Nuestro equipo especializado luego de ciertos días de investigación y de recopilar de datos, hallamos la solución, esperamos que todo este artículo sea de utilidad para tu plan.
Solución:
Estás convirtiendo dos cosas completamente diferentes en una. Hay dos fenómenos completamente separados, uno de los cuales es el ruido de conmutación y el otro, el timbre. No tienen relación entre sí y son causados por cosas muy diferentes. El ruido resultante también es muy diferente.
Primero, hablemos de lo que vinculó, el amortiguador del transformador. Esto no afectará en absoluto al ruido de conmutación y no se pretende que lo haga. Los amortiguadores hacen una cosa: eliminar el timbre. Están diseñados con una sola frecuencia específica en mente, y nada más. Esto se debe a que el timbre, por naturaleza, será una frecuencia específica.
Parte I: Toca mi campana
con apariciones de invitados por inductancia y capacitancia
¿Qué está sonando? ¡Es realmente un timbre normal, mundano y familiar! Como lo que hacen las campanas cuando las golpeas. O como golpear un diapasón contra la mesa. Ese tipo de timbre. No hay un significado especial para la palabra sonar en el contexto de la electrónica. Literalmente está sonando. Si golpea un diapasón afinado en una nota A de cuarta octava, vibrará (sonará) en esa nota, 440Hz. Esto se debe a que 440Hz es la frecuencia de resonancia de ese diapasón y actúa como un oscilador mecánico de alta q, también conocido como resonador. Las pérdidas internas disipan lentamente la energía mecánica en la horquilla en forma de calor, pero puede llevar muchos segundos.
La resonancia electromagnética no es diferente. Es lo mismo en un medio diferente. En lugar de que la energía cinética se mueva hacia adelante y hacia atrás en un diapasón, su energía se almacena y se libera en campos eléctricos y magnéticos.
Hagamos una pausa por un momento y aclaremos qué son los condensadores y los inductores. Son objetos optimizados para poseer inductancia o capacitancia, pero esas dos cosas son propiedades que todas las cosas poseer. Y eso se debe a lo que realmente miden esas propiedades.
La inductancia se refiere a la cantidad de energía que se almacenará en un campo magnético, mientras que la capacitancia se refiere a la cantidad de energía que se almacenará en un campo eléctrico. Dos cosas cualesquiera a diferentes potenciales (o hay un voltaje entre ellas, siendo el voltaje la fuerza electromotriz) tendrán un campo electrostático entre ellas, y hay energía almacenada en ese campo. Del mismo modo, siempre que haya corriente fluyendo (la corriente es la fuerza magnetomotriz), esto creará un campo magnético y también habrá energía almacenada en ese campo.
El timbre electromagnético es energía almacenada que se mueve entre los dos y se almacena alternativamente en un campo magnético y luego en un campo eléctrico. Un capacitor que tiene energía almacenada en el dieléctrico entre sus dos placas, cuando se cierra un circuito entre las placas, esto va a convertir la energía almacenada de su campo eléctrico en corriente, y se elevará tanto como sea necesario para causar un igual cantidad de energía que se almacenará en la inductancia de la ruta de corriente entre las dos placas. Esto supone un condensador superconductor mágico y cables, sin resistencia. Simplemente ignore la resistencia por ahora.
Ahora, toda la energía del campo eléctrico se ha convertido en energía en un campo magnético, pero eso significa que no hay EMF o voltaje para mantener el flujo de corriente. El campo magnético almacenado, a través de la inducción electromagnética, hará que se genere voltaje (EMF) a medida que la corriente comience a cambiar, creciendo cada vez menos. Esto convierte la energía almacenada magnéticamente nuevamente en potencial, que luego fluye de regreso al capacitor para ser almacenada en su campo eléctrico, y ahora estamos de regreso donde comenzamos. En el caso de nuestro condensador superconductor mágico y cable con una pequeña cantidad de inductancia, esta secuencia continuará indefinidamente, a una frecuencia resonante. Energía chapoteando de un lado a otro entre un campo eléctrico y un campo magnético. Es como un diapasón que vibra hacia adelante y hacia atrás.
