Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani
Avtor: Izr. prof. dr. Marko Jankovec
Prejšnji prispevek smo zaključili z osnovnimi pravili pri izbiri komponent filtra za filtriranje prevodnih motenj, ki bi jih lahko strnili v eno poved: »Mesto in tip komponente filtra izbiramo po načelu doseganja čim večjega impedančnega neujemanja.«
Pri tem imamo dano impedanco vira motnje na eni strani in impedanco žrtve na drugi. Za lažjo predstavo smo privzeli da sta obe impedanci realni in v praksi pokazali, da je njun vpliv na vstavitveno dušenje filtra treba upoštevati. A stvari so v praksi kompleksnejše, da bi jih lahko rešili zgolj z uporabo enega zlatega pravila. Poglejmo si tri tipične primere, ki jih v vezjih pogosto srečujemo.
Prvi primer je kapacitivno sklapljanje motnje, kjer impedanco generatorja predstavlja kapacitivnost. V praksi tak primer srečamo npr. pri izoliranih stikalnih pretvornikih, kjer se motnja iz stikalnega tranzistorja na primarni strani transformatorja širi na sekundarno stran prek parazitne kapacitivnosti med navitjema. Kako naj ocenimo impedanco vira motnje? Ker so parazitne kapacitivnosti običajno nizke vrednosti (merijo s v pF) je v frekvenčnem področju med 150 kHz do 30 MHz, kjer se prevodne motnje v običajni elektroniki merijo, impedanca vira vedno visoka. Zato izberemo CL filter, ki ima v tem frekvenčnem področju nizko vhodno impedanco. Impedanco žrtve nastavimo na 50 Ω, saj je to standardna impedanca LISN vezja, s katerim prevodne motnje merimo. Celotna postavitev je prikazana na sliki 1. Prikazane vrednosti elementov so izbrane tipično glede na to, kar v praksi srečamo.
Kako učinkovit je filter že pri tako enostavnem vezju najlaže ugotovimo s simulacijami v okolju LTspice. Na sliki 2 so na zgornjem grafu prikazani poteki impedanc na vhodu filtra, v sredini je vstavitveno dušenje filtra in spodaj so impedance na izhodu filtra. Impedanca kondenzatorja Cg prek katerega se sklaplja motnja (rdeča črta) s frekvenco upada, čemur sledi vhodna impedanca filtra (modra črta). Ker je impedančna razlika velika (C>>Cg), je tudi vstavitveno dušenje visoko (modra črta v sredini). A zakaj pri nizkih frekvencah ni tako, kljub temu da je impedančno neujemanje na vhodu skozi celotno frekvenčno področje enako? Razlog tiči v izhodni impedanci (spodnji graf), kjer se impedančno neujemanje pojavi šele pri visokih frekvencah, ko impedanca izhoda filtra, ki jo določa tuljava L (modra črta spodaj) postane bistveno višja od impedance bremena (rdeča črta spodaj). Z drugimi besedami, pri nizkih frekvencah sta učinka kondenzatorja (odprte sponke) in tuljave (kratek stik) zanemarljiva. Na grafih je za primerjavo z rjavo črto prikazan potek impedanc in vstavitvenega dušenja, če je izbran obraten (LC) filter. Lepo se vidi bistveno slabše vstavitveno dušenje (rjava črta na sredi) v frekvenčnem področju, kjer se vhodna impedanca filtra prekriža z impedanco kondenzatorja Cg, prek katerega se sklapljajo motnje (rjava črta zgoraj).
Drugi primer je vir motnje, ki se sklaplja prek serijske induktivnosti, kot kaže slika 3. Na ta način običajno modeliramo motnje, ki se prenašajo prek napajalnih linij, kjer je vir motnje lahko nek digitalni čip ali pa napajalnik, napajalna linija pa izraža neko induktivnost. Vrednost serijske induktivnosti na sliki spodaj je tipična za nekaj 10 cm dolgo povezavo na tiskanem vezju. Pri izbiri topologije filtra izberemo enako taktiko, kot prej: Serijska induktivnost Lg ima pri visokih frekvencah visoko impedanco, zato bi bilo filter smiselno začeti s kondenzatorjem, ki ima pri visokih frekvencah nizko impedanco. A potek impedance kondenzatorja je ravno nasproten poteku tuljave, zato se bosta vmes prekrižala in iz prejšnjega primera smo že ugotovili, da to prinaša vmesni upad vstavitvenega dušenja. Ker je induktivnost Lg relativno nizka, si lahko v filtru privoščimo bistveno višjo induktivnost in zato filter začnemo s tuljavo in bosta poteka vhodne impedance in impedance vira vzporedna, kar nam bo dalo konstantno impedančno neusklajenost na vhodu čez celo frekvenčno področje. Zato bom tukaj poizkusili z LC filtrom. Za lažjo primerjavo izberimo enake vrednosti elementov, kot prej.
