Tłumienie hałasu akustycznego w zasilaczach impulsowych

Kiedy siedzimy w samochodzie, dźwięk silnika wydaje się nam czymś zupełnie naturalnym. W komorze silnika znajduje się przecież maszyna z ruchomymi częściami. Dla niektórych dźwięk ten jest nawet przyjemny. Tak naprawdę, w fabrykach samochodów i innych urządzeń całe zespoły badawcze zajmują się tworzeniem i udoskonalaniem przyjemnych dla ucha doświadczeń dźwiękowych.

Jednak w przypadku zasilaczy impulsowych (SMPS) sytuacja wygląda inaczej. Dźwięki takie jak brzęczenie czy piszczenie mogą być odbierane nawet jako sygnał ostrzegawczy. Chociaż zasilacze składają się z dużej liczby części elektronicznych, to kiedy są włączone, żadna z tych części nie powinna się ruszać. Dlatego też zasilacz nie powinien wydawać żadnych dźwięków, prawda?

Najczęściej niepokojące szumy, dochodzące z zasilaczy prądu zmiennego, są szumami o niskiej częstotliwości 100 lub 120Hz. W miarę jak struktura zasilaczy stawała się coraz bardziej złożona, zmieniał się również zakres emitowanych przez nie fal dźwiękowych. Jednak większość słyszalnych dźwięków nie powinna wzbudzać niepokoju.

Postrzeganie a skutek

Człowiek jest wstanie usłyszeć fale dźwiękowe w zakresie częstotliwości od 16Hz do około 20kHz (ilustracja 1). Jednak to, czy dany dźwięk powoduje rozproszenie uwagi lub irytację, zależy również od tego, jak odbieramy go w środowisku, w którym jest generowany.

Ilustracja 1: zakres częstotliwości słyszalnych przez ludzkie ucho. (Źródło ilustracji: TRACO)

Hałas generowany przez zasilacz przemysłowy prawdopodobnie nie będzie odczytywany jako coś niepokojącego, ponieważ większość osób będzie odbierać ten dźwięk w kontekście innych odgłosów w tle - będzie to dla nich jeden z elementów składowych procesów produkcyjnych w fabryce. Inne hałasy, dzięki swojej częstotliwości i głośności, mogą również maskować częstotliwości generowane przez zasilacz - jest to efekt badany w psychoakustyce i wykorzystywany do kompresji dźwięku w formacie MP3. Takie zasilacze są również zazwyczaj montowane w zamykanych tablicach sterujących, ponieważ zamknięcie drzwi umożliwia tłumienie wszelkich generowanych dźwięków.

W innym otoczeniu, np. w biurze, reakcja na szum zasilacza będzie zupełnie inna. Zwykle postrzegamy piszczenie lub brzęczenie dochodzące z urządzenia elektrycznego jako coś nieprzyjemnego. Dźwięki te mogą nawet budzić obawy odnośnie do bezpieczeństwa urządzenia.

Przyczyny powstawania szumów i ich pochodzenie

Pola magnetyczne

Jeśli przewodnik prądu znajduje się w polu magnetycznym, to generalnie oddziałuje na niego siła. Działanie tej siły jest największe, gdy kierunki prądu i pola magnetycznego tworzą kąt 90°. W takich przypadkach oddziałująca siła jest prostopadła względem przepływu prądu i kierunku linii pola magnetycznego. Przy pomocy trzech palców prawej dłoni można określić kierunek tej siły, korzystając z reguły prawej ręki (ilustracja 2).

Ilustracja 2: reguła prawej/lewej ręki. (Źródło obrazu: TRACO)

W przypadku transformatorów i niektórych cewek indukcyjnych, w żelaznym rdzeniu może wystąpić zjawisko znane jako magnetostrykcja, odkryte po raz pierwszy przez Jamesa Joule'a w 1842 roku. Powoduje ono zmianę kształtu lub wymiarów materiałów ferromagnetycznych podczas procesu namagnesowania, który jest wynikiem przepływu prądu przez przewodnik danego elementu. Te drobne zmiany w objętości materiału prowadzą nie tylko do wzrostu temperatury w wyniku tarcia, ale także często do generowania słyszalnych szumów.

W transformatorach często wykorzystuje się stal krzemową o zmiennej zawartości krzemu, która pomaga zwiększyć opór elektryczny żelaza. Stal krzemowa zawierająca 6% krzemu zapewnia optymalną redukcję magnetostrykcji, ale niestety kosztem większej kruchości.

Zjawisko piezoelektryczne

Kolejna przyczyna hałasu wynika ze zjawiska piezoelektrycznego. Słowo „piezo” pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „naciskać”. W 1880 roku Jacques i Pierre Curie odkryli, że naprężenie w różnych kryształach, takich jak kwarc, generuje ładunek elektryczny. Nazwali to zjawisko „piezoelektrycznością” (ilustracja 3). Następnie zauważyli, że pola elektryczne mogą zmieniać kształt materiałów piezoelektrycznych. Jest to odwrotne zjawisko piezoelektryczne.

Ilustracja 3: zjawisko piezoelektryczne przedstawione na przykładzie kwarcu. (Źródło obrazu: TRACO)

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne powoduje zmianę długości materiałów przy przyłożeniu napięcia elektrycznego. Taki efekt aktuatora przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. Zmiany napięcia zmieniają również masę geometryczną kondensatorów ceramicznych, w wyniku czego działają one jak maleńkie głośniki emitujące w przestrzeń fale ciśnienia.

