Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Rzadko zadawane pytania - jak ustrzec się EMI w systemach oświetlenia LED

ghost666 02 Jul 2021 17:08 1182 1
Optex
  • Rzadko zadawane pytania - jak ustrzec się EMI w systemach oświetlenia LED
    Pytanie: Jak mogę zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne, używając sterowników LED w projektowaniu oświetlenia?

    Odpowiedź: Użyj zasilacza z rodziny Silent Switcher firmy Analog Devices.

    Prawie wszystkie współczesne aplikacje oświetleniowe wykorzystują diody LED. W stosunkowo krótkim czasie stały się one preferowanym źródłem światła w wielu sektorach elektroniki. Jednak w większości zastosowań dioda LED nie może samodzielnie spełnić swojej funkcji. Diody te muszą być zasilane odpowiednim źródłem zasilania. Taki obwód powinien naturalnie osiągać jak najwyższą sprawność energetyczną, aby zmniejszyć zużycie energii; dlatego też w tym zastosowaniu używa się głównie zasilaczy impulsowych.

    W przypadku wszystkich zasilaczy, niezależnie od typu, należy wziąć pod uwagę tzw. kompatybilność elektromagnetyczną, czyli zgodność z normami opisującymi emisję przewodzonych i emitowanych zakłóceń elektromagnetycznych. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku ekonomicznych świateł LED. Z biegiem czasu ustalono różne standardy pomiaru, oceny i dokumentacji zakłóceń generowanych przez oświetlenie LEDowe.

    Niekontrolowane zakłócenia elektromagnetyczne mogą mieć poważne konsekwencje, np. w gospodarstwie domowym. Na przykład w przypadku zastosowania niepoprawnie zaprojektowanej żarówki LEDowej możliwe jest zakłócanie przez żarówkę, np. transmisji bezprzewodowych urządzeń, takich jak piloty bram garażowych itp.

    Emisje generowane przez zasilacz impulsowy to emisje częściowo przewodzone, a częściowo wypromieniowane. Emisje elektromagnetyczne ze sterownika diod LED mogą być zatem przenoszone przez linie zasilające, a także poprzez magnetyczne lub pojemnościowe sprzężenie z sąsiednimi segmentami obwodu elektronicznego. Emisje te zwykle nie są niszczące, ale mogą prowadzić do nieprawidłowego działania sąsiednich elementów urządzenia elektronicznego.

    Z powyższych przyczyn warto minimalizować generowane emisje. Jakie jednak wymagania formalne należy spełnić w tym zakresie? Wszystkie produkty elektryczne i elektroniczne w Unii Europejskiej wymagają klasyfikacji CE. Znak CE potwierdza, że dany produkt jest zgodny z przepisami UE dotyczącymi bezpieczeństwa, zdrowia i ochrony środowiska. W rezultacie import i sprzedaż tylko takich - zgodnych z normami urządzeń - na terenie Europejskiego Obszaru Gospodarczego jest dozwolony. W innych częściach świata istnieją inne ważne wymagania i normy, dotyczące emisji promieniowania. Przykłady obejmują np. UL, CSA i inne.

    Istnieje wiele norm odnoszących się konkretnie do bezpieczeństwa i emisji EMI ze świateł LED. Najważniejszym z nich jest CISPR 11. CISPR to skrót od International Special Committee on Radio Interference. Istnieje wiele innych zasad i przepisów, w tym normy ISO, IEC, FCC, CENELEC, SAE i inne, które są oparte na standardach CISPR.

