¿Qué sucede exactamente con las señales que golpean un estrangulador de modo común?


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Estoy tratando de comprender mejor los principios detrás del estrangulador de modo común. Hice algunos dibujos para aclarar.

 
Señales de modo diferencial

Las corrientes diferenciales (impulsadas por voltajes diferenciales) crean campos magnéticos B iguales pero opuestos en el núcleo del inductor:

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Estos campos magnéticos se cancelan entre sí, por lo que el flujo neto en el núcleo es cero. Como tal, estas corrientes diferenciales no "sienten" ninguna impedancia.

 
Señales de modo común

En contraste, las corrientes de modo común generan campos magnéticos iguales y aditivos en el núcleo. Es por eso que "sienten" una alta impedancia y no pueden pasar (o pasar significa que están muy atenuados).

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¿Pero qué pasa exactamente ? Tengo varias teorías, que describiré a continuación.

 
Señales de modo común - Teoría 1

Mi primer pensamiento sería que la señal de modo común golpea el estrangulador y crea un flujo magnético en su interior. Al hacer esto, se pierde mucha energía (histéresis y quizás otros efectos) como calor. Solo pasa una pequeña parte:

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¿Qué tipo de estrangulador de modo común se comportaría de esta manera particular? "Quemar" el pico de voltaje me parece un efecto muy deseable.

 
Señales de modo común - Teoría 2

Quizás el pico de voltaje realmente no tenga la oportunidad de acumular mucho flujo magnético en el núcleo, o tal vez el núcleo simplemente no sea lo suficientemente "con pérdidas". El pico de voltaje rebota en el núcleo y regresa. Solo pasa una pequeña parte:

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Aunque el sistema en el lado derecho del estrangulador está protegido, el sistema en el izquierdo tiene que lidiar con las señales reflejadas. Pueden aparecer cosas desagradables como ondas estacionarias.

 
Mis preguntas

Tengo algunas preguntas para ti:

  1. ¿Crees que la teoría 1 o la teoría 2 es más plausible?

  2. ¿Crees que ciertos tipos de choques de modo común tienden a comportarse como se describe en la teoría 1, otros como en la teoría 2?

  3. Quizás mis dos teorías están simplemente equivocadas. Si es así, ¿qué sucede realmente?

Por favor iluminame.

Respuestas:


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Además de la respuesta de Andy, no es necesario repetir lo que escribió.

Por lo que escribes, creo que tu problema se trata más de entender intuitivamente cómo funciona el estrangulador. Considere un inductor:

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Este inductor solo tiene un cable. La corriente que fluye crea un flujo magnético que es recogido por la propia bobina y crea un voltaje que se opone al cambio de corriente. Supongo que sabes sobre eso.

Ahora, divida el cable a lo largo. Ahora tiene el mismo inductor, pero con dos cables enrollados en la misma dirección:

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La corriente en modo común fluye a través de estos cables en la misma dirección. Por lo tanto, no importa si tiene un cable con corriente I, o dos cables con I / 2.

(Si ambos cables están conectados como en la primera imagen de Andy, entonces el resultado es el mismo que tener un cable).

Mi primer pensamiento sería que la señal de modo común golpea el estrangulador y crea un flujo magnético en su interior. Al hacer esto, se pierde mucha energía (histéresis y quizás otros efectos) como calor. Solo pasa una pequeña parte

Entonces, así no es como funciona. Es simplemente un inductor que no actúa en señales diferenciales, solo en las de modo común. Agrega impedancia de modo común debido a su inductancia.

Pero, ¿cómo elimina el ruido?

Simple. Es un inductor, por lo que impedirá el flujo de corriente de modo común de alta frecuencia, simplemente agregando impedancia.

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Aquí, las dos fuentes de CA "Vhc1" y "Vhc2" tienen el mismo valor, por lo que agregan ruido de voltaje de modo común a "LINE1" y "LINE2".

Este voltaje de ruido dará como resultado una corriente a través del estrangulador, luego el equipo a la derecha, y esta corriente volverá a través de una tierra explícita (si ambas piezas de engranaje están conectadas a tierra) o por cualquier medio que pueda encontrar (capacitancia parásita a través del aire u otros cables conectados a otro equipo).