Topologie z przełącznikami i pętle sprzężenia zwrotnego

Dążenie do coraz bardziej efektywnej konwersji mocy oznacza, że nawet najprostsze produkty zasilające będą się charakteryzowały topologią z przełącznikiem. Częstotliwość przełączania w takich urządzeniach jest często ustalana tak, aby znajdowała się powyżej granicy ludzkiej percepcji (>20kHz). Jednakże w rozwiązaniach opartych na przełączaniu, które wykorzystują częstotliwość przełączania, żeby dostosować się do zmieniającego się obciążenia i napięcia na wejściu, może ona spaść do zakresu słyszalnego przez człowieka, aby utrzymać optymalną wydajność konwersji.

W rozwiązaniach o stałej częstotliwości, funkcje takie jak pomijanie cykli lub praca w trybie impulsowym, mogą powodować przełączanie w zakresie słyszalnym, mimo że sama częstotliwość przełączania znajduje się powyżej 20kHz. Jeśli wyświetlają się regularne impulsy przełączające, które przerywane są w nieregularny sposób okresami przynajmniej dwóch pominiętych impulsów, może to wskazywać na problemy z obwodem sprzężenia zwrotnego (ilustracja 4). W tym miejscu warto zapoznać się z elementami obwodów sprzężenia zwrotnego i rejonem pracy transoptorów.

Ilustracja 4: w projektach wykorzystujących przełączanie o stałej częstotliwości, problemy z obwodem sprzężenia zwrotnego mogą prowadzić do nieregularnych okresów, w których nie są wysyłane żadne impulsy (dolny wykres). (Źródło obrazu: TRACO)

Identyfikowanie i rozwiązywanie problemów związanych z hałasem akustycznym

Jako że zasilacze impulsowe są coraz bardziej kompaktowe, co spowodowane jest dążeniem do coraz większych gęstości mocy, dokładne określenie, który element jest źródłem słyszalnego hałasu, może być niezwykle trudne. Przy założeniu, że z punktu widzenia elektroniki konstrukcja jest prawidłowa, jedną z dostępnych metod rozwiązania problemu jest wykorzystanie nieprzewodzącego przedmiotu, takiego jak drewniana pałeczka, i lekkie naciskanie poszczególnych elementów na płytce drukowanej podczas pracy urządzenia. Dobrym punktem wyjścia mogą być zmiany hałasu lub zmniejszenie poziomu ich głośności, szczególnie w głównych komponentach, takich jak urządzenia ceramiczne lub magnetyczne.

W przypadku braku bezpiecznego nieprzewodzącego próbnika można po prostu wykorzystać trąbkę zrobioną z kartki papieru. Wystarczy zwinąć ją w stożek i skierować mniejszy otwór w stronę elementów, które podejrzewamy o generowanie hałasu.

Okazuje się, że ceramiczne kondensatory, które podlegają wysokim wahaniom dv/dt, często generują szumy oraz występują w układach poziomujących i obwodach ograniczających, jak również w stopniach wyjściowych. Aby sprawdzić, czy są one źródłem hałasu, można je zastąpić kondensatorami z alternatywnymi izolatorami elektrycznymi, takimi jak folie metalizowane, lub zwiększyć rezystancję szeregową (ilustracja 5). Jeśli poziom hałasu akustycznego zmniejszy się, warto rozważyć wymianę elementu na stałe.

Ilustracja 5: kondensator w obwodzie ograniczającym można wymienić na kondensator z folią metalizowaną. Inną możliwością jest zastosowanie większej rezystancji. (Źródło obrazu: TRACO)

Może również pomóc wprowadzenie zmian do układów poziomujących tak, aby wykorzystywały diody Zenera. Problematyczne kondensatory wyjściowe można wymienić na wykorzystujące inne izolatory elektryczne lub zastąpić je kondensatorami ceramicznymi w połączeniu równoległym o równoważnej wartości, jeśli mamy wystarczająco dużo miejsca.

Jeśli źródłem hałasu są elementy magnetyczne, należy najpierw upewnić się, że napięcie na wejściu i obciążenie na wyjściu znajdują się w określonym zakresie. Jeśli napięcie na wejściu czasami zbyt mocno spada, pomocne może być zwiększenie pojemności po stronie wejściowej. Lakierowanie zanurzeniowe transformatorów oraz lakierowanie zanurzeniowe i wypełnianie żywicą cewek indukcyjnych to jedna z metod redukcji szumów. Transformatory zawierające długi rdzeń mają tendencję do silniejszego rezonowania niż transformatory o krótkich rdzeniach. Jeśli to możliwe, należy rozważyć wymianę rdzenia na krótszy, który będzie mógł jednak pomieścić wymaganą liczbę uzwojeń.

Należy pamiętać, że w przypadku wszystkich wymienionych metod z dużym prawdopodobieństwem będzie trzeba powtarzać proces weryfikacji i testy produkcyjne.

Podsumowanie

Za generowanie hałasu przez zasilacze odpowiedzialne są przede wszystkim oddziaływania siły przewodników prądu na pola magnetyczne oraz odwrotne zjawisko piezoelektryczne w kondensatorach. Pomimo postępów w symulacjach, hałas akustyczny jest zazwyczaj zauważalny dopiero po fizycznej realizacji projektu, a czasami dopiero po przygotowaniu pewnej liczby zasilaczy do procesu przedprodukcyjnego.

Chociaż większość dźwięków wydawanych przez zasilacze powinna budzić jedynie niewielkie obawy, jeśli chodzi o funkcjonalność i bezpieczeństwo, to mogą być one irytujące, a nawet postrzegane przez klientów jako problem związany z niską jakością produktu. Postępując zgodnie z podanymi powyżej prostymi wskazówkami, można szybko zidentyfikować elementy, które są źródłem hałasu i przy pomocy zaproponowanych metod wymienić je, ponownie przymocować lub zamienić na inne w celu zminimalizowania lub całkowitego wyeliminowania generowanych dźwięków.