Dado que la inductancia y la capacitancia son propiedades fundamentales, siempre que haya una cantidad significativa de energía en movimiento, puede sonar. Diseño convertidores CC / CC de gama alta que están orientados hacia la mayor densidad de energía posible. Más de 400W / cm3. Y uno de los mayores dolores de cabeza con los que me enfrento es el timbre. No de un gran devanado de transformador antiguo y capacitancia de recuperación de diodo. Desde 900 picohenries de inductancia de un espacio de 1 mm entre dos MOSFET QFN de 3×3 mm que resuenan con unos cientos de picofaradios de capacitancia de salida en los MOSFET. Esta es a menudo la mayor fuente de pérdidas en el circuito. No es broma. Alguna cantidad absurda de inductancia de un pequeño bucle de corriente y algo de capacitancia pésima. Suena el timbre. La frecuencia de resonancia es como estoy seguro que ya sabes,
$$ frac 1 2 pi sqrt LC $$
El devanado de un secundario puede ser decenas o centenas de milhenrios o más, y los rectificadores pueden tener docenas de picofaradios de capacitancia que podrían resultar en un tanque resonante que oscile en cientos de khz cientos de MHz, lo que irradiará una EMI sustancial. Un amortiguador está sintonizado para combatir esta frecuencia resonante y disiparla como calor con un elemento resistivo, mientras que tiene una impedancia demasiado alta para las frecuencias más bajas para disipar cualquier cantidad apreciable de energía (que simplemente quemaría energía sin ninguna razón). Un amortiguador es realmente solo una resistencia y un condensador en serie en cortocircuito a tierra (o a través de las líneas, en el caso de nuestro secundario de transformador de CA). El condensador es lo suficientemente pequeño como para tener una impedancia muy alta a 60 Hz, pero una impedancia muy baja a la frecuencia de llamada que queremos eliminar. Esto hace que esta alta frecuencia vea el condensador como un corto, por lo que solo se ve la resistencia de la resistencia al timbre. Básicamente, hemos puesto una resistencia en serie con nuestro ejemplo de superconducción mágica de antes, y en lugar de que el ciclo se repita hasta la saciedad, esa energía almacenada simplemente se elimina como calor por la resistencia en lugar de almacenarse en campos magnéticos o eléctricos. El amortiguador es como una almohada o un silenciador que presionamos contra nuestro diapasón.
Entonces, todo eso es algo propio completamente separado del ruido de conmutación. Además, debo señalar que no hay nada especial en los diodos en nada de eso, es simplemente que los diodos tienen alguna capacitancia que puede resonar con el secundario del transformador e irradiar EMI a esa frecuencia. Un condensador a través de las líneas no evitará esto, pero reducirá la frecuencia lo suficiente como para que ya no importe. No hay mucho con lo que pueda meterse una onda sinusoidal de 10 kHz. 90MHz sin embargo, y estás en la tierra de la radio FM. Radio AM a cientos de kHz. Entiendes la idea.
Puede ser difícil ver el timbre en un osciloscopio, se superpondrá a la onda sinusoidal de CA y será bastante pequeño en amplitud comparativamente, y varios órdenes de magnitud más rápido que la onda sinusoidal. Por lo general, es mejor usar un analizador de espectro. Cualquier timbre será un pico muy agudo y notable. También es más fácil detectarlo a partir de la radiación que el flujo de corriente real, nuevamente debido a que está superpuesto a esa onda sinusoidal de 60Hz. Si es lo suficientemente fuerte, los SDR (radios definidos por software, como los dongles USB DVB-TV compatibles con RTL-SDR de $ 20) le permitirán ver los picos de frecuencia de llamada bastante bien. Si está en su rango de frecuencia.
Parte II – Cambio de ruido
la armónica del diablo
El otro tipo de ruido que pueden causar ciertos tipos de diodos (entre otras cosas) es el ruido de conmutación. Esto tampoco se debe de ninguna manera a algo único con los diodos. Es universal. No voy a mentir, esto va a ser difícil. Es una verdadera mierda de mente.
Una onda sinusoidal es la única onda. Todas las ondas, de cualquier tipo, son ondas sinusoidales. Todos ellos. Sin excepción. Las cosas que llamamos ondas cuadradas, ondas de dientes de sierra, etc., no son ondas. No existen de forma singular. Una onda cuadrada, por ejemplo, es una forma de onda, hecha de una gran cantidad de ondas sinusoidales, todas oscilando simultáneamente y sumadas (superpuestas), y el resultado parece una onda cuadrada. Pero eso es puramente superficial. Todas las formas de onda son en realidad muchas ondas sinusoidales sumadas y tienen una naturaleza mucho más compleja acechando debajo. De hecho, la única vez que algo no está hecho de un montón de ondas sinusoidales es cuando tienes un solo tono de onda sinusoidal pura. Una nota pura. Todo lo demás es un desastre.
