Мы учимся на протяжении всей нашей жизни!
Разумеется, всё знать невозможно и только целеустремленное исследование, наблюдение, анализ накопленных данных помогают создавать более технологичные и совершенные изделия и тем самым двигаться по пути прогресса!
Я инженер, и я не только занимаюсь разработкой приборов различного назначения, я также почти всегда разбираю, вскрываю отказавшее оборудование и анализирую конструкцию и схемотехнику интересующих меня образцов. Я это делаю из интереса и для собственного развития, так складывается впечатление о производителе, находятся интересные конструкторские и схемотехнические решения и вообще так в целом познается этот мир - глазами и руками (визуал кинестетик).
Иногда так бывает, что я задаю себе вопрос: "почему разработчики так сделали?", "они же чем-то руководствовались, когда решили сделать это?". Продукция радиолюбителей не подвергается мною очень жесткому анализу, так как очень часто можно встретить низкоквалифицированных специалистов, которые просто повторили конструкцию или сами не особо знают, зачем установили ту или иную деталь.
Там нет или может не быть никакой логики. Поставили, чтобы было и вроде бы работает... На этом все, большего и не требуется! А многие типовые ошибки перерисовываются и кочуют из схемы в схему.
А вот когда разбираешь и анализируешь устройства известных уважаемых брендов с историей производства в несколько десятилетий, то невольно возникает вопрос: "это шаманство или тайные знания? Зачем они это сделали, и я явно чего-то не знаю и/или не понимаю...".
В этой публикации речь пойдет о ферритовых бусинах, ферритовых сердечниках, которые одеваются на сетевые сильноточные, сигнальные интерфейсные кабели и призваны улучшить работу прибора.
Почему мы говорим про шаманство и тайные знания?
Потому что порой нет понимания, разработчик прибора обладает какими-то специализированными (тайными) знаниями, которые не описаны в общедоступной и популярной технической литературе или неведомые детали были установлены в прибор "наобум", и тогда это все попадает в категорию шаманства.
Теоретически это все работает! Практически, с большой долей вероятности тоже все работает, иначе бы никто не применял эти ферритовые бусины и сердечники в качестве и составе фильтров электромагнитных помех (EMI).
Вот только практическую эффективность подтвердить или опровергнуть очень сложно! По всей вероятности требуется очень сложное, дорогое и редкое специализированное оборудование.
Я инженер и в рамках объективной оценки эффективности той или иной концепции мне нужны цифры и сравнения, "до" и "после", с ферритовыми бусинами и без них.
Нужно точно понимать, что "без" не работает или работает плохо, а "с" работает или работает лучше!!! Иначе никак!
А если нет критерия оценки и нет объективных параметров, которые мы можем контролировать, то на плаву остается только теоретическая составляющая, которая и перетекает в категорию "шаманства".
Как это работает в теории
Ферритовая бусина — это небольшой компонент из ферритового материала (обычно из никель-цинковых или марганец-цинковых смесей). Ферритовую бусину надевают на провод (чаще на шины питания, реже на шины заземления) или размещают прямо на печатной плате (например, SMD-версия — чип-бусина).
Принцип действия ферритовой бусины: на низких частотах и постоянном токе ферритовая бусина почти не оказывает влияния на полезный проходящий сигнал (протекающий ток). Когда в цепи появляются высокочастотные помехи (например, от импульсного блока питания, быстрых переключений транзисторов или паразитных ёмкостей), феррит работает в других условиях и обладает заметным реактивным сопротивлением, которое препятствует прохождению высокочастотной помехи (ограничивает ток помехи).
Обычно типовой характеристикой ферритовой бусины выступает её импеданс. В технических характеристиках приводится импеданс (сопротивление) на конкретных частотах (например, 100 Ом на 25 МГц и 1000 Ом на 100 МГц). Очевидно, что 100 Ом и 1000 Ом это весьма серьезное сопротивление для прохождения высокочастотных помех, но только вот это все работает на мегагерцовых частотах!
В рабочем диапазоне частот ферритовая бусина не отражает энергию помехи, а преобразует её в тепло за счёт резистивных потерь в феррите.
Так она гасит высокочастотный шум. Теоретически и вероятнее всего практически.
