Пассивные фильтры могут быть необычно насыщенными

Обычно ВЧ-фильтры изготавливаются с использованием индукторов с сердечниками. Таким образом, среднее/высокое значение индуктивности достигается в компонентах небольшого размера. Но использование сердечников имеет ограничение: сердечник может насыщаться постоянным током или током низкой частоты. Причем, иногда не только токи могут насытить сердечники.

Я объясню ситуацию, с которой я столкнулся несколько лет назад при устранении неполадок аудиоустройства с проблемами электромагнитных помех: два динамика, которые необходимо установить на потолке, обычно используются дома, в гостиницах, офисах и т. д. (рис. 1).

Аудиопродукт состоял из двух динамиков и одного электронного блока, содержащего усилитель мощности класса D мощностью 20 Вт.

Проект разрабатывался в лаборатории, но при установке в окончательном месте (потолке) на выходе было много шума. Тайна?

Пытаясь понять причину сбоя, я обнаружил небольшую разницу в 2 дюйма: при окончательной установке электронный блок был установлен поверх одной из колонок, а в лаборатории электронный блок находился на столе, вдали из верхней части динамика (рис. 2).

Чтобы объяснить причину такой разницы, я построил прототип.

Во-первых, вам нужно знать, что усилители класса D являются переключающими усилителями, а переключающие усилители — генераторами шума и электромагнитных помех. Обычно они являются источником излучаемых электромагнитных помех в диапазонах HF/VHF, особенно если от усилителя к динамику используются длинные кабели.

Сигналы электромагнитных помех обычно уменьшаются с помощью какого-либо фильтра нижних частот, работающего в общем и дифференциальном режимах.

В нашем продукте использовался монофонический усилитель мощности Texas Instruments TPA3001 класса D. Усилитель был включен в небольшую печатную плату, обозначенную как печатная плата №1 на рисунке 3.

Фильтр нижних частот был построен на основе C1-L1-C2, C3-L2-C4 и C5. Кроме того, были включены две ферритовые бусины Fair-rite 2512067007Y3 (0,05 Ом DCR, 70 Ом при 100 МГц, 3 А), чтобы обеспечить соответствие требованиям FCC/CE на частотах выше 30 МГц.

L1 и L2 представляли собой две катушки индуктивности 47uH TOKO 822LY-470K (0,17 Ом DCR, SRF 6,5 МГц, 1,4 А).

Как показано на рисунке 3, часть фильтра нижних частот была включена во вторую плату (плата № 2 на рисунке 3).

И вот в чем тонкое отличие: при окончательной установке дроссели L1 и L2 размещаются рядом с динамиком, где присутствует сильное магнитное поле. См. рисунок 4 (слева), чтобы понять, как индукторы получают линии магнитного поля от динамика. На рисунке 4 (справа) электронный блок находится сверху стола и силовые линии магнитного поля не доходят до индукторов.

Индуктивность катушек измерялась с возбуждением магнитного поля и без него. Индуктивность изменилась с 47 мкГн (номинальное значение без внешнего магнитного поля постоянного тока) до 7 мкГн, когда динамик находился сверху. Это аналогичная ситуация насыщения, поскольку через дроссель проходит постоянный или низкочастотный ток.

Отклик фильтра был измерен, результаты представлены на рисунке 5. Отношение Vout/Vin измерялось с динамиком наверху индукторов и без него. Примерно на 12 дБ выше отклик фильтра в диапазоне 250 кГц-10 МГц для насыщенного случая (обратите внимание на опасную реакцию недостаточного демпфирования фильтра).

Наконец, синфазный ток в кабеле динамика был измерен в диапазоне 1–50 МГц, когда на вход усилителя подавался сигнал частотой 1 кГц (рис. 6). Обратите внимание на разницу в ВЧ-диапазоне спектра.

Мой последний совет: при разработке фильтров электромагнитных помех с индукторами особое внимание необходимо уделять насыщению сердечника не только постоянными или низкочастотными токами, но и внешними магнитными полями от динамиков, трансформаторов и других неожиданных источников. Распространенными решениями являются тороидальные сердечники или отделение от этих источников.

Артуро Медиано получил степень магистра наук. (1990 г.) и степень доктора философии (1997 г.) в области электротехники в Университете Сарагосы (Испания), где с 1992 г. он занимал преподавательскую должность в EMI/EMC/RF/SI. С 1990 г. он занимался исследованиями и разработками. проекты в области EMI/EMC/SI/RF для коммуникаций, промышленности и научных/медицинских приложений с солидным опытом обучения, консультирования и устранения неполадок для компаний в Испании, США, Швейцарии, Франции, Великобритании, Италии, Бельгии, Германии, Канаде, Нидерланды, Португалия и Сингапур. Он является основателем The HF-Magic Lab®, специализированной лаборатории по проектированию, диагностике, поиску и устранению неисправностей и обучению в области электромагнитных помех/ЭМС/СИ и радиочастот в I3A (Университет Сарагосы), а с 2011 года он является инструктором по Besser Associates (Калифорния, США) предлагает публичные и выездные курсы по предметам EMI/EMC/SI/RF в США, особенно в Силиконовой долине/районе залива Сан-Франциско. Он является старшим членом IEEE, активным членом с 1999 г. (председатель 2013–2016 гг.) Технического комитета MTT-17 (HF/VHF/UHF) Общества теории и техники микроволнового излучения и членом Общества электромагнитной совместимости. С Артуро можно связаться по адресу [email protected]. Веб-сайт: www.cartoontronics.com.