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Obwohl Gleichtaktdrosseln beliebt sind, ist ein monolithischer EMI-Filter eine weitere Möglichkeit.Wenn das Layout angemessen ist, können diese mehrschichtigen Keramikkomponenten eine hervorragende Unterdrückung von Gleichtaktstörungen bieten.
Viele Faktoren erhöhen die Menge an „Rauschen“-Interferenzen, die elektronische Geräte beschädigen oder deren Funktionalität beeinträchtigen können.Das heutige Auto ist ein typisches Beispiel.In einem Auto finden Sie WLAN, Bluetooth, Satellitenradio und GPS-Systeme, und das ist erst der Anfang.Um diese Art von Störgeräuschen zu bewältigen, verwendet die Industrie üblicherweise Abschirmungen und EMI-Filter, um unerwünschte Störgeräusche zu eliminieren.Doch mittlerweile sind einige herkömmliche Lösungen zur Eliminierung von EMI/RFI nicht mehr anwendbar.
Dieses Problem hat dazu geführt, dass viele OEMs auf Optionen wie 2-Kondensator-Differential, 3-Kondensator (ein X-Kondensator und zwei Y-Kondensatoren), Durchführungsfilter, Gleichtaktdrosseln oder eine Kombination davon verzichtet haben, um geeignetere Lösungen zu erhalten, beispielsweise in Monolithic EMI-Filter mit besserer Rauschunterdrückung in einem kleineren Gehäuse.
Wenn elektronische Geräte starke elektromagnetische Wellen empfangen, können unerwünschte Ströme im Stromkreis induziert werden und einen unerwarteten Betrieb verursachen oder den beabsichtigten Betrieb beeinträchtigen.
EMI/RFI können in Form von leitungsgebundenen oder abgestrahlten Emissionen auftreten.Wenn EMI geleitet wird, bedeutet dies, dass sich Rauschen entlang elektrischer Leiter ausbreitet.Wenn sich Lärm in Form eines Magnetfelds oder von Radiowellen in der Luft ausbreitet, kommt es zu elektromagnetischer Strahlung.
Selbst wenn die von außen zugeführte Energie gering ist, führt die Vermischung mit Radiowellen, die für Rundfunk und Kommunikation verwendet werden, zu Empfangsstörungen, ungewöhnlichen Tongeräuschen oder Videounterbrechungen.Wenn die Energie zu stark ist, kann die elektronische Ausrüstung beschädigt werden.
Zu den Quellen zählen natürliche Geräusche (z. B. elektrostatische Entladung, Beleuchtung und andere Quellen) und künstliche Geräusche (z. B. Kontaktgeräusche, Verwendung von Hochfrequenz-Ableitgeräten, schädliche Strahlung usw.).Im Allgemeinen handelt es sich bei EMI/RFI-Rauschen um Gleichtaktrauschen. Daher besteht die Lösung darin, EMI-Filter als separates Gerät oder eingebettet in eine Leiterplatte zu verwenden, um unerwünschte hohe Frequenzen zu eliminieren.
EMI-Filter EMI-Filter bestehen normalerweise aus passiven Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten, die zu einem Schaltkreis verbunden sind.
„Induktivitäten lassen Gleichstrom oder Niederfrequenzstrom durch und blockieren gleichzeitig schädliche unerwünschte Hochfrequenzströme.„Kondensatoren bieten einen Pfad mit niedriger Impedanz, um hochfrequentes Rauschen vom Eingang des Filters zurück zum Strom- oder Erdungsanschluss zu übertragen“, sagte Christophe Cambrelin von Johanson Dielectrics. Das Unternehmen stellt mehrschichtige Keramikkondensatoren und EMI-Filter her.
Zu den herkömmlichen Gleichtaktfiltermethoden gehören Tiefpassfilter mit Kondensatoren, die Signale mit Frequenzen unter einer ausgewählten Grenzfrequenz durchlassen und Signale mit Frequenzen über der Grenzfrequenz dämpfen.
Ein üblicher Ausgangspunkt ist die Verwendung eines Kondensatorpaars in einer Differenzkonfiguration, wobei zwischen jeder Leiterbahn und der Masse des Differenzeingangs ein Kondensator verwendet wird.Der Kondensatorfilter in jedem Zweig überträgt EMI/RFI oberhalb der angegebenen Grenzfrequenz auf die Erde.Da bei dieser Konfiguration Signale mit entgegengesetzter Phase über zwei Drähte gesendet werden, verbessert sie das Signal-Rausch-Verhältnis und sendet gleichzeitig unerwünschtes Rauschen zur Erde.
„Leider variiert der Kapazitätswert von MLCCs mit X7R-Dielektrika (normalerweise für diese Funktion verwendet) erheblich mit der Zeit, der Vorspannung und der Temperatur“, sagte Cambrelin.
