اختيار المحولات ذات الوضع المشترك (المحثات)

قبل تقديم المحولات ذات الوضع المشترك، دعونا نناقش أولاً المحولات بشكل عام. المحول هو ملف منخفض المقاومة مصمم لتقليل التيارات عالية التردد في دائرة. لتعزيز حثه، غالبًا ما تتضمن المحولات نواة مصنوعة من مادة مغناطيسية ناعمة. يتكون المحول ذو الوضع المشترك من عدة ملفات متطابقة تتدفق من خلالها التيارات في اتجاهات متعاكسة، مما يؤدي إلى إلغاء المجال المغناطيسي داخل نواة المحول. تُستخدم المحولات ذات الوضع المشترك بشكل متكرر لقمع التداخل المشع لأن مثل هذه التيارات المتداخلة تتدفق في اتجاهات متعاكسة في الملفات المختلفة، مما يحسن من توافق النظام الكهرومغناطيسي (EMC). بالنسبة لمثل هذه التيارات، فإن حث المحول ذو الوضع المشترك مرتفع جدًا. يُظهر الشكل 1 مخطط دائرة لمحول ذو وضع مشترك.

الإشارات المشتركة والإشارات التفاضلية هي مصطلحات نسبية. تشير الإشارات المشتركة، المعروفة أيضًا باسم ضوضاء الوضع المشترك أو ضوضاء الأرض، إلى الضوضاء على كل موصل بالنسبة للأرض. في سياق فلتر الإدخال لمصدر الطاقة المتبدل، تشير هذه إلى الإشارات الكهربائية على الأسلاك المحايدة والحية بالنسبة للأرض. على الرغم من أن السلك المحايد والسلك الحي غير متصلين مباشرة بالأرض، إلا أنه يمكن توصيلهما من خلال السعات الطفيلية أو السعات الشاردة أو الحث الطفيلي على لوحة الدائرة. من ناحية أخرى، تمثل الإشارات التفاضلية الفرق في الإشارات بين الموصلين الاثنين ويمكن أيضًا الإشارة إليها باسم الفرق الخطي.

نظرًا لإشارتين، V1 و V2:

خصائص إشارات الوضع المشترك: إشارات ذات سعة متساوية ونفس الطور.

خصائص إشارات وضع الفرق: إشارات ذات سعة متساوية ولكن بطرز معاكسة.

بالنسبة لمصدر الطاقة المتبدل، إذا كانت سعة التخزين الكبيرة والمكثف الفلتر بعد جسر التوحيد مثالية (أي، مع مقاومة سلسلة مكافئة صفرية، مع تجاهل جميع المعلمات الطفيلية للمكثف)، فإن جميع مصادر الضوضاء في وضع الاختلاف الممكنة التي تدخل مصدر الطاقة ستتجاوز تمامًا أو تفصل بواسطة هذا المكثف. ومع ذلك، فإن المقاومة السلسلة المكافئة للمكثفات ذات السعة الكبيرة ليست صفرية. لذلك، تشكل المقاومة السلسلة المكافئة للمكثف المدخل العنصر الأساسي لمعامل الزاوية Zdm كما يُرى من مولد الضوضاء في وضع الاختلاف. بالإضافة إلى حمل التيار التشغيلي المتدفق من خط الطاقة، يجب على المكثف المدخل أيضًا تزويد تيار النبض عالي التردد المطلوب بواسطة الترانزستور المتبدل. بغض النظر، فإن التيار المتدفق عبر مقاومة يولد حتمًا انخفاضًا في الجهد، مثل عبر المقاومة السلسلة المكافئة للمكثف. ونتيجة لذلك، يظهر تموج جهد عالي التردد عبر المكثف الفلتر المدخل، ناشئًا من تيارات وضع الاختلاف. هذا التموج هو في الأساس مصدر جهد (ناجم عن المقاومة السلسلة المكافئة). نظريًا، عندما يكون جسر التوحيد موصلًا، يجب أن تظهر هذه الضوضاء التموج عالي التردد فقط على الجانب المدخل لجسر التوحيد. في الواقع، عندما يكون جسر التوحيد مطفأً، تتسرب الضوضاء عبر السعة الطفيلية لم diodes جسر التوحيد.

