التدريع الكهروستاتيكي لتبديل محولات الطاقة

أحد أكثر المواصفات تحديًا في تصميم محولات الطاقة هو تقليل تيار RFI (تداخل ترددات الراديو) الذي يتم إجراؤه في الوضع الشائع إلى مستوى مقبول. يحدث هذا الضجيج بشكل رئيسي بسبب الكهرباء الساكنة الطفيلية والاقتران الكهرومغناطيسي بين مكونات تبديل الطاقة والمستوى الأرضي. قد يتكون المستوى الأرضي من هيكل أو خزانة أو سلك أرضي، اعتمادًا على نوع المعدات الإلكترونية.

 

يجب على مصممي محولات الطاقة مراجعة التصميم بالكامل بدقة، وتحديد المناطق المعرضة لمثل هذه المشكلات، وتنفيذ تدابير الحماية المناسبة أثناء مرحلة التصميم. غالبًا ما يكون تصحيح تصميم RFI غير المناسب في مراحل لاحقة أمرًا صعبًا.

 

في معظم التطبيقات، يكون التدريع الكهروستاتيكي ضروريًا حيثما يمكن أن تقترن أشكال موجة التحويل عالية التردد والجهد العالي بالمستوى الأرضي أو الإخراج الثانوي. يعد هذا مهمًا بشكل خاص عندما يتم تركيب ترانزستورات الطاقة وثنائيات المقوم على المشتتات الحرارية التي تتصل بالهيكل الرئيسي. بالإضافة إلى ذلك، قد تؤدي المجالات المغناطيسية والاقتران السعوي إلى حدوث ضوضاء في المكونات أو الخطوط التي تحمل تيارات نبضية كبيرة. تشمل مجالات المشاكل المحتملة مقوم الإخراج، ومكثف الإخراج المثبت على الهيكل، والاقتران السعوي بين محول التحويل الرئيسي والثانوي والأساسي، بالإضافة إلى محولات القيادة أو التحكم الأخرى.

 

عندما يتم تركيب المكونات على المشتتات الحرارية المتصلة حراريًا بالهيكل، يمكن تخفيف الاقتران السعوي غير المرغوب فيه عن طريق وضع درع إلكتروستاتيكي بين المكون المتداخل والمشتت الحراري. يجب أن يكون هذا الدرع، المصنوع عادةً من النحاس، معزولًا عن كل من المشتت الحراري والمكون (على سبيل المثال، الترانزستور أو الصمام الثنائي). فهو يحجب تيارات التيار المتردد المقترنة بالسعة، والتي يتم توجيهها بعد ذلك إلى نقطة مرجعية مناسبة في دائرة الإدخال. بالنسبة للمكونات الأساسية، تكون هذه النقطة المرجعية عادةً هي الطرف السالب المشترك لخط إمداد طاقة التيار المستمر، بالقرب من جهاز التبديل. بالنسبة للمكونات الثانوية، تكون النقطة المرجعية عادةً هي الطرف المشترك حيث يتدفق التيار عائداً إلى الجانب الثانوي للمحول.

 

يقوم ترانزستور طاقة التبديل الأساسي بتوليد أشكال موجية نبضية عالية الجهد وعالية التردد. وبدون الحماية الكافية بين علبة الترانزستور والهيكل، يمكن لتيارات الضوضاء الكبيرة أن تقترن من خلال السعة بينهما. يقوم الدرع النحاسي الموجود في الدائرة بحقن أي تيار كبير في المشتت الحراري عبر السعة. يحافظ المشتت الحراري بدوره على جهد تيار متردد صغير نسبيًا عالي التردد فيما يتعلق بالهيكل أو الطائرة الأرضية. يجب على المصممين تحديد مناطق المشاكل المماثلة وتطبيق الحماية عند الضرورة.

 

لمنع تيارات التردد الراديوي من التدفق بين اللفات الأولية والثانوية أو بين درع الأمان الأولي والمؤرض، تتضمن محولات التبديل الرئيسية عادةً درع RFI الكهروستاتيكي على الملف الأولي على الأقل. في بعض الحالات، قد تكون هناك حاجة إلى درع أمان إضافي بين اللفات الأولية والثانوية. تختلف دروع RFI الكهروستاتيكية عن دروع الأمان في بنائها وموقعها واتصالها. تتطلب معايير السلامة أن يكون درع الأمان متصلاً بالسطح الأرضي أو الهيكل، في حين أن درع RFI عادةً ما يكون متصلاً بدائرة الإدخال أو الإخراج. إن دروع EMI والكتل الطرفية، المصنوعة من صفائح نحاسية رقيقة، تحمل تيارات صغيرة فقط. ومع ذلك، ولأسباب تتعلق بالسلامة، يجب أن يتحمل درع الأمان ثلاثة أضعاف التيار المقنن لمصهر الطاقة على الأقل.

 

في محولات الطاقة غير المتصلة بالإنترنت، يتم وضع درع RFI بالقرب من اللفات الأولية والثانوية، بينما يقع درع الأمان بين دروع RFI. إذا لم تكن هناك حاجة إلى درع RFI ثانوي، يتم وضع درع الأمان بين درع RFI الأساسي وأي ملفات خرج. لضمان العزل المناسب، غالبًا ما يتم عزل درع RFI الأساسي عن خط طاقة الإدخال عبر مكثف متسلسل، عادةً ما يتم تصنيفه عند 0.01 μF.