Где ставят ферритовые сердечники в фильтрах питания
- На входе и выходе импульсных преобразователей (блоков питания). Это помогает ограничить высокочастотный «шум» и другие паразитные колебания, которые распространяются по линиям питания и даже излучаются в пространство.
- Между шумным источником и чувствительным узлом на плате. Например, если у вас есть DC-DC преобразователь, работающий на высокой частоте, а рядом с ним микроконтроллер или АЦП. Ферритовая бусина поможет не пустить шум от преобразователя в чувствительную часть схемы.
Лично я склонен думать, что шум DC-DC преобразователя находится в диапазоне десятков и сотен килогерц, в то время как ферритовые фильтры работают на мегагерцовых частотах. Поэтому, LC-фильтр был бы куда эффективнее, чем ферритовая бусина.
- На соединительных кабелях (шнур питания устройства, шнур интерфейсных цепей устройства).
Это дополнительная защита: ферритовый фильтр на кабеле снижает наводки, которые кабель может наводить на другие цепи или даже работать как небольшая антенна.
Иногда ферритовую бусину не используют в одиночку.
Чтобы усилить эффект, её комбинируют с развязывающими конденсаторами — получается локальный π-образный фильтр. Конденсатор формирует высокочастотной помехе короткий путь на землю, и бусина эффективнее «гасит» её.
Посмотрите на фото ниже - это мощный импульсный БП одного известного производителя копировальной техники.
На что я хочу обратить ваше внимание?
Во-первых, мы видим здесь два Y-конденсатора, которые эффективно подавляют синфазную помеху ("сливают" ее на шину защитного заземления), у каждого из которых на выводе со стороны земли установлены ферритовые бусины.
Сразу возникают вопросы:
1. Почему ферритовые бусины стоят на выводах со стороны земли? Это важно? Может быть их нужно/можно было поставить со стороны цепей питания? Звучит логично, ведь помеху нужно давить в месте ее зарождения, а не где-то на пути ее распространения.
Ответа на этот вопрос у меня нет.
2. Может быть можно/нужно было поставить ферритовые бусины на каждый вывод Y-конденсаторов?
Допустим, у меня есть ответ на этот вопрос. Ферритовой бусины на одном выводе Y-конденсаторов было достаточно, чтобы пройти стендовые испытания и сертификацию продукции. Экономический фактор.
3. Из вопроса №2 вытекает логичный вопрос. Т.е. без этих двух ферритовых бусин на Y-конденсаторах стендовые испытания и сертификацию пройти не удалось? Неужели они настолько важны?
Ответа на этот вопрос у меня нет. Я разбирал несколько сотен разных мощных импульсных БП и могу точно сказать, что ферритовые бусины на Y-конденсаторах это скорее особенность, чем правило. Таких БП было не более 1%, все остальные БП хорошо если вообще имели в своем составе Y-конденсаторы для подавления синфазной помехи.
Во-вторых, на фото мы видим ферритовый сердечник вокруг которого обмотан провод идущий на шину защитного заземления.
Стоит сделать важное замечание!
Индуктивность на шине защитного заземления отрицательно действует на качество фильтрации. Чтобы защитное заземление работало защитным заземлением, импеданс ее любого толка (активный и/или реактивный) должен быть минимален!
Но здесь, в данном конкретном случае, не все так просто и очевидно!
Применительно к фильтрам сетевого питания всегда нужно понимать, что и от чего мы защищаем.
Вариант 1. Фильтр сетевого питания служит для защиты устройства от помех, распространяемых по цепям питания.
Вариант 2. Или же мы защищаем сетевое питание от "грязного импульсного БП", который жутко гадит в сеть (и по шине заземления в том числе) широкополосными помехами и сводит с ума оборудование, которое будет подключено в рядом расположенную розетку.
Так вот применительно к данной ситуации мы имеем "вариант 2". Разработчики этого импульсного БП, зная его эксплуатационные особенности, позаботились о том, чтобы он не портил линию своего питания и не оказывал явного влияния на подключенное рядом оборудование.
Покажу вам еще одно интересное фото. Это разобранный импульсный БП фирмы Mean Well (ни клон, ни подделка, настоящий фирменный).
