Selección de Chokes de Modo Común (Inductores)

Antes de introducir los filtros de modo común, primero discutamos los filtros en general. Un filtro es una bobina de baja impedancia diseñada para atenuar corrientes de alta frecuencia en un circuito. Para mejorar su inductancia, los filtros a menudo incorporan un núcleo hecho de material magnético blando. Un filtro de modo común consiste en múltiples bobinas idénticas a través de las cuales fluyen corrientes en direcciones opuestas, lo que resulta en la cancelación del campo magnético dentro del núcleo del filtro. Los filtros de modo común se emplean frecuentemente para suprimir la interferencia radiada porque tales corrientes interferentes fluyen en direcciones opuestas en las diferentes bobinas, mejorando así la compatibilidad electromagnética (EMC) del sistema. Para tales corrientes, la inductancia de un filtro de modo común es muy alta. Un diagrama de circuito de un filtro de modo común se muestra en la Figura 1.

Las señales de modo común y de modo diferencial son términos relativos. Las señales de modo común, también conocidas como ruido de modo común o ruido de tierra, se refieren al ruido en cada conductor en relación con la tierra. En el contexto de un filtro de entrada para una fuente de alimentación conmutada, esto se refiere a las señales eléctricas en los cables neutro y vivo en relación con la tierra. Aunque ni el neutro ni el cable vivo están conectados directamente a la tierra, pueden estar conectados a través de capacitancias parasitarias o errantes o inductancias parasitarias en la placa de circuito. Las señales de modo diferencial, por otro lado, representan la diferencia en las señales entre los dos conductores y también se pueden denominar como el diferencial de línea.

Dadas dos señales, V1 y V2:

Características de las señales de modo común: Señales de igual amplitud y la misma fase.

Características de las señales en modo diferencial: Señales de igual amplitud pero fases opuestas.

Para una fuente de alimentación conmutada, si el capacitor de almacenamiento y filtrado de gran capacidad después del puente rectificador es ideal (es decir, con resistencia serie equivalente cero, ignorando todos los parámetros parasitarios del capacitor), todas las posibles fuentes de ruido en modo diferencial que ingresan a la fuente de alimentación serían completamente eludidas o desacopladas por este capacitor. Sin embargo, la resistencia serie equivalente de los capacitores de gran capacidad no es cero. Por lo tanto, la resistencia serie equivalente del capacitor de entrada constituye el componente principal de la impedancia Zdm tal como se ve desde el generador de ruido en modo diferencial. Además de transportar la corriente de operación que fluye desde la línea de alimentación, el capacitor de entrada también debe suministrar la corriente de pulso de alta frecuencia requerida por el transistor conmutador. Independientemente, la corriente que fluye a través de un resistor inevitablemente genera una caída de voltaje, como a través de la resistencia serie equivalente del capacitor. En consecuencia, aparece un rizado de voltaje de alta frecuencia a través del capacitor de filtro de entrada, originado por corrientes en modo diferencial. Este rizado es esencialmente una fuente de voltaje (causada por la resistencia serie equivalente). Teóricamente, cuando el puente rectificador está conduciendo, este ruido de rizado de alta frecuencia debería aparecer solo en el lado de entrada del puente rectificador. En la realidad, cuando el puente rectificador está apagado, el ruido se filtra a través de la capacitancia parasitaria de los diodos del puente rectificador.

Existen varios caminos incidentales para que las corrientes de alta frecuencia fluyan hacia el chasis. Cuando el drenaje del transistor de conmutación principal en una fuente de alimentación conmutada experimenta transiciones de alto a bajo, la corriente fluye a través de la capacitancia parasitaria entre el transistor de conmutación y el disipador de calor (que está conectado al chasis o es el chasis mismo). Cuando la corriente de la red de CA mantiene el puente rectificador conduciendo, el ruido inyectado en el chasis encuentra una impedancia casi igual, lo que resulta en cantidades iguales fluyendo hacia los cables neutro y vivo. Este es ruido puro de modo común.

Se sabe que las señales de modo común tienen la misma amplitud y la misma fase, originándose típicamente de la red eléctrica. Estas señales pueden interferir con el funcionamiento normal de la placa de circuito y también radiar como ondas electromagnéticas para perturbar el entorno circundante.

