Необходимость в применении синфазных дросселей
В электрических и электронных устройствах электромагнитные помехи (электрический шум) на линиях питания могут стать серьезной проблемой, которая может существенно ухудшить рабочие характеристики этих устройств и устройств, включенных в общую сеть питания, а также снизить надежность и привести к неожиданному поведению системы. В идеале электрическое и электронное оборудование должно быть защищено от внешних помех, и само оно не должно излучать никаких помех. Для этого устройства должны соответствовать строгим требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС). Задачи эти решаются применением фильтров радиопомех, используемых во входных и выходных цепях аппаратуры.
При проектировании электрического или электронного устройства инженер должен ответить на два основополагающих вопроса в отношении электромагнитных помех:
- Как будет вести себя устройство, если на его линиях питания будут присутствовать значительные помехи?
- Будет ли устройство генерировать помехи, которые могут повлиять на работу других устройств?
Как правило, помехи делят на два вида: синфазные и дифференциальные. Их принцип действия можно понять с помощью следующего рисунка.
В случае с дифференциальными помехами источник помех возникает на линиях питания, при этом шумовой ток течет в том же направлении, что и ток источника питания. Эти помехи именуются дифференциальными, поскольку исходящий и возвратный токи направлены в противоположные стороны. В свою очередь синфазные помехи представляют собой электрический шум, при котором шумовой ток, просочившийся через паразитную емкость, проходит через землю и возвращается в линию питания. Эти помехи называются синфазными, поскольку направления шумовых токов на положительной (+) и отрицательной (-) на линиях источника питания имеют одинаковое направление.
Важным является тот факт, что при одинаковых значениях шумового тока излучение, вызванное синфазными помехами, будет намного больше. В любом случае, если какая-либо из этих типов помех превышает допустимые значения, возникает необходимость в принятии мер по их подавлению. В частности, при рассмотрении мер по борьбе с электрическим шумом следует помнить, что меры по борьбе с синфазными помехами являются наиболее важными.
Для подавления синфазных помех существует один весьма эффективный компонент – это синфазный дроссель. Далее мы рассмотрим, что собой представляет данный компонент, как он работает, и какие синфазные дроссели лучше справляются со своей задачей.
Синфазный дроссель и его принцип работы
Синфазный дроссель представляет собой пассивный компонент, который, по сути, действует как электрический фильтр, подавляющий высокочастотный шум, общий для двух или более линий питания, при этом он пропускает требуемую составляющую постоянного или низкочастотного переменного тока. Чаще всего синфазные дроссели используются для фильтрации наведённых помех и высокочастотных шумов, создаваемых импульсными источниками питания.
Синфазный дроссель состоит из двух одинаковых обмоток (Рисунок 2), намотанных на одном сердечнике, который, как правило, изготавливают из ферритового материала. Это гарантирует, что связь по магнитному полю между катушками будет осуществляться с очень высокой взаимной индуктивностью. Ток, протекающий в обеих обмотках, подключенных к линиям питания, будет одинаковым. Эти две обмотки будут создавать равные по величине и противоположные по знаку магнитные потоки в сердечнике, которые будут уравновешивать друг друга, теоретически создавая нулевой чистый поток в сердечнике. Это означает, что магнитный поток внутри сердечника не будет зависеть от тока, протекающего по линиям питания, и поэтому не будет ограничиваться импедансом сердечника. Для источника питания постоянного и низкочастотного переменного тока синфазный дроссель имеет пренебрежимо малый импеданс и не оказывает влияния. Однако для высокочастотных синфазных шумовых токов дроссель имеет высокий импеданс из-за суммарной индуктивности обмоток и, следовательно, эти токи будут ослаблены.
Синфазные дроссели на основе нанокристаллического материала компании ПАО «МСТАТОР»
Сегодня перед разработчиками современных устройств стоит ряд сложных задач, которые можно эффективно решить только с применением новой компонентной базы. Среди таких задач можно выделить, например, усложнение электромагнитной обстановки, повышение частот преобразования, увеличение пространственной насыщенности и расширение полосы помехоэмиссии.
Для их решения классические дроссели на основе ферритового сердечника уже не являются качественным средством, способным дать высокий результат. Вместо них теперь находят все более широкое применение синфазные дроссели на основе нанокристаллического материала, и на сегодня в России лидером в данной области является ПАО «МСТАТОР», где выпускают дроссели на основе нанокристаллического материала АМАГ 200С.
В синфазных дросселях серий ДС2 и ДС3 российского производства компании МСТАТОР сердечник навит из тонкой нанокристаллической ленты толщиной около 18 мкм с высокой начальной магнитной проницаемостью. Типичное значение проницаемости 85000 на частоте 10 кГц. Тонкая лента обеспечивает хорошие частотные свойства. Завод МСТАТОР выпускает самую тонкую ленту в РФ (от 16 микрон). При этом материал АМАГ 200С по сравнению с ферритом имеет отличную температурную стабильность в широким температурным диапазоне от –60°С до +155°С. Конкретнее в данном диапазоне проницаемость может изменяться не более, чем на 15%. К сравнению для феррита проницаемость может меняться в разы.
На рисунке 3 представлены графики зависимости проницаемости от температуры для нанокристаллического дросселя и дросселя с ферритовым сердечником (импортный феррит ЭМС с проницаемостью 12000). На рисунке видно, что нанокристаллический дроссель обладает значительно большей стабильностью и может работать в более широком диапазоне температур.
Причем на разных частотах для феррита свой температурный коэффициент, т.е с изменением температуры изменяется форма графика зависимости импеданса от частоты. Для нанокристаллического материала форма графика практически не изменяется. См. рисунки 4, 5.
