Как я могу наблюдать шум переключения выпрямителя?

Вы соединяете две совершенно разные вещи в одну. Происходят два совершенно разных явления, одно из которых — шум переключения, а другое — звон. Они не имеют никакого отношения друг к другу и вызваны совершенно разными причинами. Возникающий в результате шум также сильно отличается.

Во-первых, давайте поговорим о том, что вы подключили, демпфере на трансформаторе. Это никак не повлияет на шум переключения и не предназначено для этого. Снабберы делают одно - убирают звон. Они разработаны с расчетом на одну конкретную частоту, и не более того. Это потому, что звон по своей природе будет иметь одну конкретную частоту.

Часть I: Позвони в мой звонок

с гостевыми выступлениями по индуктивности и емкости

Что звенит? Это на самом деле нормальный, обыденный, знакомый звон! Как колокола, когда по ним стучат. Или как ударить камертоном по столу. Такой звон. В контексте электроники слово «звон» не имеет особого значения. Буквально звенит. Если вы ударите по камертону, настроенному на ноту ля четвертой октавы, он будет вибрировать (звенеть) на этой ноте с частотой 440 Гц. Это потому, что 440 Гц — это резонансная частота камертона, и он действует как высокодобротный механический осциллятор, также известный как резонатор. Внутренние потери медленно рассеивают механическую энергию вилки в виде тепла, но это может занять много секунд.

Электромагнитный резонанс ничем не отличается. То же самое на другом носителе. Вместо того, чтобы кинетическая энергия плескалась туда-сюда в камертоне, она накапливалась и высвобождалась в электрическом и магнитном полях.

Давайте на мгновение остановимся и проясним, что такое конденсаторы и катушки индуктивности. Это объекты, оптимизированные для обладания индуктивностью или емкостью, но эти две вещи являются свойствами, которыми обладают все вещи . И это из-за того, что эти свойства на самом деле измеряют.

Индуктивность относится к количеству энергии, которое будет храниться в магнитном поле, а емкость относится к количеству энергии, которое будет храниться в электрическом поле. Между любыми двумя вещами с разными потенциалами (или между ними существует напряжение, напряжение — это электродвижущая сила) между ними будет находиться электростатическое поле, и в этом поле хранится энергия. Точно так же каждый раз, когда течет ток (ток — это магнитодвижущая сила), это создаст магнитное поле, и в этом поле также будет храниться энергия.

Электромагнитный звон представляет собой накопленную энергию, движущуюся между ними, попеременно хранящуюся в магнитном поле, затем в электрическом поле. Конденсатор, энергия которого хранится в диэлектрике между двумя его пластинами, при замыкании цепи между пластинами будет преобразовывать накопленную энергию его электрического поля в ток, и он поднимется настолько высоко, насколько это необходимо, чтобы вызвать одинаковое количество энергии должно быть запасено в индуктивности пути тока между двумя пластинами. Это предполагает волшебный сверхпроводящий конденсатор и провода без сопротивления. Просто пока игнорируйте сопротивление.

Теперь вся энергия электрического поля была преобразована в энергию магнитного поля, но это означает, что нет ЭДС или напряжения, поддерживающего течение тока. Накопленное магнитное поле посредством электромагнитной индукции вызовет генерацию напряжения (ЭДС) по мере того, как ток начнет изменяться, увеличиваясь все меньше и меньше. Это преобразует энергию, хранящуюся в магнитном поле, обратно в потенциал, который затем течет обратно в конденсатор, чтобы храниться в его электрическом поле, и теперь мы вернулись к тому, с чего начали. В случае нашего волшебного сверхпроводящего конденсатора и провода с небольшой индуктивностью эта последовательность будет продолжаться бесконечно на резонансной частоте. Энергия кипит туда-сюда между электрическим полем и магнитным полем. Это похоже на вибрацию камертона взад-вперед.

Поскольку индуктивность и емкость являются фундаментальными свойствами, каждый раз, когда вокруг перемещается значительное количество энергии, вы можете получить звон. Я разрабатываю высококачественные преобразователи постоянного тока в постоянный, которые ориентированы на максимально возможную плотность энергии. Более 400 Вт/см ³ . И одна из самых больших головных болей, с которыми я сталкиваюсь, это звонки. Не из большой обмотки старого трансформатора, а с восстановительной емкости диода. От 900 пикогенри индуктивности из-за зазора в 1 мм между двумя QFN MOSFET размером 3x3 мм, резонирующего с выходной емкостью в несколько сотен пикофарад на MOSFET. Часто это самый большой источник потерь в цепи. Я не шучу. Какое-то абсурдное количество индуктивности из-за крошечной токовой петли и какой-то жуткой емкости. Бывает звон. Резонансная частота, как я уверен, вы уже знаете,

