Wie kann ich Gleichrichter-Schaltgeräusche beobachten?

Du kombinierst zwei völlig unterschiedliche Dinge zu einem. Es treten zwei völlig getrennte Phänomene auf, von denen eines Schaltgeräusche und das andere Klingeln ist. Sie haben keine Beziehung zueinander und werden durch ganz unterschiedliche Dinge verursacht. Auch die dabei entstehenden Geräusche sind sehr unterschiedlich.

Lassen Sie uns zunächst über das sprechen, was Sie verknüpft haben, den Snubber am Transformator. Dies wird überhaupt kein Schaltgeräusch bewirken und ist auch nicht beabsichtigt. Snubber tun eine Sache - das Klingeln entfernen. Sie sind auf eine einzige spezifische Frequenz ausgelegt und nicht mehr. Dies liegt daran, dass das Klingeln naturgemäß eine bestimmte Frequenz hat.

Teil I: Läute mich

mit Gastauftritten von Induktivität und Kapazität

Was klingelt? Es ist eigentlich ein normales, banales, vertrautes Klingeln! Wie das, was Glocken tun, wenn man sie anschlägt. Oder als würde man mit einer Stimmgabel auf den Tisch schlagen. Diese Art von Klingeln. Das Wort Klingeln hat im Zusammenhang mit der Elektronik keine besondere Bedeutung. Es klingelt förmlich. Wenn Sie eine Stimmgabel schlagen, die auf eine A-Note der vierten Oktave gestimmt ist, vibriert (klingelt) sie bei dieser Note, 440 Hz. Das liegt daran, dass 440 Hz die Resonanzfrequenz dieser Stimmgabel ist und wie ein mechanischer Oszillator mit hohem Q wirkt, der auch als Resonator bekannt ist. Interne Verluste führen die mechanische Energie in der Gabel langsam als Wärme ab, aber es kann viele Sekunden dauern.

Elektromagnetische Resonanz ist nicht anders. Es ist dasselbe in einem anderen Medium. Anstelle von kinetischer Energie, die in einer Stimmgabel hin und her schwappt, wird sie in elektrischen und magnetischen Feldern gespeichert und abgegeben.

Lassen Sie uns einen Moment innehalten und klären, was Kondensatoren und Induktivitäten sind. Sie sind Objekte, die darauf optimiert sind, Induktivität oder Kapazität zu besitzen, aber diese beiden Dinge sind Eigenschaften, die alle Dinge besitzen. Und das liegt daran, was diese Eigenschaften tatsächlich messen.

Induktivität bezieht sich auf die Energiemenge, die in einem Magnetfeld gespeichert wird, während Kapazität sich auf die Energiemenge bezieht, die in einem elektrischen Feld gespeichert wird. Zwischen zwei beliebigen Dingen mit unterschiedlichen Potentialen (oder zwischen ihnen liegt eine Spannung, wobei die Spannung die elektromotorische Kraft ist) liegt ein elektrostatisches Feld zwischen ihnen, und in diesem Feld ist Energie gespeichert. Ebenso wird jedes Mal, wenn Strom fließt (Strom ist die magnetomotorische Kraft), ein Magnetfeld erzeugt, und in diesem Feld wird auch Energie gespeichert.

Elektromagnetisches Klingeln ist gespeicherte Energie, die sich zwischen den beiden bewegt und abwechselnd in einem Magnetfeld und dann in einem elektrischen Feld gespeichert wird. Ein Kondensator, der Energie im Dielektrikum zwischen seinen beiden Platten gespeichert hat, wird, wenn ein Stromkreis zwischen den Platten geschlossen wird, die gespeicherte Energie seines elektrischen Feldes in Strom umwandeln und so hoch ansteigen, wie es erforderlich ist, um einen zu verursachen gleiche Energiemenge, die in der Induktivität des Strompfades zwischen den beiden Platten gespeichert werden soll. Dies setzt einen magischen supraleitenden Kondensator und Drähte ohne Widerstand voraus. Widerstände einfach ignorieren.