هناك مسارات عرضية متنوعة لتدفق التيارات عالية التردد إلى الهيكل. عندما يخضع تصريف الترانزستور الرئيسي في مزود الطاقة المتقطع لانتقالات من عالية إلى منخفضة، يتدفق التيار عبر السعة الطفيلية بين الترانزستور المتقطع ومبدد الحرارة (الذي يتصل بالهيكل أو هو الهيكل نفسه). عندما يحافظ تيار الشبكة المتناوبة على جسر التوحيد في حالة توصيل، فإن الضوضاء المدخلة إلى الهيكل تواجه مقاومة متساوية تقريبًا، مما يؤدي إلى تدفق كميات متساوية إلى الأسلاك المحايدة والحية. هذه هي ضوضاء الوضع المشترك النقية.

من المعروف أن إشارات الوضع المشترك لها سعة متساوية ونفس الطور، وعادة ما تنشأ من شبكة الطاقة. يمكن أن تتداخل هذه الإشارات مع التشغيل العادي للوحة الدائرة وأيضًا تشع كأمواج كهرومغناطيسية لت disturb البيئة المحيطة.

نظرًا لأن المحاثات تُستخدم لقمع الإشارات المشتركة، يجب أن يكون هذا مرتبطًا بالحقول المغناطيسية. دعونا نقدم أولاً اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن الملف اللولبي (لأغراض المشروع، في بعض السيناريوهات مثل قمع الإشارات المشتركة، قد لا تكون الحسابات الكمية للمجال المغناطيسي والتدفق المغناطيسي الناتج عن المحاث ضرورية. بالنسبة لأولئك المهتمين، يُوصى بكتاب مرجعي هو "المكونات المغناطيسية في مصادر الطاقة المحولة" للأستاذ تشاو شيوكي). الطريقة لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن الملف اللولبي هي الإمساك بالملف اللولبي بيدك اليمنى، مع توجيه أصابعك في اتجاه التيار، وسيتجه إبهامك في اتجاه المجال المغناطيسي. بعد ذلك، يتم تقديم مصطلح مهم: التدفق المغناطيسي. يُطلق على إجمالي كمية خطوط المجال المغناطيسي التي تمر عموديًا عبر مقطع ما اسم التدفق المغناطيسي عبر ذلك المقطع، ويختصر بالتدفق المغناطيسي. يتم توليد خطوط المجال المغناطيسي بواسطة الملف اللولبي وتوجد فعليًا، على الرغم من أنها غير مرئية وغير ملموسة. تشكل خطوط المجال المغناطيسي حلقة مغلقة، وبالنسبة للملف اللولبي، فإنها جميعًا تمر عبر داخل الملف اللولبي. خطوط المجال المغناطيسي تتناسب مع كثافة التحريض المغناطيسي B. الشكل 3 يُظهر مخططًا لخطوط المجال المغناطيسي الناتجة عن الملف اللولبي.

تُرمَز التدفق المغناطيسي بـ F، وهو كمية عددية، وله وحدات من ويبر (Wb). العلاقة بين التدفق المغناطيسي، وشدة التحريض المغناطيسي B، والمساحة المقطعية A هي:

F = BA

من هذه العلاقة، يمكن ملاحظة أنه كلما زادت خطوط المجال المغناطيسي التي تمر عبر المقطع العرضي، زادت التدفق المغناطيسي. بالنسبة لملف ملتف حول نواة مغناطيسية مع مرور تيار i من خلاله، يمكن التعبير عن الحث L للملف كالتالي:

L = NF / i

حيث N هو عدد لفات الملف.