Обмотка вторичной обмотки может иметь 10 или 100 миллигенри или более, а выпрямители могут иметь емкость в десятки пикофарад, что может привести к колебаниям резонансного резервуара в сотни кГц и сотни МГц, которые будут излучать значительные электромагнитные помехи. Демпфер настроен на борьбу с этой резонансной частотой и рассеивание ее в виде тепла с помощью резистивного элемента, но при этом имеет слишком высокий импеданс для низких частот, чтобы рассеять сколько-нибудь заметное количество энергии (что просто сожжет энергию без всякой причины). Снаббер на самом деле представляет собой просто резистор и последовательный конденсатор, закороченные на землю (или между линиями, в случае вторичной обмотки трансформатора переменного тока). Конденсатор достаточно мал, чтобы иметь очень высокий импеданс на частоте 60 Гц, но очень низкий импеданс на частоте вызывного сигнала, которую мы хотим убрать. Это заставляет эту высокую частоту воспринимать конденсатор как короткое замыкание, и поэтому только сопротивление резистора воспринимается как звон. По сути, мы включили резистор последовательно с нашим волшебным примером сверхпроводника из предыдущего, и вместо того, чтобы цикл повторялся до тошноты, эта накопленная энергия просто отводится резистором в виде тепла, а не накапливается в магнитных или электрических полях. Снаббер похож на подушку или глушитель, который мы прижимаем к нашему камертону.

Итак, все это само по себе, совершенно независимо от шума переключения. Кроме того, я должен отметить, что в диодах нет ничего особенного - просто диоды имеют некоторую емкость, которая может резонировать с вторичной обмоткой трансформатора и излучать электромагнитные помехи на этой частоте. Конденсатор между линиями не будет препятствовать этому, но он снизит частоту настолько, что это больше не будет иметь большого значения. Синусоидальная волна 10 кГц мало что может испортить. Однако 90 МГц, и вы прямо в мире FM-радио. AM-радио на сотни кГц. Вы поняли идею.

На осциллографе может быть трудно увидеть звон, он будет накладываться на синусоиду переменного тока, иметь сравнительно небольшую амплитуду и на несколько порядков быстрее, чем синусоида. Обычно лучше использовать анализатор спектра. Любой звон будет очень резким, заметным всплеском. Его также легче обнаружить по излучению, чем по фактическому протеканию тока, опять же из-за наложения на синусоиду 60 Гц. Если он достаточно силен, SDR (программно-определяемые радиостанции, такие как USB-ключи DVB-TV, совместимые с RTL-SDR за 20 долларов) позволят вам довольно хорошо увидеть всплески частоты звонка. Если это в их частотном диапазоне.

Часть II. Шум переключения

дьявольская губная гармошка

Другой тип шума, который могут вызывать некоторые типы диодов (среди прочего), — это шум переключения. Это тоже никоим образом не связано с чем-то уникальным с диодами. Это универсально. Не буду врать, это будет тяжело. Это настоящий разум.

Синусоида - единственная волна. Все волны любого вида являются синусоидами. Все они. Без исключений. Вещи, которые мы называем прямоугольными, пилообразными и т. д. волнами, не являются волнами. Они не существуют поодиночке. Прямоугольная волна, например, представляет собой форму волны, состоящую из большого количества синусоид, все они колеблются одновременно и складываются (накладываются друг на друга), и результат выглядит как прямоугольная волна. Но это чисто поверхностно. Все формы сигналов на самом деле представляют собой множество синусоид, сложенных вместе, и имеют гораздо более сложную природу, скрывающуюся под ними. На самом деле единственный случай, когда что-то не состоит из набора синусоидальных волн, — это когда у вас есть один чистый тон синусоидальной волны. Чистая нота. Все остальное - бардак.

Это связано с тем, что синусоидальные волны являются единственной формой волны, которая действительно непрерывна. Так что это единственный строительный блок. Та же прямоугольная волна, о которой я упоминал ранее, на самом деле состоит из основной частоты, которая является частотой прямоугольной волны, плюс широкополосные гармоники нечетного порядка. Гармоника – это целое число, кратное основной частоте. Гармоники нечетного порядка - это просто нечетные кратные. Прямоугольная волна на частоте 100 кГц на самом деле состоит из синусоидальной волны на 100 кГц, а на 300 кГц — на 500 кГц, 700 кГц... так далее, от сотен МГц до даже ГГц, в зависимости. Все вместе, с уменьшением амплитуды по мере увеличения частоты. Это достигнет конечного предела, пропорционального времени нарастания.

