שילוב נכון של פילטר EMI הוא מרכיב קריטי בתכנון מערכות חשמל מודרניות, במיוחד לאור השילוב הגובר של מערכות אלקטרוניות ממותגות ברשת החשמל. בשל כך הדרישות האלקטרומגנטית (EMC/EMI) הולכות ומחמירות. פילטרי EMI חיוניים למניעת הפרעות בין מכשירים, הבטחת תפקוד תקין בסביבה אלקטרומגנטית רועשת ועמידה בתקנות רגולטוריות. בתחום הצבאי הדבר חיוני גם מניעת בריחה של מידע.
במאמר זה נסקור את השיקולים העיקריים לשילוב נכון של פילטר EMI.
- מושגי יסוד:
- הפרעות EMI ו-EMC הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) הן רעשים לא רצויים הנוצרים במערכות חשמליות, במיוחד על ידי ממירים בעלי מיתוג גבוה. רעשים אלו יכולים להתפשט בשתי דרכים עיקריות:
- EMI מולך (Conducted EMI): זרמי רעש המתפשטים דרך כבלי החשמל של המערכת. בתעשיה הכללית טווח התדרים בדרך כלל נמדד בין 150 קילו-הרץ ל-30 מגה-הרץ ובתחום הצבאי בין 14 קילו-הרץ ל- 18 או 40 גיגה-הרץ.
- EMI מוקרן (Radiated EMI): אנרגיה אלקטרומגנטית הנפלטת מהמקור אל האוויר הפתוח.
- הפרעת EMI מולכת נחלקת לשני סוגים:
- רעש דיפרנציאלי (DM): רעש הזורם בקווי המתח בכיוונים מנוגדים. הוא קשור ישירות לזרם המיתוג של מקור הרעש. רעשי DM מופיעים בעיקר בתדרים נמוכים (עד כמה מאות קילו-הרץ).
- רעש “משותף” (CM): זרם הרעש זורם בשני קווי המתח באותו כיוון, דרך קיבוליות פרזיטית בין נקודות בעלות שינויי מתח מהירים (dv/dt) לבין הארקה.
- פילטר פאסיבי לעומת אקטיבי:
- פילטרים פאסיביים: פתרון נפוץ המורכב מסלילים וקבלים. פילטרים אלו יכולים לספק הנחתה גבוהה אך נוטים להיות מגושמים ויקרים, ועלולים להוסיף רכיבים פרזיטיים למערכת הכללית. כמו כן, הם עלולים לגרום לחוסר יציבות עקב תהודה אם אינם מחושבים כראוי.
- פילטרים אקטיביים (AEF): טכנולוגיה חדשנית שמטרתה להקטין את גודל הפילטר ולהפחית את עלות הרכיבים הפסיביים. הפילטרים משתמשים בבקרת משוב כדי לחוש רעש ולהזריק זרם או מתח נגדי מבטל. פילטרים אלו בעלי ביצועי הנחתת EMI טובה ויעילים יותר בתדרים נמוכים.
- מבנה פילטר פאסיבי:
- פילטר EMI פאסיבי בדרך כלל מורכב מסלילים, קבלים ונגדים.
- קבלי X (Cx) : מחוברים בין הפאזות או בין הפאזה למוליך האפס. קבלים אלו מנחיתים הפרעות סימטריות (DM) בתדרים נמוכים.
- קבלי Y (Cy) : מחוברים בין המוליך הפאזה או האפס להארקה. קבלים אלו בעיקר מנחיתים הפרעות א-סימטריות (CM) בתדרים גבוהים. קבלי Y הם מקור עיקרי לזרמי זליגה.
- סלילים: משמשים לדיכוי רעש CM על ידי יצירת השראות גבוהה להפרעות CM והשראת נמוכה לזרם הפעולה הדיפרנציאלי.
- פילטרים מרובי שלבים (Cascading Filter Sections): על ידי חיבור מספר יחידות של פילטרים LC בטור ניתן להשיג הנחתה גבוהה בתדרים גבוהים בנפח ומשקל קטנים יותר.
תמונה Micro Feedthrough Filter :1 קרדיט: EMI
תמונה Feedthrough Filter :2 קרדיט: EM
- השפעת גורמי תפעול על ביצועי הפילטר:
- מתח כניסה: מתח כניסה גבוה יגביר את רמת השיא של ההרמוניות בפילטרים פאסיביים, בעיקר בגלל אפקט ה DC bias של קבלי קרמיקה, שמשנה את הקיבול שלהם.
- אופי העומס: ההפרעה הדיפרנציאלית הקשה ביותר נוצרת בדרך כלל בזרם עומס מרבי. וכן, ביצועי הפילטר תלויים בעכבת הכניסה (התנגדות שקולה) של העומס, עומס בעל עכבת כניסה משתנה (עומס דינמי, עומס משתנה) יגרום לביצועי סינון שונים.
