أخبار

أحد المواقف الشائعة: يقوم مهندس التصميم بإدخال خرزة من الفريت في دائرة تعاني من مشاكل التوافق الكهرومغناطيسي، ليجد أن الخرزة تزيد الضوضاء غير المرغوب فيها سوءًا. كيف يمكن أن يحدث هذا؟ ألا ينبغي أن تزيل خرزات الفريت طاقة الضوضاء دون تفاقم المشكلة؟
الإجابة على هذا السؤال بسيطة إلى حد ما، ولكن قد لا تكون مفهومة على نطاق واسع باستثناء أولئك الذين يقضون معظم الوقت في حل مشاكل EMI. ببساطة، حبات الفريت ليست حبات من الفريت، وليست حبات من الفريت، وما إلى ذلك. توفر معظم الشركات المصنعة لخرز الفريت جدول يسرد رقم الجزء الخاص بهم، والمقاومة عند بعض الترددات المحددة (عادةً 100 ميجاهرتز)، ومقاومة التيار المستمر (DCR)، والحد الأقصى للتيار المقنن وبعض معلومات الأبعاد (انظر الجدول 1). كل شيء قياسي تقريبًا. ما لا يظهر في البيانات الورقة هي المعلومات المادية وخصائص أداء التردد المقابلة.
حبات الفريت هي جهاز سلبي يمكنه إزالة طاقة الضوضاء من الدائرة في شكل حرارة. تولد الخرزات المغناطيسية مقاومة في نطاق تردد واسع، وبالتالي تقضي على كل أو جزء من طاقة الضوضاء غير المرغوب فيها في نطاق التردد هذا. لتطبيقات جهد التيار المستمر ( مثل خط Vcc لـ IC)، فمن المستحسن أن يكون لديك قيمة مقاومة منخفضة للتيار المستمر لتجنب فقدان الطاقة الكبير في الإشارة المطلوبة و/أو الجهد أو المصدر الحالي (خسارة I2 x DCR). ومع ذلك، فمن المستحسن أن يكون لديك مقاومة عالية في نطاقات تردد معينة محددة. ولذلك، ترتبط المعاوقة بالمادة المستخدمة (النفاذية)، وحجم حبة الفريت، وعدد اللفات، وبنية اللف. ومن الواضح، في حجم معين من السكن والمواد المحددة المستخدمة كلما زاد عدد اللفات، زادت المعاوقة، ولكن نظرًا لأن الطول المادي للملف الداخلي أطول، فإن هذا سينتج أيضًا مقاومة أعلى للتيار المستمر. يتناسب التيار المقنن لهذا المكون عكسًا مع مقاومته للتيار المستمر.
أحد الجوانب الأساسية لاستخدام خرزات الفريت في تطبيقات EMI هو أن المكون يجب أن يكون في مرحلة المقاومة. ماذا يعني ذلك؟ ببساطة، هذا يعني أن "R" (مقاومة التيار المتردد) يجب أن تكون أكبر من "XL" (الحثي المفاعلة). عند الترددات حيث XL> R (التردد الأقل)، يكون المكون أشبه بمحث أكثر من كونه مقاومًا. عند التردد R> XL، يتصرف الجزء كمقاوم، وهي خاصية مطلوبة لخرزات الفريت. التردد الذي يصبح فيه "R" أكبر من "XL" يسمى تردد "التقاطع". يظهر هذا في الشكل 1، حيث يبلغ تردد التقاطع 30 ميجاهرتز في هذا المثال ويتم تمييزه بسهم أحمر.
هناك طريقة أخرى للنظر إلى هذا من حيث ما يقوم به المكون فعليًا أثناء مرحلتي الحث والمقاومة. كما هو الحال مع التطبيقات الأخرى حيث لا تتم مطابقة مقاومة المحرِّض، ينعكس جزء من الإشارة الواردة مرة أخرى إلى المصدر. يوفر بعض الحماية للمعدات الحساسة الموجودة على الجانب الآخر من حبة الفريت، ولكنه يقدم أيضًا "L" في الدائرة، مما قد يسبب الرنين والتذبذب (الرنين). لذلك، عندما لا تزال الخرزات المغناطيسية حثية بطبيعتها، جزء سوف تنعكس طاقة الضوضاء ويمر جزء من طاقة الضوضاء، اعتمادًا على قيم الحث والممانعة.
عندما تكون حبة الفريت في مرحلتها المقاومة، يتصرف المكون مثل المقاوم، لذلك فهو يحجب طاقة الضوضاء ويمتص تلك الطاقة من الدائرة، ويمتصها في شكل حرارة. على الرغم من أنه تم بناؤه بنفس طريقة بعض المحاثات، إلا أنه يستخدم نفس العملية وخط الإنتاج والتكنولوجيا والآلات وبعض المواد المكونة نفسها، تستخدم حبات الفريت مواد الفريت المفقودة، بينما تستخدم المحاثات مادة الأكسجين الحديدي منخفضة الخسارة. وهذا موضح في المنحنى في الشكل 2.
يوضح الشكل [μ'']، وهو ما يعكس سلوك مادة حبة الفريت المفقودة.
إن حقيقة إعطاء المعاوقة عند 100 ميجاهرتز هي أيضًا جزء من مشكلة الاختيار. ، يصبح مسطحًا، وتصل المعاوقة إلى قيمتها القصوى عند هذا التردد، وما إذا كانت المادة لا تزال في مرحلة الحث أو تحولت إلى مرحلة المقاومة. في الواقع، يستخدم العديد من موردي خرزات الفريت مواد متعددة لنفس حبة الفريت، أو على الأقل كما هو موضح في ورقة البيانات. انظر الشكل 3. جميع المنحنيات الخمسة في هذا الشكل مخصصة لخرزات فريت 120 أوم مختلفة.
بعد ذلك، ما يجب على المستخدم الحصول عليه هو منحنى المعاوقة الذي يوضح خصائص تردد حبة الفريت. ويوضح الشكل 4 مثالاً لمنحنى المعاوقة النموذجي.
يوضح الشكل 4 حقيقة مهمة للغاية. تم تحديد هذا الجزء كخرزة فريت مقاومة 50 أوم بتردد 100 ميجا هرتز، لكن تردد التقاطع الخاص بها يبلغ حوالي 500 ميجا هرتز، ويحقق أكثر من 300 أوم بين 1 و 2.5 جيجا هرتز. مرة أخرى، فقط إن النظر إلى ورقة البيانات لن يسمح للمستخدم بمعرفة ذلك وقد يكون مضللاً.
كما هو موضح في الشكل، تختلف خصائص المواد. هناك العديد من أنواع الفريت المستخدمة لصنع خرزات الفريت. بعض المواد ذات خسارة عالية، ونطاق عريض، وتردد عالٍ، وخسارة إدخال منخفضة وما إلى ذلك. ويبين الشكل 5 التجميع العام حسب تردد التطبيق والمقاومة.
مشكلة شائعة أخرى هي أن مصممي لوحات الدوائر يقتصرون أحيانًا على اختيار خرزات الفريت في قاعدة بيانات المكونات المعتمدة الخاصة بهم. إذا كان لدى الشركة عدد قليل فقط من خرزات الفريت التي تمت الموافقة على استخدامها في منتجات أخرى وتعتبر مرضية، في كثير من الحالات، ليس من الضروري تقييم المواد وأرقام الأجزاء الأخرى والموافقة عليها. في الماضي القريب، أدى ذلك مرارًا وتكرارًا إلى بعض التأثيرات المشددة لمشكلة ضوضاء EMI الأصلية الموصوفة أعلاه. قد تكون الطريقة الفعالة سابقًا قابلة للتطبيق على المشروع التالي، أو أنها قد لا يكون فعالا. لا يمكنك ببساطة اتباع حل EMI للمشروع السابق، خاصة عندما يتغير تردد الإشارة المطلوبة أو تردد المكونات المشعة المحتملة مثل تغير معدات الساعة.
إذا نظرت إلى منحنيي المعاوقة في الشكل 6، فيمكنك مقارنة التأثيرات المادية لجزأين محددين متشابهين.
بالنسبة لهذين المكونين، تبلغ الممانعة عند 100 ميجاهرتز 120 أوم. بالنسبة للجزء الموجود على اليسار، باستخدام المادة "B"، تبلغ الممانعة القصوى حوالي 150 أوم، وتتحقق عند 400 ميجاهرتز. بالنسبة للجزء الموجود على اليمين ، باستخدام المادة "D"، الحد الأقصى للمقاومة هو 700 أوم، والذي يتم تحقيقه عند حوالي 700 ميجا هرتز. لكن الاختلاف الأكبر هو تردد التقاطع. تنتقل المادة "B" ذات الخسارة العالية للغاية عند 6 ميجا هرتز (R> XL) ، في حين أن المادة "D" عالية التردد تظل حثية عند حوالي 400 ميجاهرتز. أي جزء هو الجزء الصحيح للاستخدام؟ يعتمد ذلك على كل تطبيق على حدة.
يوضح الشكل 7 جميع المشكلات الشائعة التي تحدث عند اختيار خرزات الفريت الخاطئة لقمع EMI. تُظهر الإشارة غير المفلترة انخفاضًا بمقدار 474.5 مللي فولت على نبضة 3.5 فولت، 1 الولايات المتحدة.
