I filtri passivi possono essere saturati in modo non convenzionale

Solitamente i filtri HF sono progettati utilizzando induttori con nuclei. In questo modo si ottiene un valore di induttanza medio/alto in componenti di piccole dimensioni. Ma l’utilizzo dei nuclei presenta una limitazione: il nucleo può essere saturato da correnti continue o a bassa frequenza. E a volte non solo le correnti possono saturare i nuclei.

Spiegherò una situazione che ho riscontrato alcuni anni fa mentre risolvevo un prodotto audio con problemi EMI: due altoparlanti da installare a soffitto con applicazione tipica a casa, hotel, uffici, ecc. (Figura 1).

Il prodotto audio era composto da due altoparlanti e un'unità elettronica contenente un amplificatore di potenza in classe D da 20 W.

Il progetto funzionava in laboratorio ma, una volta installato nella posizione finale (soffitto), il risultato era molto rumoroso. Mistero?

Cercando di capire il motivo del guasto ho notato una piccola differenza di 2": nell'installazione finale l'unità elettronica era installata sopra uno degli altoparlanti, ma in laboratorio l'unità elettronica era sopra un tavolo, lontano dalla zona superiore dell'altoparlante (Figura 2).

Per spiegare il motivo di questa differenza, ho costruito un prototipo.

Innanzitutto, devi sapere che gli amplificatori di classe D sono amplificatori switching e gli amplificatori switching sono generatori rumorosi e EMI. In genere sono una fonte di EMI irradiate nelle bande HF/VHF, soprattutto se vengono utilizzati cavi lunghi dall'amplificatore all'altoparlante.

I segnali EMI vengono solitamente ridotti con una sorta di filtro passa basso che funziona in modalità comune e differenziale.

Per il nostro prodotto è stato utilizzato un amplificatore di potenza monofonico in classe D Texas Instruments TPA3001. L'amplificatore era incluso in un piccolo PCB denominato PCB#1 nella Figura 3.

Il filtro passa basso è stato costruito attorno a C1-L1-C2, C3-L2-C4 e C5. Inoltre, sono state incluse due sfere di ferrite Fair−rite 2512067007Y3 (0,05 Ω DCR, 70 Ω @100 MHz, 3 A) per facilitare il superamento delle normative FCC/CE in frequenze superiori a 30 MHz.

L1 e L2 erano due induttori da 47uH TOKO 822LY-470K (0,17Ω DCR, SRF 6,5 MHz, 1,4 A)

Come mostrato nella Figura 3, parte del filtro passa basso è stata inclusa in un secondo PCB (PCB#2 nella Figura 3).

Ed ecco la sottile differenza: nell'installazione finale sia le induttanze L1 che quelle L2 sono posizionate vicino all'altoparlante, dove è presente un elevato campo magnetico. Vedere la Figura 4 (a sinistra) per capire come gli induttori ricevono le linee del campo magnetico dall'altoparlante. Nella Figura 4 (a destra), l'unità elettronica è sopra il tavolo e le linee del campo magnetico non arrivano agli induttori.

L'induttanza delle bobine è stata misurata con e senza eccitazione del campo magnetico. L'induttanza è cambiata da 47uH (valore nominale senza campo magnetico CC esterno) a 7uH mentre si trovava sopra l'altoparlante. Questa è una situazione simile alla saturazione perché la corrente continua o a bassa frequenza attraversa l'induttore.

È stata misurata la risposta del filtro e i risultati sono visualizzati nella Figura 5. Il rapporto Vout/Vin è stato misurato con e senza l'altoparlante sopra gli induttori. Circa 12 dB più alta è la risposta del filtro nella gamma 250kHz-10MHz per il caso saturo (notare la pericolosa risposta di sottosmorzamento del filtro).

Infine, la corrente di modo comune nel cavo degli altoparlanti è stata misurata nell'intervallo 1 MHz-50 MHz quando all'ingresso dell'amplificatore è stato applicato un tono di 1 kHz (Figura 6). Notare la differenza nella gamma HF dello spettro.

Il mio ultimo consiglio: quando si progettano filtri EMI con induttori, è necessaria un'attenzione particolare alla saturazione del nucleo non solo da correnti CC o a bassa frequenza, ma anche da campi magnetici esterni provenienti da altoparlanti, trasformatori e altre fonti inaspettate. I nuclei toroidali o la separazione da tali fonti sono soluzioni comuni.

Arturo Mediano ha conseguito il M.Sc. (1990) e il dottorato (1997) in Ingegneria Elettrica presso l'Università di Saragozza (Spagna), dove ha tenuto una cattedra in EMI/EMC/RF/SI dal 1992. Dal 1990, è stato coinvolto in ricerca e sviluppo progetti in ambito EMI/EMC/SI/RF per le comunicazioni, l'industria e le applicazioni scientifico/mediche con una solida esperienza nella formazione, consulenza e risoluzione dei problemi per aziende in Spagna, USA, Svizzera, Francia, UK, Italia, Belgio, Germania, Canada, Paesi Bassi, Portogallo e Singapore. È il fondatore di The HF-Magic Lab®, un laboratorio specializzato per la progettazione, la diagnostica, la risoluzione dei problemi e la formazione nei campi EMI/EMC/SI e RF presso I3A (Università di Saragozza), e dal 2011 è istruttore per Besser Associates (CA, USA) offre corsi pubblici e in loco su argomenti EMI/EMC/SI/RF negli Stati Uniti, in particolare nella Silicon Valley/San Francisco Bay Area. È Senior Member dell'IEEE, membro attivo dal 1999 (Chair 2013-2016) del Technical Committee MTT-17 (HF/VHF/UHF) della Microwave Theory and Techniques Society e membro della Electromagnetic Compatibility Society. Arturo può essere raggiunto a [email protected]. Web: www.cartone animatotronics.com.