česky english Vítejte, dnes je sobota 04. únor 2023

Potlačení akustického šumu spínaných zdrojů

DPS 4/2022 | Součástky - články
Autor: Axel Schütz, Mark Schoppel, Florian Haas, Traco Power

Když sedíme v autě, zvuk motoru, který vnímáme, považujeme za něco zcela normálního. V sekci motoru je přece uložen stroj obsahující pohybující se součásti. Někteří z nás by dokonce takový zvuk nazvali velice příjemným. Výrobci automobilů a dalších výrobků disponují dokonce celými výzkumnými odděleními, která se zabývají laděním a vytvářením příjemných zvukových vjemů.

Odlišná situace je však u spínaných napájecích zdrojů. Zvuky jako brum a pískot lze dokonce vnímat jako varovný signál. Ačkoli jsou napájecí zdroje sestaveny z velkého množství elektronických součástek, za provozu by se teoreticky nemělo nic pohybovat, a tudíž by žádný zvuk vznikat neměl, že?

Nejčastější zdroj rušivého zvuku u typicky používaných AC/DC zdrojů má za následek vznik nízkofrekvenčního brumu 100 Hz. Tak jak se zdroje vyvíjely ve své složitosti a konstrukci, tak se měnilo i pásmo vyzařovaných akustických vln. Nicméně většina akustických šumů by neměla vyvolávat důvod k obavám.

Vjem a účinek

Člověk dokáže slyšet zvukové vlnění v kmitočtovém pásmu 16 Hz až přibližně 20 kHz (obr. 1). To, jestli zvuk působí rušivě nebo dráždivě, závisí také na prostředí, v němž vzniká. Průmyslový napájecí zdroj vytvářející slyšitelný šum pravděpodobně nepředstavuje skutečný problém pro osoby, protože většina z nich v jeho blízkosti jej vnímá v souvislosti s šumem pozadí jako normální součást práce v továrnách. Další zvuky díky svému kmitočtu a intenzitě mohou rovněž maskovat zvuky vytvářené zdrojem – jev, kterým se zabývá psychoakustika, využívaný při kompresi audiosignálu v MP3. Takové zdroje jsou také typicky instalovány v montážních skříních s dveřmi, které rovněž pomáhají tlumit vzniklý akustický šum.

Obr. 1 a 2 (jpg)

V jiném prostředí, jako je kancelář, bude však reakce na šum zdroje značně odlišná. Pískot a hukot elektrického zařízení budou zřejmě vnímány jako velmi nepříjemné a mohou dokonce vyvolat pochybnosti o jeho bezpečnosti.

Magnetická pole

Pokud je vodič protékaný proudem vložen do magnetického pole, je obecně vystaven síle. Tento silový jev je nejvýraznější, pokud je úhel mezi směry proudu a magnetického pole 90°. V takových případech je vzniklá síla kolmá ke směru protékajícího proudu a magnetického pole. Tři prsty pravé ruky lze použít k určení směru této síly s využitím Flemingova pravidla pravé ruky (obr. 2).

V souvislosti s transformátory a některými tlumivkami může být železné jádro vystaveno jevu známému jako magnetostrikce − jevu, který jako první zjistil James Joule v roce 1842. Tento jev způsobuje změny tvaru nebo rozměrů v průběhu procesu magnetizace vlivem proudu protékajícího vodičem součástky. Vedle vzniku tepla třením způsobují tyto drobné změny objemu materiálu často také slyšitelný šum.

V transformátorech je často použita ocel Fe-Si (známá jako křemíková ocel) s proměnným obsahem křemíku, který pomáhá zvyšovat měrný elektrický odpor železa. 6procentní křemíková ocel poskytuje optimální úroveň snížení magnetostrikce, ale jedině za cenu zvýšené křehkosti.

Piezoelektrický jev

Další příčinou vzniku šumu je piezoelektrický jev. Slovo „piezo“ je odvozeno z řeckého slova pro tlak. V roce 1880 Jacques a Pierre Currie objevili, že tlak v různých krystalech, jako je křemen, způsobuje vznik elektrického náboje. Tento jev nazvali „piezoelektrickým jevem“. Později zjistili, že elektrická pole dokážou deformovat piezoelektrické materiály. Tento jev je známý jako „inverzní piezoelektrický jev“.

Inverzní piezoelektrický jev způsobuje změnu délky u těchto materiálů při přiložení elektrického napětí. Tento jev mění elektrickou energii na energii mechanickou. Změny napětí také způsobují změny geometrie hmoty keramických kondenzátorů, v jejichž důsledku kondenzátory fungují jako miniaturní reproduktory vyzařující tlakové vlny do svého okolí.

