¿Cómo puedo observar el ruido de conmutación del rectificador?

Estás convirtiendo dos cosas completamente diferentes en una sola. Están ocurriendo dos fenómenos completamente separados, uno de los cuales es el ruido de conmutación, el otro es el timbre. No tienen relación entre sí y son causados ​​por cosas muy diferentes. El ruido que resulta también es muy diferente.

Primero, hablemos de lo que vinculaste, el amortiguador del transformador. Esto no afectará el ruido de conmutación en absoluto, y no está destinado a hacerlo. Los amortiguadores hacen una cosa: eliminar el timbre. Están diseñados con una sola frecuencia específica en mente, y nada más. Esto se debe a que, por naturaleza, el timbre será una frecuencia específica.

Parte I: Toca mi campana

con apariciones especiales por inductancia y capacitancia

¿Qué es sonar? ¡En realidad es un timbre normal, mundano y familiar! Como lo que hacen las campanas cuando las golpeas. O como golpear un diapasón contra la mesa. Ese tipo de timbre. No hay un significado especial para la palabra timbre en el contexto de la electrónica. Literalmente está sonando. Si golpea un diapasón sintonizado en una nota A de cuarta octava, vibrará (sonará) en esa nota, 440 Hz. Esto se debe a que 440 Hz es la frecuencia de resonancia de ese diapasón, y actúa como un oscilador mecánico de alta q, también conocido como resonador. Las pérdidas internas disipan lentamente la energía mecánica en la horquilla en forma de calor, pero pueden tardar varios segundos.

La resonancia electromagnética no es diferente. Es lo mismo en un medio diferente. En lugar de energía cinética moviéndose de un lado a otro en un diapasón, es energía almacenada y liberada en campos eléctricos y magnéticos.

Hagamos una pausa por un momento y aclaremos qué son los capacitores y los inductores. Son objetos optimizados para poseer inductancia o capacitancia, pero esas dos cosas son propiedades que poseen todas las cosas . Y eso se debe a lo que realmente miden esas propiedades.

La inductancia se refiere a la cantidad de energía que se almacenará en un campo magnético, mientras que la capacitancia se refiere a la cantidad de energía que se almacenará en un campo eléctrico. Cualquier dos cosas a diferentes potenciales (o hay un voltaje entre ellos, siendo el voltaje la fuerza electromotriz) tendrán un campo electrostático entre ellos, y hay energía almacenada en ese campo. Del mismo modo, siempre que fluya corriente (la corriente es la fuerza magnetomotriz), se creará un campo magnético y también habrá energía almacenada en ese campo.

El timbre electromagnético es energía almacenada que se mueve entre los dos, que se almacena alternativamente en un campo magnético y luego en un campo eléctrico. Un capacitor que tiene energía almacenada en el dieléctrico entre sus dos placas, cuando se cierra un circuito entre las placas, este va a convertir la energía almacenada de su campo eléctrico en corriente, y subirá tan alto como sea necesario para provocar un la misma cantidad de energía que se almacenará en la inductancia de la ruta de corriente entre las dos placas. Esto supone un condensador y cables superconductores mágicos, sin resistencia. Solo ignora la resistencia por ahora.

Ahora, toda la energía en el campo eléctrico se ha convertido en energía en un campo magnético, pero eso significa que no hay EMF o voltaje para mantener el flujo de corriente. El campo magnético almacenado, a través de la inducción electromagnética, hará que se genere voltaje (EMF) a medida que la corriente comience a cambiar, creciendo cada vez menos. Esto convierte la energía almacenada magnéticamente nuevamente en potencial, que luego fluye de regreso al capacitor para almacenarse en su campo eléctrico, y ahora estamos de regreso donde comenzamos. En el caso de nuestro capacitor superconductor mágico y alambre con una pequeña cantidad de inductancia, esta secuencia continuará indefinidamente, a una frecuencia resonante. Energía moviéndose de un lado a otro entre un campo eléctrico y un campo magnético. Es como un diapasón que vibra de un lado a otro.

Dado que la inductancia y la capacitancia son propiedades fundamentales, cada vez que hay cantidades significativas de energía moviéndose, puede sonar. Diseño convertidores CC/CC de gama alta que están orientados a la mayor densidad de energía posible. Más de 400 W/cm ³ . Y uno de los mayores dolores de cabeza con los que trato es el timbre. No de un gran devanado de transformador viejo y capacitancia de recuperación de diodo. Desde 900 picohenrios de inductancia desde un espacio de 1 mm entre dos MOSFET QFN de 3x3 mm que resuenan con unos pocos cientos de picofaradios de capacitancia de salida en los MOSFET. Esta es a menudo la mayor fuente de pérdidas en el circuito. No es broma. Una cantidad sin sentido de inductancia de un pequeño bucle de corriente y una capacitancia insignificante. Sucede el timbre. La frecuencia de resonancia es como estoy seguro que ya sabes,