    Emisje przewodzone można w przewidywalny sposób zmniejszać za pomocą odpowiednich środków, stosując dodatkowe filtry w zasilaczu. Filtry te są przeznaczone do usuwania szumów przewodzonych w trybie zarówno współbieżnym, jak i różnicowym. Zakres częstotliwości tych zakłóceń, który zwykle odgrywa tutaj najistotniejszą rolę, zamyka się poniżej 30 MHz. Jednak opracowanie tego rodzaju filtrów nie jest takie proste. Filtr jest zwykle optymalizowany dla określonego pasma częstotliwości. W innych zakresach częstotliwości efekty pasożytnicze i wynikające z nich zmiany w zachowaniu stosowanych komponentów mogą z kolei powodować problemy. Na przykład filtr może bardzo dobrze zmniejszyć emisje generowane przez zasilacz impulsowy przy częstotliwości 100 kHz. Jednak zasilacze zwykle generują emisje w szerokim zakresie częstotliwości, zwłaszcza powyżej 10 MHz. W tym przypadku filtr zoptymalizowany dla blokowania zakłóceń przy 100 kHz mógłby nawet zwiększyć emisje poprzez efekty pasożytnicze i rezonanse. W ten sposób nie można w przewidywalny sposób zmniejszyć emisji promieniowania. Decydującą rolę odgrywa tutaj zawartość energii pasożytniczych w indukcyjności i pojemności ścieżek na PCB, a także elementów pasywnych obwodów elektronicznych. Zakres częstotliwości zwykle przekracza 30 MHz i rozciąga się do górnej granicy określonej w odpowiednich normach. Zmniejszenie emisji promieniowanej jest bardzo trudne. Wymaga dużego doświadczenia i szerokiej wiedzy na temat fizycznych podstaw zakłóceń elektromagnetycznych. Poziom emisji promieniowania może być wyjątkowo wysoki, zwłaszcza podczas sterowania diodami LED. Zwykle sterowany jest cały łańcuch diod LED. Taki obwód szeregowy często wymaga dużej ilości miejsca na płycie. W ten sposób układ geometryczny ścieżek na PCB ma właściwości anteny, a emisja promieniowania jest szczególnie skuteczna. Ekranowanie obwodów elektrycznych jest skomplikowane, kosztowne, a w przypadku diod LED nawet częściowo niemożliwe, ponieważ światło nie może przejść przez ekran z blachy. Zatem preferowanym rozwiązaniem jest redukcja promieniowania i zakłóceń elektromagnetycznych na poziomie układu.

    Projektując żarówki LED z wbudowanym zasilaczem, należy mieć na uwadze następujące działania w zakresie poprawy kompatybilności elektromagnetycznej tych urządzeń:

    * dodanie filtrów na wszystkich wejściach i wyjściach zasilacza bez prawdziwego zrozumienia przyczyny konkretnych emisji. Zwykle powoduje to zwiększenie kosztów związanych z przewymiarowaniem elementów i wyższe koszty produkcji;
    * ponowne wykorzystywanie sprawdzonej w innym systemie koncepcji filtra bez jego każdorazowej adaptacji do nowego systemu. Tutaj również zwiększa to koszty komponentów, a projekt filtra może być daleki od optymalnego;
    * wykorzystanie zewnętrznego eksperta w celu dostarczenia projektu filtra. Zakładając, że ekspert zewnętrzny jest w ogóle dostępny we właściwym czasie, to nadal powoduje to i tak również dodatkowe koszty;
    * wybór układów scalonych stabilizatorów impulsowych, które są już zaprojektowane pod kątem minimalnej emisji i optymalnego zachowania w zakresie zakłóceń elektromagnetycznych. W takim przypadku wymagane jest jedynie minimalne (lub żadne) filtrowanie wejść i wyjść zasilania.

    Większość sterowników diod LED to przetwornice impulsowe podwyższające napięcie. Rysunek 1 przedstawia schemat ideowy tego typu przetwornicy. Przetwornice takie mają zwykle niższy poziom emisji przewodzonych po stronie wejściowej. Prądy wejściowe nie pulsują (niebieska pętla prądowa). Jednak po stronie wyjściowej poziom emisji jest bardzo wysoki, ponieważ w tym przypadku prądy impulsowe przepływają przez diodę flyback (czerwona pętla prądowa). W czasie zadziałania diody - gdy klucz podłączony do masy jest załączony - cewka indukcyjna jest ładowana i przez diodę nie płynie prąd. Całkowita energia dostarczana do obciążenia w tym okresie pochodzi z kondensatora wyjściowego.