Obr. 3  (jpg)

Spínací topologie a zpětnovazební smyčky

Úsilí o stále účinnější převod energie znamená, že spínací topologie jsou integrovány do těch nejjednodušších spínacích zdrojů. Základní spínací kmitočet u takových konstrukcí bývá nejčastěji volen nad hranicí lidského vnímání (>20 kHz). Nicméně u spínacích konstrukcí založených na proměnném kmitočtu za účelem přizpůsobení se proměnné zátěži a proměnnému vstupnímu napětí může tento kmitočet poklesnout do slyšitelného spektra k udržení optimální účinnosti převodu.

V řešeních s pevným spínacím kmitočtem mohou takové funkce jako vynechávání cyklů nebo pulzní režim ve výsledku dát vzniknout takovým kmitočtovým složkám, které padnou do slyšitelného pásma, přestože spínací kmitočet samotný leží v pásmu nad 20 kHz. Pokud řešení vykazuje pravidelné spínací pulzy nepravidelně přerušované mezerami dvou nebo více vynechaných pulzů, může to být znamení problémů ve zpětnovazebním obvodu (obr. 4). Vyplatí se prověřit součástky ve zpětné vazbě a pracovní pásmo optočlenů.

Obr. 4  (jpg)

Určení a řešení problémů s akustickým šumem

Tím, jak se spínané zdroje stávají stále kompaktnějšími v důsledku poptávky po neustále vyšší objemové hustotě výkonu, může se stát velmi obtížným přesně určit, která ze součástek je zdrojem slyšitelného šumu. Za předpokladu, že konstrukce pracuje správně z hlediska elektrického, jednou použitelnou metodou může být použití nevodivého předmětu, jakou je jídelní tyčinka, k vyvinutí lehkého tlaku na jednotlivé součástky na DPS za chodu zdroje. Změna nebo snížení šumu, zejména mezi hlavními kandidáty, kterými jsou keramické nebo magnetické součástky, mohou představovat dobrý začátek. Pokud není po ruce nevodivý zkušební nástroj, poslouží improvizovaná trumpetka do ucha, vytvořená z listu papíru stočeného do kužele. Otvor na užším konci kužele se zaměří k podezřelým součástkám pro vyhodnocení zdrojů produkovaného šumu.

Hlučnými se často ukážou keramické kondenzátory vystavené rychlým změnám dv/dt. Jedná se např. o kondenzátory použité v přepěťových ochranách, stejně jako ve výstupních stupních. Ke zjištění, zdali jsou zdrojem šumu právě ony, poslouží jejich výměna za typ s jiným dielektrikem jako metalizovanou fólií nebo lze zvětšit hodnotu sériového odporu. Pokud taková úprava vede ke snížení šumu, pak by mělo být zváženo jako trvalé řešení.

Použití Zenerovy diody v přepěťových ochranách může také pomoci. Problematické kondenzátory ve výstupních stupních lze také nahradit typy s odlišným dielektrikem, případně nahradit paralelně zapojenými keramickými kondenzátory, pokud to prostor dovolí.

Pokud jsou zdrojem akustického šumu magnetické součástky, je třeba v první řadě zajistit, aby vstupní napětí a výstupní zátěž byly vždy v přípustném pásmu dle specifikací. Zvýšení kapacity na vstupní straně může pomoci v případech, kdy vstupní napětí občas klesá příliš nízko. Máčení transformátorů a zalévaných tlumivek jsou jednou z možností omezení šumu. Transformátory s dlouhým jádrem mají také sklon rezonovat hlučněji než typy s jádrem krátkým. V případech, v nichž je to možné, zvažte náhradu krátkým jádrem, pokud to dovolí objem požadovaných vinutí.

Je třeba mít na paměti, že u všech popsaných metod bude s vysokou pravděpodobností nutné opakované ověřování výsledků a výrobní zkoušky.

Obr. 5  (jpg)

Shrnutí

Jak silové účinky na vodiče protékané proudy v magnetickém poli, tak inverzní piezoelektrický jev u kondenzátorů jsou hlavními příčinami akustického šumu vyzařovaného napájecími zdroji. Navzdory pokroku v technikách simulace se akustický šum projeví teprve, až je konstrukce fyzicky vyrobena, a někdy teprve, až když je připravena větší série v předvýrobní fázi.

Ačkoliv by většina akustických šumů ve zdrojích neměla být důvodem k větším obavám z hlediska funkčnosti nebo bezpečnosti, může však obtěžovat, a dokonce může být vnímána zákazníky jako kvalitativní nedostatek. Pokud se budeme řídit jednoduchými tipy uvedenými v tomto článku, lze součástky, které se chovají jako zdroje šumu identifikovat a s využitím navržených postupů nahradit, upevnit nebo upravit tak, aby byl vznik nežádoucích zvuků znemožněn.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik