Синфазные дроссели TDK-EPCOS

Синфазные дроссели — универсальное классическое средство, позволяющее решить задачи подавления электромагнитных помех (ЭМП) и, соответственно, выполнить требования по электромагнитной совместимости (ЭМС). Эти устройства настолько привычны, что воспринимаются как нечто, не создающее проблем. Но всегда ли синфазный дроссель синфазный? Вот в чем вопрос, но на него есть ответ. И дело здесь в правильном выборе не только дросселя, но и его изготовителя и поставщика.

Когда разработчику радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) срочно приходится решать проблемы электромагнитной совместимости и подавления синфазных, а попутно и дифференциальных помех, он буквально хватается за синфазный дроссель. И это правильно. Казалось бы, тут все просто и понятно, про синфазные дроссели и их применение написано много, да и выбор их богатый, в конце концов, можно и самому сделать прибор, намотав, например, на ферритовое кольцо две проволочки. Однако проблемы, как и дьявол, всегда кроются в деталях. Вот на них-то мы и посмотрим.

В общем представлении синфазный дроссель — это связанная индуктивность, в нем на одном сердечнике намотаны как минимум две катушки (бывает, и три, и четыре). Кстати, для получения синфазного дросселя очень важна стратегия намотки (рис. 1), и это разработчикам РЭА хорошо известно. Для ясности и простоты остановимся на дросселе с двумя обмотками.

Рис. 1. Идеальный синфазный дроссель для дифференциальных токов (слева), синфазных токов (в середине) и его условное обозначение в схемах

Компактное электрическое и электронное оборудование в основном генерирует синфазные помехи. Для того чтобы оно соответствовало требованиям безопасности (не выходя за пределы тока утечки), необходимо использовать дроссели с высоким значением асимметричной эффективной индуктивности. Для этой цели оптимальны дроссели с компенсацией тока с топологией с закрытым сердечником. Проблема насыщения сердечника за счет полезного тока в этих конструкциях решается выбором материала сердечника, но самое главное — намоткой двух катушек с равным числом витков на сердечнике. Катушки связаны таким образом, что магнитный поток, индуцированный верхней катушкой, компенсируется нижней катушкой.

Для подобного идеального дросселя магнитный поток в сердечнике обусловлен тем, что токи дифференциального режима iDM (рис. 1, слева) компенсируют друг друга, что приводит к нулевому сопротивлению (точнее, импедансу) дросселя. Но магнитные потоки Φ1 и Φ2, вызванные синфазными токами iCM (рис. 1, в середине), суммируются, что значительно увеличивает полное сопротивление (импеданс). Для получения такого прекрасного со всех точек зрения эффекта важно правильно выполнить обмотки, поэтому в условном обозначении дросселя данного типа (рис. 1, справа) используется две точки, чтобы указать, как должны быть выполнены обмотки.

Подводя итог, отметим, что синфазный дроссель выглядит как простой проводник для дифференциальных сигналов и как индуктивность для синфазных сигналов. Одно из преимуществ этих видов дросселей заключается в том, что они не будут насыщаться токами дифференциального режима. Для этих связанных индуктивностей коэффициент связи k может быть рассчитан по формуле:

k = M/√(L1×L2), (1)

здесь M — коэффициент взаимной индуктивности, а L1, L2 — индуктивности для обеих обмоток.

Значения индуктивностей для синфазного и дифференциального режима могут быть получены по формулам:

LDM = 2×(L-M) и LCM = (L+M)/2 (2)

Учитывая, что индуктивности L1 и L2 равны L и для 100%-ной идеальной связи k = 1, взаимная индуктивность M из формулы (1) получается равной индуктивности L (M = L), а индуктивности дросселя для синфазного и дифференциального режимов, как следует из формул (2), соответственно равны LDM = 0 и LCM = L.

Таким образом, подтверждается, что мы не обнаружим наличие импеданса для сигналов дифференциального режима, но будем иметь некоторое, определяемое индуктивность LCM значение импеданса для сигналов синфазного режима.

На практике взаимная компенсация магнитного потока в дифференциальном режиме не идеальна, этот факт разработчикам РЭА хорошо известен и широко используется. В дифференциальном режиме импеданс не равен нулю, он определяется такой характеристикой, как индуктивность рассеяния, и полезен для фильтрации сигналов дифференциального режима. Однако нельзя забывать и том, что в приложениях с высоким током необходимо убедиться в отсутствии эффекта насыщения сердечника дросселя.