El devanado de un secundario puede ser decenas o centenas de milihenrios o más, y los rectificadores pueden tener decenas de picofaradios de capacitancia, lo que podría resultar en un tanque resonante que oscila en cientos de khz, cientos de MHz, lo que irradiará una EMI sustancial. Se sintoniza un amortiguador para combatir esta frecuencia resonante y disiparla como calor con un elemento resistivo, mientras que tiene una impedancia demasiado alta para frecuencias más bajas para disipar cualquier cantidad apreciable de energía (lo que simplemente quemaría energía sin razón). Un amortiguador es realmente solo una resistencia y un capacitor en serie en cortocircuito a tierra (o a través de las líneas, en el caso de nuestro transformador de CA secundario). El condensador es lo suficientemente pequeño como para tener una impedancia muy alta a 60 Hz, pero una impedancia muy baja a la frecuencia de llamada que queremos eliminar. Esto hace que esta alta frecuencia vea el condensador como un corto, y por lo tanto, solo se ve la resistencia de la resistencia al timbre. Básicamente, hemos puesto una resistencia en serie con nuestro ejemplo superconductor mágico de antes, y en lugar de que el ciclo se repita hasta la saciedad, esa energía almacenada simplemente se desvanece como calor por la resistencia en lugar de almacenarse en campos magnéticos o eléctricos. El amortiguador es como una almohada o silenciador que presionamos contra nuestro diapasón.

Entonces, todo eso es algo propio completamente separado del ruido de conmutación. Además, debo señalar que no hay nada especial en los diodos en nada de eso: es simplemente que los diodos tienen cierta capacitancia que puede resonar con el transformador secundario e irradiar EMI a esa frecuencia. Un condensador a través de las líneas no desaireará esto, pero reducirá la frecuencia lo suficiente como para que ya no importe. No hay mucho con lo que una onda sinusoidal de 10kHz interfiera. Sin embargo, 90 MHz y estás en el terreno de la radio FM. Radio AM a cientos de kHz. Entiendes la idea.

Puede ser difícil ver el timbre en un osciloscopio, se superpondrá a la onda sinusoidal de CA y será bastante pequeño en amplitud comparativamente, y varios órdenes de magnitud más rápido que la onda sinusoidal. Por lo general, es mejor usar un analizador de espectro. Cualquier timbre será un pico muy agudo y perceptible. También es más fácil detectarlo a partir de la radiación que el flujo de corriente real, nuevamente debido a que se superpone a esa onda sinusoidal de 60 Hz. Si es lo suficientemente potente, los SDR (radios definidos por software, como los dongles USB DVB-TV compatibles con RTL-SDR de $20) le permitirán ver los picos de frecuencia de llamada bastante bien. Si está en su rango de frecuencia.

Parte II - Ruido de conmutación

la armónica del diablo

El otro tipo de ruido que ciertos tipos de diodos (entre otras cosas) pueden causar es el ruido de conmutación. Esto tampoco se debe de ninguna manera a algo único con los diodos. es universal No voy a mentir, esto va a ser difícil. Es un verdadero mindf -- k.

Una onda sinusoidal es la única onda. Todas las ondas, de cualquier tipo, son ondas sinusoidales. Todos ellos. Sin excepción. Las cosas que llamamos ondas cuadradas, ondas de diente de sierra, etc., no son ondas. No existen singularmente. Una onda cuadrada, por ejemplo, es una forma de onda, hecha de una gran cantidad de ondas sinusoidales, todas oscilando simultáneamente y sumadas (superpuestas), y el resultado parece una onda cuadrada. Pero eso es puramente superficial. Todas las formas de onda son en realidad muchas ondas sinusoidales sumadas, y tienen una naturaleza mucho más compleja al acecho debajo. De hecho, la única vez que algo no está hecho de un montón de ondas sinusoidales es cuando tiene un solo tono de onda sinusoidal pura. Una nota pura. Todo lo demás es un desastre.

Esto se debe a que las ondas sinusoidales son la única forma de onda que es realmente continua. Así que este es el único bloque de construcción que hay. La misma onda cuadrada que mencioné anteriormente en realidad está hecha de una frecuencia fundamental, que es la frecuencia de la onda cuadrada, más armónicos de orden impar de banda ancha. Un armónico es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Los armónicos de orden impar son simplemente los múltiplos impares. Una onda cuadrada a 100kHz en realidad se compone de una onda sinusoidal de 100kHz y una de 300kHz, 500kHz, 700kHz... así sucesivamente hasta cientos de MHz e incluso GHz, dependiendo. Todos sumados, con amplitud decreciente a medida que aumenta la frecuencia. Esto alcanzará un límite finito proporcional al tiempo de subida.