Jetzt wurde die gesamte Energie im elektrischen Feld in Energie in einem magnetischen Feld umgewandelt, aber das bedeutet, dass es keine EMF oder Spannung gibt, um den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Das gespeicherte Magnetfeld bewirkt über elektromagnetische Induktion, dass eine Spannung – EMF – erzeugt wird, wenn sich der Strom zu ändern beginnt und immer weniger anwächst. Dadurch wird die magnetisch gespeicherte Energie wieder in Potential umgewandelt, das dann in den Kondensator zurückfließt, um in seinem elektrischen Feld gespeichert zu werden, und jetzt sind wir wieder dort, wo wir begonnen haben. Im Fall unseres magischen supraleitenden Kondensators und Drahtes mit einer winzigen Induktivität wird diese Sequenz bei einer Resonanzfrequenz unbegrenzt fortgesetzt. Energie, die zwischen einem elektrischen Feld und einem magnetischen Feld hin und her schwappt. Es ist wie eine hin und her schwingende Stimmgabel.

Da Induktivität und Kapazität grundlegende Eigenschaften sind, können Sie immer dann klingeln, wenn sich erhebliche Energiemengen bewegen. Ich entwerfe High-End-DC/DC-Wandler, die auf die höchstmögliche Energiedichte ausgerichtet sind. Über 400 W/cm ³ . Und eine der größten Kopfschmerzen, mit denen ich zu tun habe, ist das Klingeln. Nicht von einer großen alten Transformatorwicklung und einer Diodenwiederherstellungskapazität. Von 900 Pikohenry Induktivität aus einem 1-mm-Abstand zwischen zwei 3x3-mm-QFN-MOSFETs, die mit einigen hundert Pikofarad Ausgangskapazität auf den MOSFETs in Resonanz treten. Dies ist oft die größte Einzelverlustquelle in der Schaltung. Das ist kein Scherz. Eine unsinnige Menge an Induktivität von einer winzigen kleinen Stromschleife und eine gewisse Kapazität. Es klingelt. Die Resonanzfrequenz ist, wie Sie sicher bereits wissen,

Die Wicklung einer Sekundärseite kann 10 oder 100 Millihenry oder mehr betragen, und die Gleichrichter können Dutzende von Picofarad Kapazität aufweisen, was dazu führen kann, dass ein Resonanztank im Bereich von Hunderten von kHz und Hunderten von MHz schwingt, was erhebliche EMI abstrahlt. Ein Dämpfer ist so abgestimmt, dass er diese Resonanzfrequenz bekämpft und sie als Wärme mit einem Widerstandselement abführt, während er für niedrigere Frequenzen viel zu hochohmig ist, um eine nennenswerte Menge an Leistung abzuleiten (was nur Energie ohne Grund verbrennen würde). Ein Snubber ist wirklich nur ein Widerstand und ein Reihenkondensator, die mit Masse kurzgeschlossen sind (oder über die Leitungen im Fall der Sekundärseite unseres Wechselstromtransformators). Der Kondensator ist klein genug, dass er bei 60 Hz sehr hochohmig ist, aber bei der Klingelfrequenz, die wir entfernen möchten, sehr niederohmig ist. Dies führt dazu, dass diese Hochfrequenz den Kondensator nur als Kurzschluss ansieht, und so wird nur der Widerstand des Widerstands für das Klingeln gesehen. Wir haben im Wesentlichen einen Widerstand in Reihe mit unserem magischen supraleitenden Beispiel von früher geschaltet, und anstatt dass sich der Zyklus bis zum Erbrechen wiederholt, wird diese gespeicherte Energie nur als Wärme durch den Widerstand abgeführt, anstatt in magnetischen oder elektrischen Feldern gespeichert zu werden. Der Dämpfer ist wie ein Kissen oder Dämpfer, den wir gegen unsere Stimmgabel drücken.

All das ist also eine eigene Sache, die vom Schaltgeräusch völlig getrennt ist. Außerdem muss ich anmerken, dass die Dioden dabei nichts Besonderes sind - es ist einfach so, dass die Dioden eine gewisse Kapazität haben, die mit der Sekundärseite des Transformators in Resonanz treten und bei dieser Frequenz EMI abstrahlen kann. Ein Kondensator über den Leitungen wird dies nicht dämpfen, aber die Frequenz so weit senken, dass es nicht mehr wirklich wichtig ist. Es gibt nicht viel, mit dem eine 10-kHz-Sinuswelle fertig wird. 90 MHz, und Sie sind direkt im UKW-Radioland. AM-Radio mit Hunderten von kHz. Du hast die Idee.