Обратимся к наглядному и поучительному примеру. Столкнулись с крайне неприятной ситуацией, когда устройство, проверенное им на прототипе в лаборатории, провалилось на сертификационных испытаниях. Причем все элементы и компоновка были те же, что и в прототипе. Чтобы проанализировать и понять ситуацию, измерили реакцию синфазных дросселей прототипа (условно названного CHKA) и заявленного на сертификацию изделия (условно названного CHKB) с помощью векторного анализатора цепей Bode 100. Упрощенное измерение синфазного дросселя было выполнено, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Упрощенное измерение импедансов для синфазного дросселя

Результаты измерения дросселя, который удовлетворительно работал в приложении (CHKA), представлены на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики дросселя CHKA На рис. 3 можно увидеть, насколько велико различие импедансов синфазного режима по сравнению с дифференциальным. На втором дросселе (CHKB), снятом с изделия, на котором провалились испытания в сертификационной лаборатории, смог заметить очень тонкое отличие — на одной из катушек дросселя отсутствовал один виток (рис. 4). Рис. 4. Дроссели, используемые в качестве примера

У дросселя CHKA было 14 витков для L1 и L2, а у дросселя CHKB — 14 витков для L1 и 13 витков для L2. Это оказалось весьма существенной разницей. Если одна из катушек отличается от другой, то индуктивность для синфазного сигнала будет уменьшена (соответственно, плохая фильтрация синфазной ЭМП), а дифференциальная индуктивность увеличена. Когда речь идет о линиях передачи, это может привести к проблемам с целостностью сигналов (англ. Signal Integrity — наличие достаточных для безошибочной передачи качественных характеристик электрического сигнала), или если речь идет о цепях питания, то в приложениях с большим током сердечник, вероятно, может быть насыщен даже номинальным рабочим током.

Данный тип дросселей наматывается вручную, так что человеческие ошибки и/или некачественные проверки конечного продукта могут создать проблему, которую трудно будет сразу обнаружить и которая способна проявиться совершенно неожиданно.

Из приведенного примера ясно видно, насколько важна идеальная симметрия для двух катушек в дросселе. Даже в случае, когда в одной из катушек отсутствует лишь один виток, импеданс синфазного дросселя для синфазного режима резко уменьшается. Если говорить в целом, то несимметричность может быть вызвана не только пропуском полного витка, как в приведенном примере, но и просто нарушениями геометрии намотки. К сожалению, нередко этого нарушения шага намотки (не забываем, что в формулу для расчета индуктивности входит величина, обратная длине обмотки, так что при равных условиях неплотно намотанная катушка будет иметь меньшую индуктивность) или пропуска части витка при терминации просто не замечают. Вот почему для ответственных применений, особенно это касается высокочастотных приложений, не рекомендуется их самостоятельное, часто полукустарное, изготовление.

Результатом нарушения неидеальности исполнения синфазного дросселя будет низкая эффективность фильтрации синфазных сигналов ЭМП в области высоких частот — для чего, собственно, эти дроссели и используются. Таким же образом индуктивность в дифференциальном режиме увеличивается с типичным эффектом насыщения сердечника или нарушениями целостности сигнала из-за снижения частоты среза фильтра, образованного индуктивностью рассеяния и, в зависимости от включения дросселя, входной или выходной емкостью.

Отсюда следует вывод: будьте осторожны с недорогими и, как правило, не гарантирующими должного качества компонентами. Это касается не только идеальности намотки, но и материалов, из которых они изготовлены, поскольку последние влияют на точность соблюдения индуктивности и ток насыщения.

В качестве выхода из ситуации можно предложить использовать для критических приложений синфазные дроссели от поставщиков, имеющих надежную репутацию на рынке. (В противном случае, как известно, скупой заплатит дважды.) Одним из таких поставщиков является TDK Corporation — японская компания, занимающаяся производством электронных компонентов и носителей информации.Позиции компании по выпуску элементов из ферритовых материалов значительно усилились в 2008 году после приобретения 90% акций еще одной известной компании EPCOS AG (Electronic Parts and Components) — европейского лидера по производству пассивных электронных компонентов. Объединение таких брендов и их технологий позволило вывести на рынок изделия в качестве, надежности и технических характеристиках которых можно не сомневаться, в том числе синфазных дросселей, специально разработанных для подавления ЭМП и решения вопросов ЭМС.

Как уже было сказано, синфазные дроссели помогают решить две важные проблемы по ЭМС. Первая — очистить цепи питания от ЭМП, то есть уменьшить их излучение цепями питания и линиями их подключения, а вторая — защитить цепи или линии передачи сигнала от воздействия ЭМП. Эти проблемы очень различаются, соответственно, для их решения требуются разные типы синфазных дросселей. Компания TDK и ее структурное подразделение EPCOS предлагают универсальные решения для обеих проблем. В портфелях предложений компании имеются синфазные дроссели, как говорится, на любой вкус и цвет — от традиционных двух- и трех- до четырехобмоточных проволочных, рассчитанных на средние и большие токи, а также миниатюрные многослойные и тонкопленочные, предназначенные для сигнальных цепей, и сборки из нескольких дросселей, выполненные в одном корпусе.

Примеры конструктивного исполнения синфазных дросселей компании EPCOS для линий питания

Синфазные дроссели компании EPCOS для линий питания