Una onda cuadrada verdadera, que tiene un tiempo de subida infinito, tendría infinitos armónicos de orden impar. Por supuesto, no existe tal cosa, por lo que existe un límite finito para los armónicos, determinado por la frecuencia necesaria para un tiempo de subida determinado.

El problema es que estos armónicos no se combinan perfectamente para crear una forma de onda. No lo hacen en absoluto. Y puedes ver los efectos fácilmente. Cualquier forma de onda que tenga algún tipo de discontinuidad exhibirá lo que se llama el fenómeno de Gibb.cerca de esas discontinuidades. En estos puntos, la verdadera naturaleza armónica de la forma de onda se materializará repentinamente y asomará su fea cabeza, y el contenido armónico de banda ancha literalmente brotará de una onda cuadrada, monstruosidades aterradoras que parecen desaparecer, pero no sin darse a conocer. Un cambio es una discontinuidad intencional. Cuanto más rápido sea el dV/dt (tiempo de subida/bajada) de un interruptor, ya sea un diodo, un MOSFET o un contacto de relé, más aguda será la discontinuidad y más armónicos en amplitudes más altas serán expulsados ​​por la forma de onda de conmutación en las esquinas. Esta es la razón por la que los conmutadores son ruidosos, porque lo son. Producen enormes cantidades de ruido de banda ultraancha y pueden acoplarse a casi cualquier cosa. Tiene capacitancia de todas partes a todas partes y felizmente se moverá a través de cualquiera de ellas. Se mezclará a través de reflejos y retrasos de fase produciendo frecuencias de latido, y hará que los gatitos lloren tristes lágrimas de gatito. La conmutación digital, como en un microcontrolador o CPU, es aún peor, tendrá armónicos hasta el rango de onda milimétrica. Este gif demuestra bien el fenómeno de Gibb, la discontinuidad está fuera de curso donde el tiempo de subida comienza y termina repentinamente, o las 'esquinas' de la onda cuadrada.

Por lo tanto, cada vez que cambie, obtendrá picos y armónicos de alta frecuencia, proporcionales a la velocidad a la que cambia. La única forma de reducirlo es suavizando la discontinuidad (frenando el cambio de dV/dt) o simplemente disipándolo usando una resistencia dependiente de la frecuencia (una perla de ferrita). Lidiar con ese ruido no es fácil, ni el ruido en sí mismo es trivial o ignorable. Es difícil evitar que se acople a otras cosas con las que no desea que se acople, ya que puede acoplarse a través de cualquier impedancia compartida.Pero yo divago. Hay un libro completo dedicado SÓLO a tratar lo que es, en última instancia, el ruido de conmutación. Lo verá fácilmente en un convertidor de conmutación, solo mire el nodo de conmutación en su osciloscopio. No te lo puedes perder. Y no es bonito. Sin embargo, los diodos rectificadores utilizados para 60 Hz... apenas vale la pena llamarlos conmutadores. Cualquier ruido de los armónicos será insignificante, por lo que no puedes ver nada. No hay nada que ver, excepto tal vez una pequeña cantidad de timbre superpuesto en la forma de onda de 60 Hz a frecuencias mucho más altas.

Si Art of Electronics es la biblia de la electrónica, es solo el viejo testamento. Aquí está el nuevo testamento, la otra mitad de la biblia EE.

La idea de que la CA de baja frecuencia, 50/60 Hz, no puede producir ningún EMI a frecuencias más altas es interesante, pero defectuosa. Soy un SWL interesante en las estaciones de "utilidad", que casi siempre son muy débiles y apenas superan el piso de ruido de RF ambiental. Puedo decir por experiencia personal, del mundo real, que los diodos de silicio producen una EMI significativa cuando se apagan. Todavía hay electrones en la unión PN en el instante en que la potencia se invierte y estos electrones producen una pequeña ráfaga de RF de banda ancha. Un condensador de disco cerámico de 0,01 uF es suficiente para suprimir esta EMI.

Reduje la fuente de algunos EMI en una fuente de alimentación lineal de 20 A que funcionaba a 60 Hz mediante el uso de un pequeño núcleo de ferrita en el que corté una muesca. Puedo identificar las fuentes de ruido, o su ruta, con unos pocos mm.

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-simplifies-and-reduces-cost-emi/

Como señala el primer artículo, los dispositivos de silicio "modernos" son mucho peores que los "antiguos". Perdón por usar mi nombre real, solo llámame Usuario nulo. Es un juego con mi nombre que recibí durante una clase de computación en el 3er grado por ser "tan inteligente @$$".