 

يتم استخدام درع RFI الثانوي فقط عندما يكون الحد الأقصى لقمع الضوضاء مطلوبًا أو عندما يكون جهد الخرج مرتفعًا. يتصل هذا الدرع بالطرف المشترك لخط الإخراج. يجب تطبيق درع المحولات بشكل مقتصد، لأنه يزيد من ارتفاع المكون وأبعاد الملف، مما يؤدي إلى ارتفاع محاثة التسرب وتدهور الأداء.

 

 

يمكن أن تكون تيارات حلقة الدرع عالية التردد مهمة أثناء تبديل العابرين. لمنع الاقتران بالجانب الثانوي أثناء التشغيل العادي للمحول، يجب أن تكون نقطة توصيل الدرع في مركزه، وليس في حوافه. يضمن هذا الترتيب أن تيارات حلقة الدرع المقترنة سعوية تتدفق في اتجاهين متعاكسين على كل نصف الدرع، مما يزيل تأثيرات الاقتران الحثية. بالإضافة إلى ذلك، يجب عزل أطراف الدرع عن بعضها البعض لتجنب تشكيل حلقة مغلقة.

 

بالنسبة لمخرجات الجهد العالي، يمكن تركيب درع RFI بين ثنائيات مقوم الإخراج والمشتتات الحرارية الخاصة بها. بالنسبة للجهود الثانوية المنخفضة، مثل 12 فولت أو أقل، تكون دروع RFI للمحولات الثانوية ودروع المقوم غير ضرورية بشكل عام. في مثل هذه الحالات، يمكن أن يؤدي وضع خانق مرشح الخرج في الدائرة إلى عزل المشتت الحراري للصمام الثنائي عن جهد التردد اللاسلكي، مما يلغي الحاجة إلى الحماية. إذا كانت المشتتات الحرارية للصمام الثنائي والترانزستور معزولة تمامًا عن الهيكل (على سبيل المثال، عند تركيبها على PCB)، فغالبًا ما يكون التدريع الكهروستاتيكي غير ضروري.

 

غالبًا ما تحتوي محولات ارتداد الفريت والمحاثات عالية التردد على فجوات هوائية كبيرة في المسار المغناطيسي للتحكم في التحريض أو منع التشبع. يمكن لهذه الفجوات الهوائية تخزين قدر كبير من الطاقة، وإشعاع المجالات الكهرومغناطيسية (EMI) ما لم تكن محمية بشكل مناسب. يمكن أن يتداخل هذا الإشعاع مع محول الطاقة أو المعدات القريبة وقد يتجاوز معايير EMI المشعة.

 

يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي الصادر عن الفجوات الهوائية أعظم عندما يكون القلب الخارجي ذو فجوات أو عندما يتم توزيع الفجوات بالتساوي بين القطبين. يمكن أن يؤدي تركيز فجوة الهواء في القطب الأوسط إلى تقليل الإشعاع بمقدار 6 ديسيبل أو أكثر. من الممكن إجراء مزيد من التخفيض باستخدام قلب وعاء مغلق بالكامل يعمل على تركيز الفجوة في القطب الأوسط، على الرغم من أن قلوب الوعاء نادرًا ما تستخدم في التطبيقات غير المتصلة بالإنترنت بسبب متطلبات مسافة الزحف عند الفولتية الأعلى.

 

بالنسبة للقلوب التي بها فجوات حول الأقطاب المحيطة، يمكن للدرع النحاسي المحيط بالمحول أن يخفف الإشعاع بشكل كبير. يجب أن يشكل هذا الدرع حلقة مغلقة حول المحول، تتمركز حول فجوة الهواء، وتكون حوالي 30% من عرض بكرة اللف. لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة، يجب أن يكون سمك النحاس على الأقل 0.01 بوصة.

 

في حين أن التدريع فعال، فإنه يقدم خسائر التيار الدوامي، مما يقلل من الكفاءة الإجمالية. بالنسبة لفجوات الهواء المحيطية، يمكن أن تصل خسائر الدرع إلى 1% من طاقة الإخراج المقدرة للجهاز. على النقيض من ذلك، تتسبب فجوات القطب الأوسط في الحد الأدنى من خسائر الدرع ولكنها لا تزال تقلل من الكفاءة بسبب زيادة خسائر اللف. ولذلك ينبغي استخدام التدريع فقط عند الضرورة. في كثير من الحالات، يكون وضع مصدر الطاقة أو الجهاز في غلاف معدني كافيًا للوفاء بمعايير EMI. ومع ذلك، في الأجهزة الطرفية لعرض الفيديو، غالبًا ما يكون تدريع المحولات مطلوبًا لمنع التداخل الكهرومغناطيسي مع شعاع الإلكترون CRT.

 

يمكن تبديد الحرارة الإضافية المتولدة في الدرع النحاسي عبر المشتت الحراري أو إعادة توجيهها إلى الهيكل للحفاظ على استقرار التشغيل.