    Rzadko zadawane pytania - jak ustrzec się EMI w systemach oświetlenia LED
    Rys.1. Schemat obwodu przekształtnika podwyższającego, bardzo powszechna topologia sterowników LED.


    Na rysunku 1 przepływ prądu w czasie włączenia klucza jest pokazany na niebiesko, a przepływ prądu w czasie wyłączenia jest pokazany na zielono. Wszystkie ścieżki, w których przepływ prądu zmienia się w bardzo krótkim czasie, są pokazane na czerwono na rysunku 1. Ścieżki te zmieniają swój stan z przepływu prądu na brak przepływu prądu w ciągu zaledwie kilku nanosekund. Są to ścieżki krytyczne i muszą być zaprojektowane tak, aby były jak najmniejsze i kompaktowe na PCB, aby zmniejszyć emisje promieniowane. Jest to tzw. gorąca pętla.

    Na rynku są obecnie dostępne układy scalone stabilizatorów impulsowych nowej generacji, które generują znacznie niższy poziom emisji promieniowania elektromagnetycznego. Wszystko dzięki innowacjom technologicznym, np. możliwości ułożenia krytycznych ścieżek gorącej pętli tak, że ich symetryczne rozmieszczenie sprawia, że generowane pola magnetyczne w dużej mierze znoszą się wzajemnie z powodu różnych kierunków przepływu prądu w danym momencie.

    Rzadko zadawane pytania - jak ustrzec się EMI w systemach oświetlenia LED
    Rys.2. Koncepcja cichego przełącznika zastosowana do przetwornicy podwyższającej napięcie z polami magnetycznymi, które wzajemnie się znoszą.


    Rysunek 2 przedstawia symetryczny układ o takiej topologii. Pole magnetyczne generowane w górnej, czerwonej pętli ma taką samą wielkość jak pole w dolnej czerwonej pętli, ale prąd przepływa w przeciwnym kierunku, co sprawia, że pole ma odwrotny zwrot. Daje to efekt znoszenia się pól. W firmie Analog Devices technologia ta ma nazwę handlową Silent Switcher.

    Oprócz tego rodzaju innowacji w nowoczesnych układach udało się znacznie zmniejszyć pasożytnicze indukcyjności we wszystkich krytycznych segmentach obwodu, co skutkuje znacznym zmniejszeniem poziomu promieniowania pól elektromagnetycznych. Topologia Silent Switcher wykorzystuje zastrzeżony układ tranzystorów mocy, aby osiągnąć efekt redukcji pola magnetycznego. Długość ścieżki między tranzystorami mocy a kondensatorami wyjściowymi przetwornicy podwyższającej (gorąca pętla) określa indukcyjność związaną z tym polem magnetycznym.

    W technologii Silent Switcher długość ścieżki pomiędzy kluczem a kondensatorem jest znacznie skrócona. Osiąga się to dzięki tak zwanej technologii flip chip. W niej krzem w układzie scalonym stabilizatora impulsowego jest podłączony do wyprowadzeń z obudowy układu scalonego nie za pomocą przewodów łączących, ale za pomocą miedzianych filarów. Mają one znacznie niższą indukcyjność niż typowo wykorzystywany w tym miejscu drucik. Tak więc przy tej samej częstotliwości przełączania występują znacznie niższe spadki napięcia, a przez to niższy poziom emisji promieniowanych. Dlatego możliwe jest osiągnięcie znacznej redukcji zakłóceń elektromagnetycznych poprzez użycie zoptymalizowanych układów scalonych sterowników diod LED. W niektórych przypadkach możliwe jest nawet pozostanie w normatywnych granicach EMI bez stosowania dedykowanych filtrów EMI.