Na sliki 4 so na enak način, kot na sliki 2, prikazani poteki impedanc na vhodu (zgoraj), izhodu (spodaj) in vstavitveno dušenje (sredina). Impedanca serijske induktivnosti Lg prek katere se sklaplja motnja (rdeča črta) s frekvenco narašča, čemur sledi vhodna impedanca filtra (rjava črta). Ker je impedančna razlika velika, je tudi vstavitveno dušenje visoko (rjava črta v sredini). Podobno kot prej, je pri nizkih frekvencah učinek filtra majhen. Na grafih je za primerjavo z modro črto prikazan potek impedanc in vstavitvenega dušenja, če je izbran obraten (CL) filter. Lepo se vidi bistveno slabše vstavitveno dušenje (modra črta na sredi) v frekvenčnem področju, kjer se vhodna impedanca filtra prekriža z impedanco serijske induktivnosti Lg, prek katere se sklapljajo motnje (modra črta zgoraj).
Tretji primer je vir tokovne motnje, ki teče prek vzporedno povezanega kondenzatorja Cg, kot kaže slika 5. Tovrstne primere srečamo povsod, kjer s kondenzatorjem stabiliziramo napetost bremena, ki vleče napajalni tok, ki vsebuje visokofrekvenčne motnje. To so vsi primeri blokirnih kondenzatorjev v vezjih ali pa vhodni kondenzatorji stikalnih napajalnikov.
Tokrat tudi izberemo LC filter, saj ima paralelno vezani kondenzator Cg nizko impedanco pri visokih frekvencah. Kljub nasprotnemu frekvenčnemu poteku glede na impedanco vhodne tuljave pričakujemo, da bo že pri nizkih frekvencah dovolj nizka, saj je vrednost paralelnega kondenzatorja visoka. Rezultati na sliki 6 to potrjujejo, saj je vhodna impedančna razlika mnogo večja v primeru LC glede na CL topologijo in to v celotnem frekvenčnem območju. S tem je tudi vstavitveno dušenje v primeru LC bistveno višje.
Prava izbira filtra v vseh treh primerih kaže odlične rezultate z dušenjem krepko prek 100 dB pri višjih frekvencah, kar je odličen rezultat. Predober, da bi bilo res, bi pripomnil nekdo. In res je predober, saj smo v simulacijah upoštevali idealne elemente, ki pa jih v praksi nimamo. Kondenzatorji v prvem približku vsaj še dodatne serijske upornosti in induktivnosti, medtem ko tuljave poleg serijske upornosti kvarijo vsaj še medovojna kapacitivnost, kot kaže slika 7. Vrednosti elementov so tipične, ki jih srečamo v praksi.
Ko v LTspice simulacijo vstavimo realne elemente z njihovimi paraziti, se razmerja kar precej pokvarijo, kot kaže slika 8, saj vstavitveno dušenje LC filtra izkazuje maksimum (serijsko resonanco) že pri 5 MHz, nato pa strmo upada in pade na 40 dB pri 100 MHz.
Pri načrtovanju filtrov je torej ključno čim bolj celovito upoštevanje vseh neidealnosti filtrskih elementov. Vezja z vključitvijo vseh različnih učinkov neidealnosti postanejo kompleksnejša, vrednosti parazitnih elementov pa so velikokrat tudi precej nelinearne, zato analitični pristopi ne pridejo več v poštev. Še sreča, da imamo danes močna simulacijska orodja, ki poleg naprednih algoritmov vključujejo tudi zelo dobre modele elementov, ki vsaj pri bolj uveljavljenih proizvajalcih komponent vključujejo laboratorijsko izmerjene vrednosti parazitnih elementov. To je še posebno pomembno pri tuljavah, kjer so uporabljena feritna jedra, ki izkazujejo močno nelinearne frekvenčne poteke parazitov.