- תדר מיתוג: ממירי מתח ממותגים בתדר גבוה מייצרים רעש EMI סביב תדר המיתוג שלהם. תדר המיתוג משפיע על יעילות הפילטר בתחום זה.
- זרמי זליגה:
- הגדרה: זרם זליגה הוא זרם הזורם לאדמה במצב טבעי ובזמן תקלה של קצר בין אחד מגידי ההזנה לאדמה. זרם הזליגה נגרם בעיקר בגלל קבל Y בפילטרים.
- סוגי זרמי זליגה:
- זרמי זליגה קבועים / טבעיים (Stationary leakage currents): זרמים אלו נובעים מהרמוניות תדר רשת כדוגמת: 150 הרץ, 450 הרץ, 750 הרץ.
- זרמי זליגה משתנים (Variable leakage currents): זרמים אלו תלויים בתדרי המיתוג של המקור לרעשים כדוגמת ממיר מתח או בקיבולים של כבלים ומנועים חשמליים.
- השפעה על זרמי הזליגה: הגורמים העיקרים המקטינים את זרם הזליגה הינם יציבות מתח ההזנה, איזון זרמים בין פאזות במערכת תלת פאזית, התאמה נכונה של קבלים Y.
- סכנות בזרמי זליגה גבוהים: כידוע, זרם זליגה מעל 30 מיליאמפר העובר דרך גוף האדם עלול לגרום לדום לב או לנזק חמור אחר. ישנם תקנים המגבילים את זרם הזליגה המרבי כדוגמת ה- IEC60950 לרמה של 3.5mA. בפילטרים זרם הזליגה בתקלה ראשונה, כלומר קצר בין גיד מזין לאדמה, חשוב לא פחות מזרם הזליגה הטבעי.
- פתרונות לזרם זליגה נמוך: ישנם פילטרים בעלי זליגות נמוכות, בדרך כלל פילטרים אלו הם בעלי ביצועי ניחות נמוכים יותר מפילטרים בעלי זליגה גבוהה. ישנן חברות כגון EMIS אשר פיתחו פילטרים עם זליגה נמוכה מאוד ובעלי ביצועי ניחות גבוהים עד כדי עמידה מלאה בתקני אדום-שחור.
- מערכת צפה / IT: מערכות צפות הן מערכות בהן יש נתק מוחלט בין מוליך האפס וההארקה. במערכות אלה חשוב לקחת בחשבון גם את גובה זרם הזליגה בתקלה ראשונה (מצב בו אחד ממוליכי ההזנה נוגע בארקה). במצב זה הפילטר יוצא מאיזון וזרם הזליגה יכול להיות אף פי 10 מזרם הזליגה הטבעי. כאמור, ישנם פילטרים בטכנולוגיה מתקדמת פאסיבית, בעלי יכולות סינון גבוהים וזרמי זליגה נמוכים מאוד.
תמונה Medical Filter :3 קרדיט: EMIS
תמונה EMP/HEMP Filter :4 קרדיט: EMI
- התקנה נכונה:
- הארקה: הארקה נכונה הינה קריטית ודורשת מערכת בעלת עכבה נמוכה מאוד לאותות בתדר גבוה. יש להשתמש בחיבורי הארקה בעלי התנגדות נמוכה ככל הניתן ובאורך קצר ככל האפשר. גיד ההארקה צריך להיות בחתך גדול ככל הניתן. יש להאריק ישירות לפס ההארקות.
- חיווט וחיבורים: יש להפריד בין חיווט קווי כוח לקווי בקרה. יש לנתב את המוליכים קרוב לגוף המכשיר ולוודא שמוליכי הכניסה והיציאה של הפילטר מופרדים ומורחקים. במידת הצורך יש להשתמש בחיווט מסוכך המוארק בשני הקצוות.
- הרכבת הפילטר: יש להרכיב את הפילטר קרוב ככל האפשר למקור היוצר את רעש ה- EMI או לנקודת כניסת המתח.
- יכולת הולכת זרם: ערך זרם של הפילטר חייב להיות זהה או גבוה ממפסק או נתיך ההגנה. ניתן לחבר פילטרים זהים במקביל להשגת זרם הולכה גבוה יותר, וזאת בתנאי שהחיבור מאפשר ומבטיח חלוקת זרם שווה בין הפילטרים.
- הצלחה:
תכנון EMI מוצלח הינו אתגר הולך וגובר בתכן ציודים כגון ספקי כוח, ממירים ובמערכות שלמות מורכבות כגון חדרי שרתים או קרונות של מערכות צבאיות. בכדי לעמוד באתגרים אלו יש לתכנן ולהתאים את הפילטרים כבר מהיום הראשון לתכן, יש לבחור את הפילטר עם הניחות המתאים, תחום התדרים הנכון וזרם הזליגה הרצוי.
תמיר דהרי, מנכ"ל בעלים TECT T.D. LT