Настоящая прямоугольная волна, имеющая бесконечное время нарастания, будет иметь бесконечные гармоники нечетного порядка. Конечно, такой вещи не существует, поэтому существует конечный предел гармоник, определяемый тем, насколько высока частота, необходимая для данного времени нарастания.

Проблема в том, что эти гармоники не просто идеально сочетаются, образуя форму волны. Совсем нет. И вы можете легко увидеть эффекты. Любая форма волны, которая имеет некоторый разрыв, будет демонстрировать то, что называется феноменом Гибба.вблизи этих разрывов. В эти моменты истинная гармоническая природа формы волны внезапно материализуется и поднимает свою уродливую голову, а широкополосное гармоническое содержимое буквально выплескивается из прямоугольной волны, ужасающие чудовища, которые, кажется, только исчезают, но не без того, чтобы давать о себе знать. Переключатель — это преднамеренный разрыв. Чем быстрее dV/dt (время нарастания/спада) переключателя, будь то диод, полевой МОП-транзистор или релейный контакт, тем резче разрыв и тем больше гармоник с более высокими амплитудами будет вытесняться формой импульса переключения на углах. Вот почему коммутаторы шумят — потому что они есть. Они производят огромное количество сверхширокополосного шума, и он может сочетаться практически с чем угодно. У вас есть емкость отовсюду до везде, и она с радостью пройдет через любую из них. Он будет микшировать с помощью отражений и фазовой задержки, создавая частоты биений, и это заставит котят плакать грустными слезами котенка. Цифровая коммутация, как в микроконтроллере или процессоре, еще хуже, она будет иметь гармоники вплоть до миллиметрового диапазона. Этот gif хорошо демонстрирует феномен Гибба, разрыв отклоняется от курса, когда время нарастания внезапно возникает и заканчивается, или «углы» прямоугольной волны.

Таким образом, каждый раз, когда вы переключаетесь, вы получаете высокочастотные всплески и гармоники, пропорциональные скорости, с которой вы переключаетесь. Единственный способ уменьшить его — сгладить разрыв (замедлить изменение dV/dt) или просто рассеять его с помощью частотно-зависимого резистора (ферритовой шайбы). Бороться с этим шумом непросто, да и сам шум нельзя игнорировать. Предотвратить его связь с другими вещами, с которыми вы не хотите, чтобы он был связан, сложно, поскольку он может подключаться через любой общий импеданс.Но я отвлекся. Существует целая книга, посвященная ТОЛЬКО тому, что, в конечном счете, является коммутационным шумом. Вы легко увидите это на переключающем преобразователе, просто посмотрите на узел переключения на вашем осциллографе. Вы не можете пропустить это. И это некрасиво. Однако выпрямительные диоды, используемые для 60 Гц ... вряд ли стоит называть переключением. Какой бы шум от гармоник ни был, будет пренебрежимо мало, поэтому ничего не видно. Ничего не видно, за исключением, возможно, небольшого количества звона, наложенного на форму волны 60 Гц на гораздо более высоких частотах.

Если «Искусство электроники» — это библия для электроники, то это всего лишь ветхий завет. Вот Новый Завет, вторая половина Библии ЕЕ.

Идея о том, что низкочастотный переменный ток, 50/60 Гц, не может создавать никаких электромагнитных помех на более высоких частотах, интересна, но ошибочна. Я - SWL, интересующийся "служебными" станциями, которые почти всегда очень слабы и едва превышают минимальный уровень окружающего радиочастотного шума. Я могу сказать из личного, реального опыта, что кремниевые диоды создают значительные электромагнитные помехи, когда они выключаются. В момент изменения направления питания в PN-переходе все еще есть электроны, и эти электроны производят небольшой всплеск очень широкополосного радиочастотного сигнала. Для подавления этих электромагнитных помех достаточно керамического дискового конденсатора емкостью 0,01 мкФ.

Я сузил источник некоторых электромагнитных помех в линейном источнике питания на 20 А, работающем на частоте 60 Гц, с помощью небольшого ферритового сердечника, в котором я вырезал вырез. Я могу точно определить источники шума или их пути с помощью нескольких миллиметров.

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-simplifiers-and-reduces-cost-emi/

Как указано в первой статье, «современные» кремниевые устройства в этом намного хуже, чем «древние». Извините за использование моего настоящего имени, просто называйте меня Нулевым пользователем. Это игра с моим именем, которое я получил во время компьютерного класса в 3-м классе за то, что я «такой умный @$$».