من النظرة العامة أعلاه، يمكن فهم أنه بالنسبة لملف ملتف حول نواة مغناطيسية مع عدد ثابت من اللفات والتيار، كلما زادت خطوط المجال المغناطيسي التي تمر عبر النواة المغناطيسية، زادت التدفق المغناطيسي، وبالتالي زادت الحث. الوظيفة الأساسية للمحث هي مقاومة التغيرات في التيار المتدفق من خلاله، وهو في الأساس مقاومة التغيرات في تدفقه المغناطيسي. هذه هي المبدأ الأساسي وراء استخدام مثبط الوضع المشترك لقمع التيارات ذات الوضع المشترك.

تكون كثافات الحث المغناطيسي الناتجة عن التيارات المشتركة في محث مشترك هي B1 للتيار I1 و B2 للتيار I2. تمثل السهمان الأصفران في الشكل 3 خطوط المجال المغناطيسي الناتجة عن التيارات I1 و I2 في النواة الفيريتية، على التوالي. يمكن ملاحظة أن خطوط المجال المغناطيسي الناتجة عن I1 و I2 تتجمع، وكذلك تتجمع التدفقات المغناطيسية، وبالتالي، تتجمع الحثيات. كلما زادت الحثية، زادت قوة كبح التيارات.

في جملة واحدة، يمكن تفسير قمع التيارات المشتركة بواسطة ملف مشترك كما يلي: عندما تتدفق التيارات المشتركة عبر ملف مشترك، تتجمع التدفقات المغناطيسية في الحلقة المغناطيسية، مما يؤدي إلى حث كبير يقمع التيارات المشتركة.

عندما تتدفق تيارات وضعية الفرق عبر الملفين، تكون خطوط المجال المغناطيسي في الحلقة المغناطيسية من الفريت في اتجاهات متعاكسة، مما يتسبب في إلغاء التدفقات المغناطيسية لبعضها البعض، مما يؤدي إلى عدم وجود تقريبًا أي حث. لذلك، يمكن أن تمر إشارات وضعية الفرق مع الحد الأدنى من التوهين (مع الأخذ في الاعتبار المقاومة الكامنة للملف). لذلك، ليس فقط لمرشح الإدخال لمصدر الطاقة المتبدل ولكن أيضًا عند توجيه خطوط الإشارة الوضعية، يمكن إضافة مثبط وضعية مشترك لقمع تيارات الوضعية المشتركة ومنع ظواهر مثل التشغيل الخاطئ للدائرة.

استنادًا إلى متطلبات التيار المقنن، ومقاومة التيار المستمر، والممانعة عند التردد المقنن لملف مشترك، يمكن أن يتقدم التصميم خطوة بخطوة كما يلي:

صيغة حساب الحد الأدنى لقيمة الحث لمحث وضع مشترك هي:

حيث Xl هو قيمة المقاومة عند التردد f.

تُحدد قيمة الحث في المحث عن طريق قسمة الحمل (بالأوم) على التردد الزاوي أو التردد الأعلى الذي يبدأ عنده الإشارة في التخفيف. على سبيل المثال، في حمل 50Ω، إذا بدأت الإشارة في التخفيف عند أو فوق 4000 هرتز، فإن حثًا قدره 1.99 مللي هنري (50 / (2π × 4000)) مطلوب. البناء المقابل لمرشح الوضع المشترك هو كما يلي:

عند اختيار نطاق التردد الذي سيتم تصفيته، كلما كانت مقاومة الوضع المشترك أعلى، كان ذلك أفضل. لذلك، عند اختيار ملف مشترك، من الضروري الرجوع إلى ورقة بيانات الجهاز، استنادًا بشكل أساسي إلى منحنى المقاومة-التردد.

بعد حساب الحث، فإن خطوات التصميم التالية مشابهة لتلك الخاصة بتصميم ملف حث عادي ولن يتم التوسع في ذلك هنا.

