenia po zastosowaniu filtru Filtr B Filtr A Filtr A 31

32 Przykład (4) Charakterystyki tłumienia Filtr A (filtr B zbliżone wyniki) 32

33 Filtracja CM przy braku przewodu E Zaburzenia blokowane przez Lcm muszą się zamknąć w jakimś obwodzie Nie można użyć pary kondensatorów CY połączonych z obudową, gdyż bez uziemienia powstałby na niej potencjał 115 V Obwód ten może być wytworzony przez kondensator typu Y włączony między masy strony pierwotnej i wtórnej 33