نتيجة لاستخدام مادة من النوع عالي الفقد (المؤامرة المركزية)، يزداد الحد الأدنى للقياس بسبب ارتفاع تردد التقاطع للجزء. زادت الإشارة السفلية من 474.5 مللي فولت إلى 749.8 مللي فولت. تحتوي المادة فائقة الفقد على تردد كروس منخفض وأداء جيد. ستكون المادة المناسبة لاستخدامها في هذا التطبيق (الصورة على اليمين). يتم تقليل الحد السفلي من استخدام هذا الجزء إلى 156.3 مللي فولت.
مع زيادة التيار المباشر من خلال الخرز، تبدأ المادة الأساسية في التشبع. بالنسبة للمحاثات، يسمى هذا تيار التشبع ويتم تحديده كنسبة انخفاض في قيمة الحث. بالنسبة لخرز الفريت، عندما يكون الجزء في مرحلة المقاومة، فإن ينعكس تأثير التشبع في انخفاض قيمة المعاوقة مع التردد. هذا الانخفاض في المعاوقة يقلل من فعالية حبات الفريت وقدرتها على التخلص من ضوضاء EMI (AC). ويبين الشكل 8 مجموعة من منحنيات انحياز التيار المستمر النموذجية لخرز الفريت.
في هذا الشكل، تم تصنيف حبة الفريت عند 100 أوم عند 100 ميجا هرتز. هذه هي الممانعة المقاسة النموذجية عندما لا يحتوي الجزء على تيار مستمر. ومع ذلك، يمكن ملاحظة أنه بمجرد تطبيق تيار مستمر (على سبيل المثال، لـ IC VCC المدخلات)، تنخفض المعاوقة الفعالة بشكل حاد. في المنحنى أعلاه، بالنسبة لتيار 1.0 أمبير، تتغير المعاوقة الفعالة من 100 أوم إلى 20 أوم. 100 ميجا هرتز. ربما لا يكون ذلك بالغ الأهمية، ولكنه شيء يجب على مهندس التصميم الانتباه إليه. وبالمثل، باستخدام بيانات الخصائص الكهربائية فقط المكون الموجود في ورقة بيانات المورد، لن يكون المستخدم على علم بظاهرة تحيز التيار المستمر هذه.
مثل محاثات الترددات اللاسلكية عالية التردد، فإن اتجاه اللف للملف الداخلي في حبة الفريت له تأثير كبير على خصائص تردد الخرزة. لا يؤثر اتجاه اللف فقط على العلاقة بين المعاوقة ومستوى التردد، ولكنه يغير أيضًا استجابة التردد. في الشكل 9، يتم عرض خرزتين من الفريت بقدرة 1000 أوم بنفس حجم الغلاف ونفس المادة، ولكن مع تكوينين مختلفين للملف.
يتم لف ملفات الجزء الأيسر على المستوى الرأسي وتكديسها في الاتجاه الأفقي، مما ينتج مقاومة أعلى واستجابة تردد أعلى من الجزء الموجود على الجانب الأيمن ملفوفًا في المستوى الأفقي ومكدسًا في الاتجاه الرأسي. ويرجع ذلك جزئيًا إلى إلى المفاعلة السعوية المنخفضة (XC) المرتبطة بالسعة الطفيلية المخفضة بين الطرف الطرفي والملف الداخلي. ستنتج XC المنخفضة تردد رنين ذاتي أعلى، ثم تسمح لممانعة حبة الفريت بالاستمرار في الزيادة حتى يصل إلى تردد رنين ذاتي أعلى، وهو أعلى من البنية القياسية لخرزة الفريت. قيمة المعاوقة. تظهر منحنيات حبات الفريت 1000 أوم المذكورة أعلاه في الشكل 10.
ولتوضيح تأثيرات الاختيار الصحيح وغير الصحيح لخرزات الفريت، استخدمنا دائرة اختبار بسيطة ولوحة اختبار لإظهار معظم المحتوى الذي تمت مناقشته أعلاه. في الشكل 11، تُظهر لوحة الاختبار مواضع ثلاث حبات من الفريت ونقاط الاختبار المميزة "A" و"B" و"C"، والتي تقع على مسافة من جهاز إخراج المرسل (TX).
يتم قياس سلامة الإشارة على جانب الإخراج لخرزات الفريت في كل من المواضع الثلاثة، ويتم تكرارها باستخدام خرزتين من الفريت مصنوعتين من مواد مختلفة. وتم اختبار المادة الأولى، وهي مادة "S" منخفضة التردد، عند نقاط "A" و"B" و"C". بعد ذلك، تم استخدام مادة "D" ذات تردد أعلى. وتظهر النتائج من نقطة إلى نقطة باستخدام هاتين الخرزتين من الفريت في الشكل 12.