„Selbst wenn diese beiden Kondensatoren bei Raumtemperatur und niedriger Spannung eng zusammenpassen, ist es wahrscheinlich, dass sie zu einem bestimmten Zeitpunkt, sobald sich Zeit, Spannung oder Temperatur ändern, sehr unterschiedliche Werte aufweisen.Diese Art der Nichtübereinstimmung zwischen zwei Leitungen führt zu ungleichen Reaktionen in der Nähe der Filtergrenze.Daher wandelt es Gleichtaktrauschen in Differenzrauschen um.“
Eine andere Lösung besteht darin, einen „X“-Kondensator mit großem Wert zwischen den beiden „Y“-Kondensatoren zu überbrücken.Der „X“-Kondensator-Shunt kann den erforderlichen Gleichtaktausgleichseffekt liefern, erzeugt jedoch unerwünschte Nebenwirkungen der Differenzsignalfilterung.Die vielleicht gebräuchlichste Lösung und Alternative zu Tiefpassfiltern sind Gleichtaktdrosseln.
Die Gleichtaktdrossel ist ein 1:1-Transformator, bei dem beide Wicklungen als Primär- und Sekundärwicklung fungieren.Bei dieser Methode induziert der Strom, der durch eine Wicklung fließt, den entgegengesetzten Strom in der anderen Wicklung.Leider sind Gleichtaktdrosseln auch schwer, teuer und anfällig für Ausfälle aufgrund von Vibrationen.
Dennoch ist eine geeignete Gleichtaktdrossel mit perfekter Anpassung und Kopplung zwischen den Wicklungen transparent für Differenzsignale und weist eine hohe Impedanz gegenüber Gleichtaktrauschen auf.Ein Nachteil von Gleichtaktdrosseln ist der begrenzte Frequenzbereich, der durch parasitäre Kapazitäten verursacht wird.Bei einem gegebenen Kernmaterial gilt: Je höher die Induktivität, die zur Erzielung einer Niederfrequenzfilterung verwendet wird, desto größer ist die Anzahl der erforderlichen Windungen und die damit verbundene parasitäre Kapazität, wodurch die Hochfrequenzfilterung unwirksam wird.
Unstimmigkeiten in den mechanischen Fertigungstoleranzen zwischen Wicklungen können zu einer Modusumwandlung führen, bei der ein Teil der Signalenergie in Gleichtaktrauschen umgewandelt wird und umgekehrt.Diese Situation führt zu Problemen mit der elektromagnetischen Verträglichkeit und Immunität.Die Nichtübereinstimmung verringert auch die effektive Induktivität jedes Zweigs.
Wenn das Differenzsignal (Durchlass) im gleichen Frequenzbereich wie das zu unterdrückende Gleichtaktrauschen arbeitet, hat die Gleichtaktdrossel in jedem Fall einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen Optionen.Mithilfe von Gleichtaktdrosseln kann der Signaldurchlassbereich auf den Gleichtakt-Sperrbereich erweitert werden.
Monolithische EMI-Filter Obwohl Gleichtaktdrosseln beliebt sind, sind monolithische EMI-Filter eine weitere Möglichkeit.Wenn das Layout angemessen ist, können diese mehrschichtigen Keramikkomponenten eine hervorragende Unterdrückung von Gleichtaktstörungen bieten.Sie vereinen zwei symmetrische Parallelkondensatoren in einem Gehäuse, was eine gegenseitige Induktivitätsaufhebung und Abschirmungseffekte bewirkt.Diese Filter nutzen zwei unabhängige elektrische Pfade in einem einzigen Gerät, das an vier externe Anschlüsse angeschlossen ist.
Um Verwirrung vorzubeugen, sollte beachtet werden, dass der monolithische EMI-Filter kein herkömmlicher Durchführungskondensator ist.Obwohl sie gleich aussehen (gleiche Verpackung und gleiches Erscheinungsbild), unterscheiden sich ihre Designs deutlich und auch ihre Verbindungsmethoden sind unterschiedlich.Wie andere EMI-Filter dämpft ein Einzelchip-EMI-Filter die gesamte Energie über der angegebenen Grenzfrequenz und wählt nur die erforderliche Signalenergie zum Durchlassen aus, während unerwünschtes Rauschen auf die „Masse“ übertragen wird.
Der Schlüssel liegt jedoch in einer sehr niedrigen Induktivität und einer angepassten Impedanz.Bei einem monolithischen EMI-Filter ist der Anschluss intern mit der gemeinsamen Referenzelektrode (Abschirmung) im Gerät verbunden und die Platine ist durch die Referenzelektrode getrennt.Was die statische Elektrizität betrifft, werden die drei elektrischen Knoten durch zwei kapazitive Hälften gebildet, die eine gemeinsame Referenzelektrode haben. Alle Referenzelektroden sind in einem einzigen Keramikkörper enthalten.
Das Gleichgewicht zwischen den beiden Hälften des Kondensators bedeutet auch, dass die piezoelektrischen Effekte gleich und entgegengesetzt sind und sich gegenseitig aufheben.Dieser Zusammenhang wirkt sich auch auf Temperatur- und Spannungsänderungen aus, sodass die Komponenten auf beiden Leitungen den gleichen Alterungsgrad aufweisen.Wenn diese monolithischen EMI-Filter einen Nachteil haben, können sie nicht verwendet werden, wenn das Gleichtaktrauschen die gleiche Frequenz wie das Differenzsignal hat.„In diesem Fall ist eine Gleichtaktdrossel die bessere Lösung“, sagte Cambrelin.
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