Es kann schwierig sein, das Klingeln auf einem Oszilloskop zu sehen, es wird der AC-Sinuswelle überlagert und hat vergleichsweise eine recht kleine Amplitude und mehrere Größenordnungen schneller als die Sinuswelle. Es ist normalerweise besser, einen Spektrumanalysator zu verwenden. Jedes Klingeln wird eine sehr scharfe, wahrnehmbare Spitze sein. Es ist auch einfacher, es an der Strahlung zu erkennen als am tatsächlichen Stromfluss, was wiederum darauf zurückzuführen ist, dass es dieser 60-Hz-Sinuswelle überlagert ist. Wenn es stark genug ist, können Sie mit SDRs (softwaredefinierte Radios, wie die RTL-SDR-kompatiblen USB-DVB-TV-Dongles für 20 US-Dollar) die Klingelfrequenzspitzen recht gut sehen. Wenn es in ihrem Frequenzbereich liegt.

Teil II - Schaltgeräusche

die Mundharmonika des Teufels

Die andere Art von Rauschen, die bestimmte Arten von Dioden (unter anderem) verursachen können, ist Schaltrauschen. Auch das liegt keineswegs an etwas Einzigartigem bei Dioden. Es ist universell. Ich werde nicht lügen, das wird hart. Es ist ein echtes mindf--k.

Eine Sinuswelle ist die einzige Welle. Alle Wellen, gleich welcher Art, sind Sinuswellen. Alle von ihnen. Ohne Ausnahme. Dinge, die wir Rechteckwellen, Sägezahnwellen usw. nennen, sind keine Wellen. Sie existieren nicht einzeln. Eine Rechteckwelle zum Beispiel ist eine Wellenform, die aus einer großen Anzahl von Sinuswellen besteht, die alle gleichzeitig oszillieren und addiert (überlagert) werden, und das Ergebnis sieht zufällig wie eine Rechteckwelle aus. Aber das ist rein oberflächlich. Alle Wellenformen sind eigentlich viele Sinuswellen, die zusammengefügt werden, und haben eine viel komplexere Natur, die darunter lauert. Tatsächlich besteht das einzige Mal, dass etwas nicht aus einem Haufen Sinuswellen besteht, wenn Sie einen einzigen, reinen Sinuswellenton haben. Eine reine Note. Alles andere ist ein Durcheinander.

Dies liegt daran, dass Sinuswellen die einzige Wellenform sind, die wirklich kontinuierlich ist. Das ist also der einzige Baustein, den es gibt. Dieselbe Rechteckwelle, die ich zuvor erwähnt habe, besteht tatsächlich aus einer Grundfrequenz, die die Frequenz der Rechteckwelle ist, plus Breitbandharmonische ungerader Ordnung. Eine Harmonische ist ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz. Harmonische ungerader Ordnung sind nur die ungeraden Vielfachen. Eine Rechteckwelle bei 100 kHz besteht eigentlich aus einer 100-kHz-Sinuswelle und einer 300-kHz-, 500-kHz-, 700-kHz-Welle ... so weiter bis in die Hunderte von MHz bis sogar GHz, je nachdem. Alles zusammen, mit abnehmender Amplitude, wenn die Frequenz ansteigt. Dies erreicht eine endliche Grenze proportional zur Anstiegszeit.

Eine echte Rechteckwelle - die eine unendliche Anstiegszeit hat - hätte unendliche Harmonische ungerader Ordnung. So etwas gibt es natürlich nicht, daher gibt es eine endliche Grenze für die Harmonischen, die dadurch bestimmt wird, wie hoch eine Frequenz für eine bestimmte Anstiegszeit benötigt wird.

Das Problem ist, dass sich diese Harmonischen nicht einfach perfekt zu einer Wellenform kombinieren. Das tun sie überhaupt nicht. Und Sie können die Auswirkungen leicht sehen. Jede Wellenform, die eine Art Diskontinuität aufweist, zeigt das sogenannte Gibb-Phänomenin der Nähe dieser Diskontinuitäten. An diesen Punkten wird sich die wahre harmonische Natur der Wellenform plötzlich materialisieren und ihr hässliches Haupt erheben, und breitbandiger harmonischer Inhalt wird buchstäblich aus einer Rechteckwelle sprühen, erschreckende Monstrositäten, die nur zu verschwinden scheinen, aber nicht ohne sich bemerkbar zu machen. Ein Schalter ist eine beabsichtigte Diskontinuität. Je schneller die dV/dt (Anstiegs-/Abfallzeit) eines Schalters ist, sei es eine Diode, ein MOSFET oder ein Relaiskontakt, desto schärfer ist die Diskontinuität und desto mehr Oberwellen bei höheren Amplituden werden durch die Schaltwellenform an den Ecken ausgespuckt. Deshalb sind Umschalter laut – weil sie es sind. Sie erzeugen riesige Mengen an Ultrabreitbandrauschen und es kann sich in fast alles einkoppeln. Sie haben Kapazität von überall nach überall und sie bewegt sich glücklich durch jede davon. Es wird über Reflexionen und Phasenverzögerung heruntergemischt, wodurch Schwebungsfrequenzen erzeugt werden, und es wird Kätzchen traurige Kätzchentränen weinen lassen. Digitales Schalten, wie in einem Mikrocontroller oder einer CPU, ist noch schlimmer, es hat Oberwellen bis in den Millimeterwellenbereich. Dieses GIF zeigt das Gibb-Phänomen gut, die Diskontinuität ist natürlich dort, wo die Anstiegszeit plötzlich beginnt und endet, oder die "Ecken" der Rechteckwelle.