يتم عرض الإشارة غير المصفاة "من خلال" في الصف الأوسط، مما يوضح بعض التجاوز والنقصان على الحواف الصاعدة والهابطة، على التوالي. ويمكن ملاحظة أنه باستخدام المادة الصحيحة لظروف الاختبار المذكورة أعلاه، تظهر المادة ذات التردد المنخفض ذات الفقدان تجاوزًا جيدًا وتحسين الإشارة على الحواف الصاعدة والهابطة. تظهر هذه النتائج في الصف العلوي من الشكل 12. يمكن أن تسبب نتيجة استخدام مواد عالية التردد رنينًا، مما يؤدي إلى تضخيم كل مستوى وزيادة فترة عدم الاستقرار. نتائج الاختبار هذه هي يظهر في الصف السفلي.
عند النظر إلى تحسين EMI مع التردد في الجزء العلوي الموصى به (الشكل 12) في المسح الأفقي الموضح في الشكل 13، يمكن ملاحظة أنه بالنسبة لجميع الترددات، فإن هذا الجزء يقلل بشكل كبير من ارتفاعات EMI ويقلل مستوى الضوضاء الإجمالي عند 30 إلى نطاق 350 ميجا هرتز تقريبًا، يكون المستوى المقبول أقل بكثير من حد EMI الموضح بالخط الأحمر. هذا هو المعيار التنظيمي العام لمعدات الفئة B (الجزء 15 من لجنة الاتصالات الفيدرالية في الولايات المتحدة). تُستخدم المادة "S" المستخدمة في حبيبات الفريت خصيصًا لهذه الترددات المنخفضة. ويمكن ملاحظة أنه بمجرد أن يتجاوز التردد 350 ميجاهرتز، فإن المادة "S" لها تأثير محدود على مستوى ضوضاء EMI الأصلي غير المرشح، ولكنها تقلل من الارتفاع الكبير عند 750 ميجا هرتز بحوالي 6 ديسيبل. إذا كان الجزء الرئيسي من مشكلة ضوضاء EMI أعلى من 350 ميجا هرتز، فأنت بحاجة إلى فكر في استخدام مواد الفريت ذات التردد العالي والتي تكون معاوقتها القصوى أعلى في الطيف.
بالطبع، يمكن عادة تجنب كل الرنين (كما هو موضح في المنحنى السفلي من الشكل 12) عن طريق اختبار الأداء الفعلي و/أو برامج المحاكاة، ولكن من المأمول أن تسمح هذه المقالة للقراء بتجاوز العديد من الأخطاء الشائعة وتقليل الحاجة إلى حدد وقت حبة الفريت الصحيح، وقم بتوفير نقطة بداية أكثر "تعليمًا" عند الحاجة إلى حبات الفريت للمساعدة في حل مشكلات EMI.
أخيرًا، من الأفضل الموافقة على سلسلة أو سلسلة من خرزات الفريت، وليس مجرد رقم جزء واحد، لمزيد من الخيارات ومرونة التصميم. تجدر الإشارة إلى أن الموردين المختلفين يستخدمون مواد مختلفة، ويجب مراجعة أداء التردد لكل مورد ، خاصة عند إجراء عمليات شراء متعددة لنفس المشروع. من السهل بعض الشيء القيام بذلك في المرة الأولى، ولكن بمجرد إدخال الأجزاء في قاعدة بيانات المكونات تحت رقم تحكم، يمكن بعد ذلك استخدامها في أي مكان. الشيء المهم هو أن أداء التردد للأجزاء من موردين مختلفين متشابه جدًا للقضاء على إمكانية وجود تطبيقات أخرى في المستقبل. حدثت المشكلة. أفضل طريقة هي الحصول على بيانات مماثلة من موردين مختلفين، وعلى الأقل الحصول على منحنى مقاومة. سيضمن هذا أيضًا استخدام خرزات الفريت الصحيحة لحل مشكلة EMI لديك.
يعمل كريس بوركيت في TDK منذ عام 1995 وهو الآن أحد كبار مهندسي التطبيقات، حيث يدعم عددًا كبيرًا من المكونات السلبية. وقد شارك في تصميم المنتجات والمبيعات الفنية والتسويق. قام بوركيت بكتابة ونشر أوراق فنية في العديد من المنتديات. حصل بوركيت على ثلاث براءات اختراع أمريكية بشأن المفاتيح والمكثفات الضوئية/الميكانيكية.
يعد In Compliance المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات والتعليم والإلهام لمحترفي الهندسة الكهربائية والإلكترونية.
الفضاء الجوي السيارات الاتصالات الإلكترونيات الاستهلاكية التعليم الطاقة وصناعة الطاقة تكنولوجيا المعلومات الطبية العسكرية والدفاع الوطني