На этот раз ферритовые бусины стоят на помехоподавляющем X2-конденсаторе, который в большей степени отвечает за подавление дифференциальных помех.
И снова вопрос, на который у меня нет ответа. Уважаемый производитель что-то знает про работу этого БП, и без этих ферритовых бусин их импульсный БП работает хуже? Не проходит сертификацию по ЭМС? На всем ведь экономят и если бы они были не нужны - их бы не поставили. Зачем усложнять самим себе жизнь?
На что еще следует обратить пристальное внимание, кроме импеданса?
На частотный диапазон работы ферритового сердечника!
Он всегда указан в технической документации (datasheet).
Нужно понять, на каких частотах сосредоточен основной шум, с которым вы собираетесь бороться. От этого зависит марка применяемого феррита. И отсюда вытекает другое, весьма очевидное умозаключение: "если вы просто так взяли ферритовый сердечник, без маркировки не зная его технических характеристик и поставили его наобум в устройство, то это "шаманство", а не инженерный подход. Возможно, вам повезет и феррит окажется подходящей распространенной марки и случайно сделает свое дело, а если нет, то в лучшем случае эффекта просто не будет, в худшем случае он может даже навредить.
Хочу показать вам еще одну интересную фотографию. Это фрагмент блока питания видеопроектора фирмы BenQ.
BenQ - это подразделение фирмы Acer и работают они уже 40 с лишним лет. Это на случай, если вдруг возникнут вопросы, что это еще за бренд.
Цепи основного питания проходят через два разных кольца, разнесенных по секциям на некотором расстоянии друг от друга.
Особенность данного включения - разный частотный диапазон!
Не стоит думать, что им не хватило одного кольца и разработчики решили поставить два.
Кольца разные, работающие на разном частотном диапазоне!
Встроенный в корпус импульсный БП имеет две функциональные части:
- первая - это балласт лампы, отдельный блок, который генерирует высокое напряжение (порядка 380 В) для "поджига" газоразрядной лампы и поддержания ее работы;
- вторая - это обычный импульсный БП, который формирует низковольтное напряжение, обеспечивающее питанием всю остальную периферию проектора.
Что получаем в итоге? Два разных импульсных БП совмещенных в единой конструкции и работающих на разных частотах. Для защиты и фильтрации имеем два разных ферритовых сердечника, рассчитанных на разный частотный диапазон. Разнесение колец на некотором расстоянии друг от друга сделано для того, чтобы исключить взаимовлияние электромагнитных полей (трансформаторная связь).
В завершение этой публикации я хочу показать вам еще пару фото, которые я отношу к категории "тайные знания", и которые сводят меня с ума как инженера.
На фотографии выше - фрагмент мощного импульсного БП. Мы видим диодный мост, установленный на радиатор охлаждения. Это обычный выпрямительный диодный мост, который выпрямляет сетевое напряжение до приблизительно 330 В и дальше питание передается на первичные цепи силового трансформатора.
Обратите внимание - ферритовые бусины размещены на всех выводах диодного моста кроме плюсового!
Вариант - на "плюс" не хватило не рассматриваем. Это сделано осмысленно! На две "переменки" и на "минус" - нужно, на "плюс" нет. Фантастика!!! Это продукция уважаемого бренда и этому должно быть объяснение, но об этом не пишут ни в одной общедоступной публикации!
А вот дальше.
Если присмотреться, то вы увидите что на выводах Gate (Затвор) - есть ферритовая бусина, Drain (Сток) - есть ферритовая бусина, а Source (Исток) - нет ферритовой бусины!
Могу ошибаться, но насколько мне известно, только затвор полевого транзистора здесь имеет радикальное отличие от остальных выводов.
Затвор - это управляющий элемент и именно там может или не может быть ферритовая бусина. Ключевые выводы стока и истока в большей степени равноправны между собой, поэтому они должны быть симметричной парой - либо у обоих выводов нет ферритовых бусин, либо у обоих есть. Здесь же концепция рушится! И похоже только разработчик знает, почему так...
Поэтому я и пишу, что это либо тайные знания, либо шаманство, хотя в первое я верю больше. Если знаете ответы на эти вопросы - научите! Расскажите!