Jedes Mal, wenn Sie umschalten, erhalten Sie also Hochfrequenzspitzen und Oberwellen, die proportional zur Geschwindigkeit sind, mit der Sie umschalten. Die einzige Möglichkeit, dies zu reduzieren, besteht darin, die Diskontinuität zu glätten (Verlangsamung der Änderung von dV / dt) oder sie einfach mit einem frequenzabhängigen Widerstand (einer Ferritperle) abzuleiten. Der Umgang mit diesem Rauschen ist weder einfach, noch ist das Rauschen selbst trivial oder ignorierbar. Es ist schwierig zu verhindern, dass es mit anderen Dingen gekoppelt wird, mit denen es nicht gekoppelt werden soll, da es durch jede gemeinsame Impedanz koppeln kann.Aber ich schweife ab. Es gibt ein ganzes Buch, das NUR dem Umgang mit Schaltgeräuschen gewidmet ist. Sie werden es leicht an einem Schaltwandler sehen, schauen Sie sich einfach den Schaltknoten auf Ihrem Oszilloskop an. Sie können es nicht verfehlen. Und es ist nicht schön. Die Gleichrichterdioden, die für 60 Hz verwendet werden, sind jedoch kaum der Rede wert. Jegliches Rauschen von Oberwellen ist vernachlässigbar, weshalb Sie nichts sehen können. Es ist nichts zu sehen, außer vielleicht ein kleines Klingeln, das der 60-Hz-Wellenform bei viel höheren Frequenzen überlagert wird.

Wenn Art of Electronics die Bibel für Elektronik ist, dann ist es nur das Alte Testament. Hier ist das Neue Testament, die andere Hälfte der EE-Bibel.

Die Idee, dass Niederfrequenz-Wechselstrom, 50/60 Hz, bei höheren Frequenzen möglicherweise keine EMI erzeugen kann, ist interessant, aber fehlerhaft. Ich bin ein SWL-Interessant an "Nutz"-Stationen, die fast immer sehr schwach sind und kaum über dem Umgebungs-HF-Grundrauschen liegen. Ich kann aus persönlicher, realer Erfahrung sagen, dass Siliziumdioden beim Ausschalten erhebliche EMI erzeugen. In dem Moment, in dem sich die Leistung umkehrt, befinden sich immer noch Elektronen im PN-Übergang, und diese Elektronen erzeugen einen kleinen Burst sehr breitbandiger HF. Ein Keramikscheibenkondensator von 0,01 uF reicht aus, um diese EMI zu unterdrücken.

Ich habe die Quelle einiger EMI in einem linearen 20-A-Netzteil, das bei 60 Hz betrieben wird, eingegrenzt, indem ich einen kleinen Ferritkern verwendet habe, in den ich eine Kerbe geschnitten habe. Ich kann Rauschquellen oder ihren Weg mit wenigen Millimetern lokalisieren.

http://www.smpstech.com/mtblog/diode_recovery_emi.html

https://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/14617-rectifier-reverse-switching-performance

https://ac-dc.power.com/design-support/circuit-ideas/careful-rectifier-diode-choice-simplified-and-reduces-cost-emi/

Wie der erste Artikel zeigt, sind "moderne" Siliziumgeräte viel schlechter als "alte". Tut mir leid, dass ich meinen richtigen Namen verwendet habe, nennen Sie mich einfach Null User. Es ist ein Spiel mit meinem Namen, den ich während eines Computerkurses in der 3.