    Praktyczną realizację obwodu z bardzo niską emisją promieniowania elektromagnetycznego pokazano na rysunku 3. Tutaj układ LT3922-1 pracuje w obwodzie sterowania diodami. Łańcuch 10 diod LED pracuje z natężeniem prądu równym 333 mA. System jest zasilany napięciem wejściowym od 8 V do 27 V. W tej topologii, przełączanie odbywa się z częstotliwością równą 2 MHz, a generowany poziom emisji zakłóceń elektromagnetycznych jest minimalny.

    Rzadko zadawane pytania - jak ustrzec się EMI w systemach oświetlenia LED
    Rys.3. Przykładowy układ sterownika LED z rodziny Silent Switcher, zoptymalizowany pod kątem minimalizacji promieniowanych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).


    Na rysunku 4 pokazano średni poziom emisji z układu zaprezentowanego na rysunku 3. Czerwona linia pokazuje limity narzucane przez specyfikację CISPR 25. Jak widać, norma jest spełniania bez problemu - emisja jest istotnie poniżej granicznego poziomu.

    Rzadko zadawane pytania - jak ustrzec się EMI w systemach oświetlenia LED
    Rys.4. Średnie zakłócenia EMI promieniowane (zgodnie z CISPR 25) z LT3922-1 z rysunku 3.


    Sterowniki LED, takie jak LT3922-1, zaprojektowane są z myślą o niskiej emisji EMI; często oferują one również opcję zmiany typu modulacji na tak zwane widmo rozproszone (SSFM). Może to nie zmniejszać rzeczywistych poziomów generowanych i emitowanych zakłóceń elektromagnetycznych, ale rozkłada tę emisję` w szerszym zakresie częstotliwości. Dzięki temu można uzyskać lepsze wyniki w pomiarach dla poszczególnych norm EMC. LT3922-1 oferuje tego rodzaju funkcję i pozwala na modulację z rozmyciem pomiędzy ustawioną częstotliwością przełączania i 125% tej wartości. Widmo rozproszone może mieć również bardzo znaczący wpływ na pasma VHV i UHV, zmniejszając poziom emisji dowolnej częstotliwości poniżej poziomu, który miałby wpływ na komunikację radiową.

    Podobnie jak w przypadku każdego stabilizatora impulsowego, w przypadku sterowników diod LED projekt układu płytki jest bardzo krytyczny. Nowoczesne układy scalone, wyposażone w technologie, takie jak Silent Switcher czy Silent Switcher 2, pomagają radykalnie zredukować poziom zakłóceń elektromagnetycznych, ale nadal ważne jest, aby uniknąć błędów w projekcie układu płytki drukowanej. Właściwe rozmieszczenie krytycznych komponentów na PCB, które przewodzą szybko przełączane prądy, ma szczególne znaczenie dla zminimalizowania emisji promieniowania elektromagnetycznego. Ścieżki te powinny zawierać jak najmniejszą indukcyjność pasożytniczą. Pętle prądowe również powinny być zaprojektowane tak kompaktowo, jak to tylko możliwe – redukcja powierzchni gorącej pętli pozwala minimalizować EMI.

    Aby pomóc w pomyślnym projektowaniu tych urządzeń w tym zakresie, udostępniona jest szczegółowa dokumentacja w karcie katalogowej LT3922-1, która zawiera cenne i jasne informacje dotyczące aplikacji układu w realnym systemie.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-182.html

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11088 posts with rating 9403, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Optex
  • #2
    -Monter-
    Level 13  
    Niestety producenci oświetlenia LED jakoś specjalnie nie chwalą się poziomem generowanych zakłóceń EMI, a szkoda. Przetestowałem wiele markowych i nowoczesnych żarówek z przetwornicą do oświetlenia pomieszczenia w którym znajduje się aparat rezonansu magnetycznego. Wszystkie powodowały duże artefakty i zakłócenia uniemożliwiając prawidłowe wykonanie badania. Musiałem wrócić do bezproblemowych źródeł halogenowych.