Les filtres passifs peuvent être saturés de manière non conventionnelle

Habituellement, les filtres HF sont conçus à l'aide d'inductances avec des noyaux. De cette manière, une valeur d'inductance moyenne/élevée est obtenue dans des composants de petite taille. Mais l'utilisation de tores a une limite : le tore peut être saturé par des courants continus ou basse fréquence. Et, parfois, non seulement les courants peuvent saturer les noyaux.

J'expliquerai une situation que j'ai subie il y a quelques années lors du dépannage d'un produit audio présentant des problèmes d'EMI : deux haut-parleurs à installer au plafond avec une application typique à la maison, dans des hôtels, des bureaux, etc. (Figure 1).

Le produit audio était composé de deux haut-parleurs et d'une unité électronique contenant un amplificateur de puissance de classe D de 20 W.

La conception fonctionnait en laboratoire mais, une fois installée à l'emplacement final (plafond), la sortie était très bruyante. Mystère?

En essayant de comprendre la raison de l'échec, j'ai détecté une petite différence de 2" : dans l'installation finale, l'unité électronique était installée au-dessus d'un des haut-parleurs, mais en laboratoire, l'unité électronique était au-dessus d'une table, loin de la partie supérieure de l'enceinte (Figure 2).

Pour expliquer la raison de cette différence, j'ai construit un prototype.

Tout d'abord, vous devez savoir que les amplificateurs de classe D sont des amplificateurs à découpage et que les amplificateurs à découpage sont des générateurs de bruit et d'EMI. En règle générale, ils sont une source d'interférences électromagnétiques rayonnées dans les bandes HF/VHF, en particulier si de longs câbles sont utilisés entre l'amplificateur et le haut-parleur.

Les signaux EMI sont généralement réduits avec une sorte de filtre passe-bas fonctionnant en modes commun et différentiel.

Pour notre produit, un amplificateur de puissance monaural de classe D Texas Instruments TPA3001 a été utilisé. L'amplificateur a été inclus dans un petit circuit imprimé appelé PCB # 1 sur la figure 3.

Le filtre passe-bas a été construit autour de C1-L1-C2, C3-L2-C4 et C5. De plus, deux perles de ferrite Fair−rite 2512067007Y3 (0,05Ω DCR, 70Ω @100MHz, 3A) ont été incluses pour aider à passer les réglementations FCC/CE dans les fréquences supérieures à 30MHz.

L1 et L2 étaient deux inductances 47uH TOKO 822LY-470K (0.17Ω DCR, SRF 6.5MHz, 1.4A)

Comme le montre la figure 3, une partie du filtre passe-bas a été incluse dans un deuxième PCB (PCB # 2 sur la figure 3).

Et voici la différence subtile : dans l'installation finale, les inductances L1 et L2 sont placées près du haut-parleur, où un champ magnétique élevé est présent. Voir la figure 4 (à gauche) pour comprendre comment les inducteurs reçoivent les lignes de champ magnétique du haut-parleur. Sur la figure 4 (à droite), l'unité électronique est au-dessus de la table et les lignes de champ magnétique n'arrivent pas aux inducteurs.

L'inductance des bobines a été mesurée avec et sans l'excitation du champ magnétique. L'inductance est passée de 47uH (valeur nominale sans champ magnétique CC externe) à 7uH au-dessus du haut-parleur. Il s'agit d'une situation similaire à la saturation car un courant continu ou basse fréquence traverse l'inductance.

La réponse du filtre a été mesurée et les résultats apparaissent sur la figure 5. Le rapport Vout/Vin a été mesuré avec et sans le haut-parleur au-dessus des inducteurs. Environ 12 dB de plus est la réponse du filtre dans la plage 250 kHz-10 MHz pour le cas saturé (notez la réponse de sous-amortissement dangereuse du filtre).

Enfin, le courant de mode commun dans le câble du haut-parleur a été mesuré dans la plage 1 MHz-50 MHz lorsqu'une tonalité de 1 kHz a été appliquée à l'entrée de l'amplificateur (Figure 6). Notez la différence dans la gamme HF du spectre.

Mon dernier conseil : lors de la conception de filtres EMI avec des inductances, une attention particulière est requise pour la saturation du noyau non seulement par les courants continus ou basse fréquence, mais aussi par les champs magnétiques externes des haut-parleurs, des transformateurs et d'autres sources inattendues. Les noyaux toroïdaux ou la séparation de ces sources sont des solutions courantes.

Arthur Moyen a reçu son M.Sc. (1990) et son doctorat (1997) en génie électrique de l'Université de Saragosse (Espagne), où il a occupé une chaire d'enseignement en EMI/EMC/RF/SI à partir de 1992. Depuis 1990, il a été impliqué dans la R&D projets dans les domaines EMI/EMC/SI/RF pour les communications, l'industrie et les applications scientifiques/médicales avec une solide expérience dans la formation, le conseil et le dépannage pour des entreprises en Espagne, aux États-Unis, en Suisse, en France, au Royaume-Uni, en Italie, en Belgique, en Allemagne, au Canada, Pays-Bas, Portugal et Singapour. Il est le fondateur du HF-Magic Lab®, un laboratoire spécialisé pour la conception, le diagnostic, le dépannage et la formation dans les domaines EMI/EMC/SI et RF à l'I3A (Université de Saragosse), et depuis 2011, il est instructeur pour Besser Associates (CA, États-Unis) propose des cours publics et sur site sur les sujets EMI/EMC/SI/RF à travers les États-Unis, en particulier dans la Silicon Valley/la baie de San Francisco. Il est membre senior de l'IEEE, membre actif depuis 1999 (président 2013-2016) du comité technique MTT-17 (HF/VHF/UHF) de la Microwave Theory and Techniques Society et membre de la Electromagnetic Compatibility Society. Arturo peut être contacté à [email protected]. Web : www.cartoontronics.com.

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Arturo Mediano a obtenu son M.Sc. (1990) et son doctorat (1997) en génie électrique de l'Université de Saragosse (Espagne), où il a occupé une chaire d'enseignement en EMI/EMC/RF/SI à partir de 1992. Depuis 1990, il a été impliqué dans la R&D projets dans les domaines EMI/EMC/SI/RF pour les communications, l'industrie et les applications scientifiques/médicales avec une solide expérience dans la formation, le conseil et le dépannage pour des entreprises en Espagne, aux États-Unis, en Suisse, en France, au Royaume-Uni, en Italie, en Belgique, en Allemagne, au Canada, Pays-Bas, Portugal et Singapour. Il est le fondateur du HF-Magic Lab®, un laboratoire spécialisé pour la conception, le diagnostic, le dépannage et la formation dans les domaines EMI/EMC/SI et RF à l'I3A (Université de Saragosse), et depuis 2011, il est instructeur pour Besser Associates (CA, États-Unis) propose des cours publics et sur site sur les sujets EMI/EMC/SI/RF à travers les États-Unis, en particulier dans la Silicon Valley/la baie de San Francisco. Il est membre senior de l'IEEE, membre actif depuis 1999 (président 2013-2016) du comité technique MTT-17 (HF/VHF/UHF) de la Microwave Theory and Techniques Society et membre de la Electromagnetic Compatibility Society.

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