La corriente de modo común de HF que fluye a través de los cables los convierte en antenas, lo cual es una mala idea.

El estrangulador agrega impedancia en el circuito, reduciendo así la corriente. Simple como eso.

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En la imagen de arriba, el estrangulador de la izquierda agrega impedancia de modo común a la línea, y las tapas acortan el ruido de modo común restante a tierra. Esto es básicamente un divisor de voltaje, o un filtro LC de paso bajo, excepto que maneja dos cables en lugar de uno.

Piense en "divisor de voltaje". El estrangulador aumenta la impedancia de la fuente de ruido, lo que permite que las tapas tengan un mejor efecto de filtrado.

La forma en que se enrollan los cables puede tener varios efectos. Para obtener el mejor filtrado en modo común, retuerza los cables (o enrolle un cable completo alrededor del núcleo magnético). Los estranguladores que muestra tienen cierta distancia entre los dos cables, por lo que la eficiencia del filtrado en modo común será un poco menor. Sin embargo, el aislamiento entre los dos cables es mucho mejor, y este devanado también agrega inductancia en modo diferencial en cada cable, lo que hace que el componente desempeñe dos funciones.

Se pueden usar más de dos cables. De hecho, puede pasar un cable completo a través de un núcleo de ferrita (busque un cable USB con uno de estos en su computadora):

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El gráfico le indica la impedancia agregada a su cable en modo común.

Además, los estranguladores de ferrita son con pérdida. Esto significa que el material está diseñado para ser un transformador bastante malo, con baja eficiencia a alta frecuencia. Tiene alta histéresis. Esto significa que convierte los campos magnéticos de HF en calor. Entonces, por encima de cierta frecuencia, el inductor deja de ser inductivo y se comporta más como una resistencia.

Si coloca el estrangulador en un cable, el hecho de que tenga pérdidas es muy útil, ya que mata las resonancias que de lo contrario podrían convertir el cable en una antena eficiente.

EDITAR

Verifique la impedancia de una cuenta de ferrita. Este no es un estrangulador de modo común, pero las propiedades interesantes están en el material de ferrita en sí. Si se tratara de una herida bifilar, la impedancia de modo común tendría las mismas características.

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( fuente )

La porción marcada "X" es la impedancia inductiva. Y la porción marcada "R" es resistencia. Esta parte apestaría como un inductor, tendría una Q muy baja, muchas pérdidas, no hay forma de hacer un circuito de tanque LC sintonizado con eso. Sin embargo, las pérdidas son excelentes cuando quieres convertir el ruido de HF en calor.

Hay muchos materiales de ferrita diferentes, algunos están optimizados para pérdidas bajas y son inductores de buena calidad, otros están optimizados para pérdidas altas a ciertas frecuencias.

Si se especifica como "supresión de EMI" o "perla de ferrita" o "estrangulador" y no como un inductor, obtendrá materiales con pérdidas. Luego debe verificar la curva de impedancia para asegurarse de que filtrarán las frecuencias que desee.


Muchas gracias. ¡Escribiste un artículo completo sobre el tema! Me gustaría saltar a tus últimos párrafos. Usted dice: "Además, los estranguladores de ferrita son con pérdida ... el hecho de que es con pérdida es muy útil, ya que mata las resonancias". ¿Podrías profundizar en este tema? ¿Cómo distingo un filtro de modo común con pérdida y sin pérdida, y cuáles son los tipos de gráficos que me ayudan a evaluarlos?
K.Mulier

echa un vistazo a la edición anterior
peufeu

Muchas gracias por la edición. Desafortunadamente, muchas hojas de datos de choques de modo común solo dan un gráfico que muestra la impedancia total Z, sin dividirla en los componentes R y X. Las pérdidas en el núcleo de ferrita son perfectas para "quemar" el ruido. Pero, ¿no sería aconsejable colocar condensadores paralelos antes o después del estrangulador de modo común? ¿Cómo los calcularía, de modo que no se produzcan repugnantes efectos de sonido y oscilación? Muchas gracias por toda su ayuda :-)
K.Mulier