عند لف المحاثة الخاصة بك، لاحظ ما يلي:

عند اختيار النواة المغناطيسية لملف مشترك، يجب أخذ عوامل مثل الشكل والحجم ونطاق التردد القابل للتطبيق وارتفاع درجة الحرارة والسعر في الاعتبار. تشمل الأشكال الشائعة للنواة المغناطيسية الشكل U والشكل E والشكل الحلزوني.

نسبيًا، فإن النوى الدائرية أرخص لأن واحدة فقط مطلوبة للتصنيع. يجب أن تأتي أشكال النوى الأخرى في أزواج للاستخدام في المحولات ذات الوضع المشترك، وأثناء التشكيل، يجب أخذ اقتران النوى في الاعتبار، مما يتطلب عملية طحن إضافية لتحقيق نفاذية أعلى. هذا ليس ضروريًا للنوى الدائرية. مقارنةً بالأشكال الأخرى، تتمتع النوى الدائرية بنفاذية فعالة أعلى لأنه، بغض النظر عن كيفية تجميعها، سيكون هناك دائمًا ظاهرة فجوة هوائية بين النوى المزدوجة، مما يؤدي إلى نفاذية فعالة أقل من نواة مغلقة واحدة. ومع ذلك، فإن تكلفة لف النوى الدائرية أعلى لأن أشكال النوى الأخرى تحتوي على بكرة مطابقة يمكن استخدامها لللف الآلي، بينما يمكن لف النوى الدائرية يدويًا فقط أو بواسطة آلة (بسرعة أقل). علاوة على ذلك، فإن الفتحة الصغيرة للنوى الدائرية تجعل من الصعب على الآلات تمرير السلك، مما يتطلب لفًا يدويًا، وهو ما يستغرق وقتًا طويلاً، ويتطلب جهدًا كبيرًا، ويؤدي إلى تكاليف معالجة عالية وكفاءة منخفضة. كما أن التركيب غير مريح، وإذا تم إضافة قاعدة، ستزداد التكلفة. بالنظر إلى الأداء العام، تتمتع النوى الدائرية بأداء أفضل ولكن أيضًا بسعر أعلى. بسبب عوامل التكلفة، تُستخدم النوى الدائرية في الغالب في مصادر الطاقة عالية القدرة. بالطبع، بسبب حجمها الصغير، يمكن استخدامها أيضًا في مصادر الطاقة منخفضة القدرة حيث يكون الحجم مصدر قلق. بالنسبة للمحولات ذات الوضع المشترك التي تتمثل وظيفتها الرئيسية في تصفية الضوضاء ذات التردد المنخفض، يجب اختيار نوى الفريت المنغنيز-زنك ذات النفاذية العالية. على العكس من ذلك، للتطبيقات عالية التردد، يجب اختيار نوى الفريت النيكل-زنك أو النوى المسحوقة. النوى المغناطيسية المناسبة للترددات العالية عمومًا تحتوي على فجوات هوائية موزعة، مما يؤدي إلى نفاذية أقل نسبيًا؛ لا يمكنك الحصول على كلا الأمرين. ومع ذلك، على عكس المحاثات العادية، فإن وظيفة المحول ذو الوضع المشترك هي خلق خسارة إدخال كبيرة لإشارات الضوضاء لتقليل تداخل الضوضاء. على الرغم من أن النفاذية الفعالة للفريت المنغنيز-زنك صغيرة جدًا عند الترددات العالية، فإن خسارة النواة تزداد مع التردد، مما يوفر مقاومة كبيرة للضوضاء عالية التردد وبالتالي يضعف التداخل عالي التردد، على الرغم من الأداء النسبي الأضعف. ومع ذلك، يمكن أن تتسبب خسائر النواة الأكبر في تسخين النواة، كما أن النوى ذات الخسائر الأقل تكون أيضًا أكثر تكلفة.