Esto se debe a que las ondas sinusoidales son la única forma de onda que es verdaderamente continua. Así que este es el único bloque de construcción que existe. La misma onda cuadrada que mencioné anteriormente está hecha de una frecuencia fundamental, que es la frecuencia de la onda cuadrada, más armónicos de orden impar de banda ancha. Un armónico es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Los armónicos de orden impar son sólo los múltiplos impares. Una onda cuadrada a 100 kHz en realidad está formada por una onda sinusoidal de 100 kHz y una de 300 kHz, 500 kHz, 700 kHz … así sucesivamente hasta los cientos de MHz hasta incluso GHz, dependiendo. Todo sumado, con amplitud decreciente a medida que aumenta la frecuencia. Esto alcanzará un límite finito proporcional al tiempo de subida.
A true La onda cuadrada, que tiene un tiempo de subida infinito, tendría infinitos armónicos de orden impar. Por supuesto, no existe tal cosa, por lo que hay un límite finito para los armónicos, determinado por qué tan alta se necesita una frecuencia para un tiempo de aumento dado.
El problema es que estos armónicos no se combinan perfectamente para crear una forma de onda. No lo hacen en absoluto. Y puedes ver los efectos fácilmente. Cualquier forma de onda que tenga algún tipo de discontinuidad exhibirá lo que se llama Fenómeno de Gibb cerca de esas discontinuidades. En estos puntos, el true La naturaleza armónica de la forma de onda se materializará repentinamente y levantará su fea cabeza, y el contenido armónico de banda ancha literalmente saldrá de una onda cuadrada, monstruosidades aterradoras que parecen solo desvanecerse, pero no sin darse a conocer. Un cambio es una discontinuidad intencional. Cuanto más rápido sea el dV / dt (tiempo de subida / bajada) de un interruptor, ya sea un diodo, un MOSFET o un contacto de relé, más aguda será la discontinuidad y más armónicos a mayores amplitudes serán eliminados por la forma de onda de conmutación en las esquinas. Por eso los conmutadores son ruidosos, porque lo son. Producen enormes cantidades de ruido de banda ultraancha y se pueden acoplar a casi cualquier cosa. Tiene capacitancia de todas partes a todas partes y felizmente se moverá a través de cualquiera de ellas. Se mezclará a través de reflejos y desfase produciendo frecuencias de ritmo, y hará que los gatitos lloren lágrimas tristes. La conmutación digital, como en un microcontrolador o CPU, es aún peor, tendrá armónicos hasta el final del rango de ondas milimétricas. Este gif demuestra bien el fenómeno de Gibb, la discontinuidad está fuera de curso donde el tiempo de subida comienza y termina repentinamente, o las ‘esquinas’ de la onda cuadrada. 
Por lo tanto, cada vez que cambie, obtendrá picos de alta frecuencia y armónicos, proporcionales a la velocidad a la que cambia. La única forma de reducirlo es suavizando la discontinuidad (ralentizando el cambio de dV / dt) o simplemente disipándola usando una resistencia dependiente de la frecuencia (una perla de ferrita). Lidiar con ese ruido no es fácil, ni el ruido en sí es trivial o ignorable. Evitar que se acople a otras cosas en las que no desea que se acople es difícil, ya que se puede acoplar cualquier impedancia compartida. Pero yo divago. Hay un libro completo dedicado SOLO a tratar con lo que es, en última instancia, el ruido de conmutación. Lo verá fácilmente en un convertidor de conmutación, solo mire el nodo de conmutación en su osciloscopio. No te lo puedes perder. Y no es bonito. Sin embargo, los diodos rectificadores utilizados para 60Hz … eso no vale la pena llamar conmutación. Cualquier ruido de los armónicos será insignificante, por lo que no se puede ver nada. No hay nada que ver, excepto tal vez una pequeña cantidad de timbre superpuesto en la forma de onda de 60Hz a frecuencias mucho más altas.
Si Art of Electronics es la biblia de la electrónica, es solo el antiguo testamento. Aquí está el nuevo testamento, la otra mitad de la Biblia EE.
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