En el ejemplo de filtro de red anterior, hay tapas. Sin embargo, si su dispositivo es, por ejemplo, un dispositivo usb autoalimentado, como un pequeño gabinete HDD, entonces no hay tierra / tierra para vincular las tapas. Por lo tanto, las únicas formas de reducir el ruido en modo común y evitar que el cable sea una antena sería no generar el ruido en primer lugar, o aumentar la impedancia del modo común del cable con un estrangulador.
peufeu

@DanielTork No estoy seguro de lo que estás preguntando ... Un inductor funciona así: la corriente en una bobina crea un campo magnético, que crea un flujo magnético en la misma bobina, lo que crea voltaje dentro de la bobina que se opone al cambio de corriente. Un estrangulador de modo común tiene 2 bobinas en lugar de 1. Cuando la corriente corre en las 2 bobinas en dirección opuesta, crean campos magnéticos de polaridad opuesta que se cancelan, por lo que no crea flujo magnético y no induce voltaje en las bobinas.
peufeu

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Para choques de modo común ordinarios, la impedancia de modo diferencial se reduce esencialmente a las resistencias del cable, mientras que la impedancia de modo común es en gran parte inductiva, con la resistencia del cable como un componente pequeño.

Como cuanto mayor es la inductancia, mayor es la atenuación de la señal de modo común, el objetivo es tener una mayor inductancia. Esto conduce a diseños que apuntan a evitar la saturación del núcleo y las pérdidas del núcleo, por lo tanto, incluso teniendo en cuenta la no linealidad del núcleo ferromagnético, un estrangulador común, de dos devanados y más común presenta una impedancia esencialmente inductiva a la señal de modo común.

Por lo tanto, se disipa muy poca potencia dentro del estrangulador, de ahí que la señal de modo común se "refleje" esencialmente de donde proviene (teoría # 2 de los suyos).

Vea este documento relevante de ST:

En particular, estos extractos (énfasis mío):


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[...]

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Para ser explícito: el hecho de que una impedancia inductiva implique la reflexión hacia la fuente depende del principio de conservación de la energía. Dado que esencialmente no hay un componente resistivo que pueda explicar la energía de la señal de modo común para ser disipada (convertida en calor), esa energía debe ir a otro lugar: se almacenará (temporalmente) en el campo magnético que se acumula en el estrangulador y reflexionó desde donde vino.


Sin embargo, un estrangulador CM real tendrá un comportamiento más complejo, principalmente debido a la capacitancia parásita, y mostrará un pico de resonancia en su magnitud de impedancia, como se muestra aquí por la curva azul (del mismo documento vinculado anteriormente):

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Interesante, muchas gracias :-). Simplemente no entiendo la figura a continuación. ¿Por qué la curva azul, la impedancia de modo común, es de solo 3 ohmios para frecuencias inferiores a 30 MHz? De hecho, para estas frecuencias, la impedancia en modo diferencial parece ser más alta que la impedancia en modo común. Eso es raro ...
K.Mulier

@ K.Mulier Eso no es extraño si comprende las ecuaciones en los extractos anteriores. De las ecuaciones 8,9 vemos que para frecuencias bajas, es decir f & hacia; 0, Z1diff = R1 abd Z2diff = R2. De las ecuaciones 6.6, vemos que Z1cm & cong; R1 y Z2cm & cong; R2. Esta última igualdad aproximada se aproxima mejor a medida que el coeficiente de acoplamiento k se aproxima a 1, lo cual es solo teórico. Si L1 y L2 no coinciden con M, Z1cm será mayor que Z1diff. Lo mismo vale para Z2. Por cierto, estamos hablando de la magnitud de la impedancia aquí.
Lorenzo Donati apoya a Mónica el

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Para corrientes diferenciales normales, los dos devanados "restan" efectivamente sus inductancias y, por lo tanto, la corriente apenas se ve impedida.

Cuando la corriente es un modo común, la inductancia completa de ambas bobinas está presente y, por lo tanto, la corriente está mucho más impedida.

A continuación se muestra una imagen que debería ayudar. Se muestra una sola entrada y salida que demuestra las diferentes impedancias que se obtienen al invertir la dirección de una de las corrientes.

El primer escenario es para una corriente de modo común que trataríamos de bloquear:

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