Dado que los inductores se utilizan para suprimir señales de modo común, esto debe estar relacionado con los campos magnéticos. Primero, introduzcamos la dirección del campo magnético generado por un solenoide (para aplicaciones de proyectos, en algunos escenarios como la supresión de señales de modo común, los cálculos cuantitativos del campo magnético y el flujo magnético generado por el inductor pueden no ser necesarios. Para aquellos interesados, un libro de referencia recomendado es "Componentes Magnéticos en Fuentes de Alimentación conmutadas" del Profesor Zhao Xiuke). El método para determinar la dirección del campo magnético generado por un solenoide es agarrar el solenoide con la mano derecha, con los dedos apuntando en la dirección de la corriente, y el pulgar apuntará en la dirección del campo magnético. A continuación, se introduce un término importante: flujo magnético. La cantidad total de líneas de campo magnético que pasan perpendicularmente a través de una sección se llama flujo magnético a través de esa sección, abreviado como flujo magnético. Las líneas de campo magnético son generadas por el solenoide y realmente existen, aunque son invisibles e intangibles. Las líneas de campo magnético forman un lazo cerrado, y para un solenoide, todas pasan por el interior del solenoide. Las líneas de campo magnético son proporcionales a la intensidad de inducción magnética B. La Figura 3 muestra un diagrama esquemático de las líneas de campo magnético generadas por un solenoide.

El flujo magnético se denota por F, es una cantidad escalar y tiene unidades de weber (Wb). La relación entre el flujo magnético, la intensidad de inducción magnética B y el área de sección transversal A es:

F = BA

De esta relación, se puede ver que cuantas más líneas de campo magnético pasen a través de la sección transversal, mayor será el flujo magnético. Para una bobina enrollada alrededor de un núcleo magnético con una corriente i fluyendo a través de ella, la inductancia L de la bobina se puede expresar como:

L = NF / i

donde N es el número de vueltas de la bobina.

A partir de la visión general anterior, se puede entender que para una bobina enrollada alrededor de un núcleo magnético con un número constante de vueltas y corriente, cuantas más líneas de campo magnético pasen a través del núcleo magnético, mayor será el flujo magnético y, en consecuencia, mayor será la inductancia. La función inherente de un inductor es resistir los cambios en la corriente que fluye a través de él, que es esencialmente resistir los cambios en su flujo magnético. Este es el principio básico detrás del uso de un filtro de modo común para suprimir las corrientes de modo común.

Las intensidades de inducción magnética generadas por las corrientes de modo común en un choke de modo común son B1 para la corriente I1 y B2 para la corriente I2. Las dos flechas amarillas en la Figura 3 representan las líneas de campo magnético generadas por las corrientes I1 e I2 en el núcleo de ferrita, respectivamente. Se puede ver que las líneas de campo magnético generadas por I1 e I2 se suman, al igual que los flujos magnéticos, y, en consecuencia, las inductancias se suman. Cuanto mayor es la inductancia, más fuerte es la supresión de las corrientes.

En una frase, la supresión de las corrientes de modo común por un choke de modo común se puede explicar de la siguiente manera: Cuando las corrientes de modo común fluyen a través de un choke de modo común, los flujos magnéticos en el anillo magnético se suman, lo que resulta en una inductancia significativa que suprime las corrientes de modo común.

Cuando las corrientes de modo diferencial fluyen a través de las dos bobinas, las líneas del campo magnético en el anillo magnético de ferrita están en direcciones opuestas, lo que provoca que los flujos magnéticos se cancelen entre sí, resultando en casi ninguna inductancia. Por lo tanto, las señales de modo diferencial pueden pasar con una atenuación mínima (considerando la resistencia inherente del inductor). Por lo tanto, no solo para el filtro de entrada de una fuente de alimentación conmutada, sino también al enrutar líneas de señal diferencial, se puede agregar un filtro de modo común para suprimir las corrientes de modo común y prevenir fenómenos como el disparo falso del circuito.