Вследствие указанного для ферритового дросселя резко сужается сфера применения аппаратуры, т.к. при определенных условиях внешней среды устройство может стать источником помех или потерять работоспособность за счет воздействия внешних помех. При разработке фильтров необходимо учитывать температурную зависимость проницаемости и проводить соответствующие испытания ЭМС во всем температурном диапазоне.
Температурная зависимость для ферритов тем хуже, чем выше проницаемость. Поэтому ведущие производители ферритовых синфазных дросселей не используют ферриты с экстремально высокой проницаемостью (более 10 000), а применяют более стабильные марки феррита с проницаемостью порядка 5000.
Помимо этого, для ферритового сердечника существует резонанс, проявляющийся на достаточно низкой частоте, обычно в диапазоне от 0,5 до 2,5 МГц. См. на рисунке 6 графики, приведенные из [1]. Частота резонанса определяется как частота, в которой фаза импеданса дросселя переходит через ноль, т.е. индуктивный характер дросселя меняется на емкостной. Причем резонанс проявляется даже на одновитковой обмотке. Частота резонанса также зависит от проницаемости феррита. Обычно с ростом проницаемости снижается частота резонанса. Это приводит к тому, что ферритовые синфазные дроссели, даже при небольшой индуктивности и малом количестве витков, имеют низкую частоту резонанса и их работа в радиочастотном диапазоне свыше 1-2 МГц плохо предсказуема.
Нанокристаллический сердечник в отличие от ферритового не имеет резонанса.
См. рисунок 7.
Рисунок 7. Зависимость модуля и фазы импеданса одновиткового нанокристаллического дросселя от частоты (источник: ПАО «МСТАТОР» – www.mstator.ru).
Для одновитковой обмотки положительная фаза импеданса дросселя сохраняется до сотен мегагерц. А частота резонанса дросселя определяется в основном длиной провода обмотки (на рисунке 8, для короткого провода – около 600 МГц). С ростом числа витков растет длина провода и емкость обмотки, что снижает резонансную частоту дросселя. Но нанокристаллический дроссель не имеет предела, определяемого самим материалом сердечника, поэтому при небольшом числе витков возможно создание дросселей с резонансной частотой в десятки и даже сотни мегагерц. Благодаря высокой магнитной проницаемости число витков и длина провода получаются небольшими. При этом использование однослойной рядовой намотки снижает паразитную межвитковую емкость. На практике для нанокристаллических дросселей относительно ферритовых характерно превышение резонансной частоты в 3-5 раз. И это при снижении габаритов, активного сопротивления обмоток и потерь.
Благодаря экстремально высокой проницаемости увеличивается импеданс и затухание на низких частотах, при этом на высоких частотах они также являются более высокими по сравнению с использованием ферритового сердечника, но в данном случае это достигается благодаря малым величинам паразитной емкости обмоток и высокой резонансной частоте. К примеру, на рисунке 8 представлены графики импеданса для однофазного двухобмоточного дросселя с ферритовым сердечником и его аналога с нанокристаллическим сердечником.
Существует еще одна принципиальная особенность, которую указывают ведущие мировые производители синфазных дросселей [2]. В нанокристаллическом сердечнике с ростом частоты растет отношение мнимой части вектора проницаемости µ'' (потери) к действительной (индуктивной) части µ'. Определяющим фактором затухания дросселя является полный импеданс. Индуктивность играет второстепенную роль, лишь частично обеспечивает затухание. Для феррита |Z|= ωL. Для нанокристаллического материала |Z|>> ωL. При одинаковой индуктивности на частотах от 100 кГц и выше нанокристаллический дроссель имеет более высокий импеданс за счет составляющей µ''. На высоких частотах свыше мегагерца мнимая часть µ'' является определяющей. Поэтому сердечник на основе нанокристаллического материала поглощает высокочастотные помехи и обеспечивает лучшее затухание, в то время как ферритовый сердечник отражает интерференционный сигнал вследствие резкого изменения его индуктивного характера действия на емкостной в точке резонанса, из-за чего при функционировании импульсных источников питания могут возникать определенные проблемы. Поэтому синфазные дроссели с нанокристаллическим сердечником являются более подходящими для применения в таких источниках, нежели дроссели с ферритовым сердечником.
Помимо всего этого нанокристаллические синфазные дроссели производства ПАО «МСТАТОР» обладают еще одним важным преимуществом по сравнению с дросселями на основе ферритового сердечника – они более компактны и легковесны. За счет применения новых материалов обеспечивается уменьшение габаритных размеров - снижение веса и объема примерно в 2-3 раза.
Заключение
ПАО «МСТАТОР» выпускает широкий ассортимент нанокристаллических двухобмоточных и трехобмоточных синфазных дросселей с различными рабочими характеристиками и габаритными размерами. Эти дроссели успешно решают проблему импортозамещения продукции ведущих мировых производителей Wurth Elektronik, Magnetec, Vacuumschmelze и др.
Синфазные дроссели, выпускаемые ПАО «МСТАТОР», обладают значительными преимуществами по сравнению с синфазными дросселями на основе ферритового сердечника и могут успешно применяться в различных областях, например, в импульсных источниках питания, сварочных инверторах, медицинском оборудовании, проводных системах передачи данных, электромобилях, и т.п.
Литература
- В.Ф.Дмитриков, Д.В.Шушпанов. Эквивалентная схема замещения дросселя, намотанного на феррите, в широком диапазоне частот (0 Гц – 500 МГц). //Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2021. Т.24, №4. С.25-45.
- EMC Products Based On Nanocrystalline Vitroperm. 2021. //www.vacuumschmelze.com
- Cuellar C., Idir N., Benabou A. High Frequency Behavioral Ring Core Inductor Model // IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 31, Issue: 5, May 2016. С. 3763 - 3772.
© digitrode.ru