Basado en los requisitos para la corriente nominal, la resistencia de CC y la impedancia a la frecuencia nominal de un choke de modo común, el diseño puede proceder paso a paso de la siguiente manera:

La fórmula para calcular el valor mínimo de inductancia de un choke de modo común es:

donde Xl es el valor de impedancia a la frecuencia f.

El valor de inductancia de un choke se determina dividiendo la carga (en Ohmios) por la frecuencia angular o la frecuencia más alta a la que la señal comienza a atenuarse. Por ejemplo, en una carga de 50Ω, si la señal comienza a atenuarse a 4000 Hz o más, se requiere una inductancia de 1.99 mH (50 / (2π × 4000)). La construcción correspondiente del filtro de modo común es la siguiente:

Al seleccionar la banda de frecuencia a filtrar, cuanto mayor sea la impedancia de modo común, mejor. Por lo tanto, al elegir un choke de modo común, es necesario consultar la hoja de datos del dispositivo, basándose principalmente en la curva de impedancia-frecuencia.

Después de calcular la inductancia, los pasos de diseño posteriores son similares a los de diseñar un inductor regular y no se elaborarán aquí.

Al enrollar su propio inductor, tenga en cuenta lo siguiente:

Al seleccionar el núcleo magnético para un filtro de modo común, se deben considerar factores como la forma, el tamaño, la banda de frecuencia aplicable, el aumento de temperatura y el precio. Las formas comunes de núcleos magnéticos incluyen U, E y toroidal.

Relativamente hablando, los núcleos toroidales son más baratos porque solo se necesita uno para la fabricación. Otras formas de núcleos deben venir en pares para su uso en filtros de modo común, y durante el moldeo, se debe considerar el emparejamiento de los dos núcleos, lo que requiere un proceso adicional de rectificado para lograr una mayor permeabilidad. Esto no es necesario para los núcleos toroidales. En comparación con otras formas, los núcleos toroidales tienen una mayor permeabilidad efectiva porque, sin importar cómo se ensamblen, siempre habrá un fenómeno de espacio de aire entre los núcleos emparejados, lo que resulta en una menor permeabilidad efectiva que un núcleo de forma cerrada única. Sin embargo, el costo de bobinado de los núcleos toroidales es más alto porque otras formas de núcleos tienen un bobinado coincidente que se puede utilizar para el bobinado automático, mientras que los núcleos toroidales solo se pueden bobinar manualmente o por máquina (a una velocidad más baja). Además, la pequeña apertura de los núcleos toroidales dificulta que las máquinas enhebran el alambre, lo que requiere bobinado manual, que consume tiempo, es intensivo en mano de obra y resulta en altos costos de procesamiento y baja eficiencia. La instalación también es inconveniente, y si se añade una base, el costo aumentará. Considerando el rendimiento general, los núcleos toroidales tienen un mejor rendimiento pero también un precio más alto. Debido a factores de costo, los núcleos toroidales se utilizan principalmente en fuentes de alimentación de alta potencia. Por supuesto, debido a su pequeño tamaño, también se pueden utilizar en fuentes de alimentación de baja potencia donde el tamaño es una preocupación. Para los filtros de modo común cuya función principal es filtrar el ruido de baja frecuencia, se deben seleccionar núcleos de ferrita de manganeso-zinc de alta permeabilidad. Por el contrario, para aplicaciones de alta frecuencia, se deben seleccionar núcleos de ferrita de níquel-zinc o núcleos de polvo. Los núcleos magnéticos adecuados para altas frecuencias generalmente tienen espacios de aire distribuidos, lo que resulta en una permeabilidad relativamente más baja; no se puede tener ambos. Sin embargo, a diferencia de los inductores regulares, la función de un filtro de modo común es crear una gran pérdida de inserción para las señales de ruido para reducir la interferencia del ruido. Aunque la permeabilidad efectiva de la ferrita de manganeso-zinc es muy pequeña a altas frecuencias, la pérdida del núcleo aumenta con la frecuencia, proporcionando una impedancia significativa al ruido de alta frecuencia y, por lo tanto, debilitando la interferencia de alta frecuencia, aunque con un rendimiento relativamente peor. Sin embargo, las pérdidas de núcleo más grandes pueden hacer que el núcleo se caliente, y los núcleos con pérdidas más pequeñas también son más caros.