Akustický hluk elektroniky – Sergey Korablin

Tento článek pojednává o příčinách nežádoucího akustického hluku (pískání, skřípání, praskání a podobné zvuky) produkovaného elektronickými zařízeními a jak jej eliminovat. Mimo rozsah budou zvuky spojené s elektrickými výboji, motory a dalšími elektromechanickými součástmi, stejně jako zvuky neelektrické povahy, například zvuky spojené s tepelnou roztažností (praskání při zahřívání nebo ochlazování zařízení).

Aby elektronické zařízení produkovalo akustický hluk, jsou zapotřebí tři komponenty:

• elektrický signál, jehož spektrum obsahuje zvukové frekvence,
• převodník tohoto signálu na mechanické buzení (vibrace),
• difuzor mechanicky spojený s měničem a vydávající slyšitelný zvuk, když je mechanicky vybuzen.

Zdroje signálu

Střídavý elektrický signál obsahující ve svém spektru zvukové frekvence je hlavní příčinou popsaných nežádoucích zvuků. Žádný signál – žádný šum.

Zdrojem takového signálu jsou často pulzní měniče napětí, zejména při provozu naprázdno. Kolísání spotřeby proudu zátěže může ve svém spektru obsahovat také zvukové frekvence.

Konverzní frekvence většiny moderních DC-DC a AC-DC konvertorů je mnohem vyšší než 20 kHz, ale v některých případech se mohou zvukové frekvence stále objevovat ve spektru. Pokud převodník používá modulaci pulzní frekvence (PFM), frekvence opakování pulzů může při nízké zátěži klesnout do zvukového rozsahu. V režimu Pulse Skip Mode (PSM) se může měnič periodicky zapínat na audio frekvenci, i když samotná frekvence PWM/PFM zůstává vysoká.

Pokud je absence akustického hluku při nízké zátěži vyšší prioritou než účinnost, má smysl zvolit měnič bez ekologických režimů s pevnou (nebo garantovanou minimální) převodní frekvencí mimo slyšitelný rozsah. Existují také ovládací režimy optimalizované pro akustický hluk, jako je Out-Of-Audio od Texas Instruments. Protože množství šumu (akustického i elektromagnetického) souvisí s amplitudou střídavého signálu (zvlnění proudu / zvlnění napětí), jsou spínací převodníky v režimu přerušovaného vedení (DCM) obvykle hlučnější než převodníky v režimu nepřetržitého vedení (CCM).

Převod signálu na vibrace

Mechanické buzení může vzniknout v důsledku schopnosti některých materiálů měnit své geometrické rozměry vlivem elektrického nebo magnetického pole (inverzní piezoelektrický jev, magnetostrikce), nebo v důsledku působení makroskopických sil elektromagnetické interakce. Přeměna z elektrického signálu na mechanické buzení je obvykle reverzibilní: pokud se něco může pohybovat pod vlivem elektrického signálu, může to také vytvořit elektrický signál, když je mechanicky vybuzen (“efekt mikrofonu”).

Keramické kondenzátory

Všechny keramické kondenzátory, kromě NP0/C0G, jsou vyrobeny z keramiky s výraznými piezoelektrickými vlastnostmi. Takové kondenzátory mohou vibrovat, když jsou vystaveny střídavému napětí.

Povrchová montáž vytváří tuhé mechanické spojení mezi vývody kondenzátoru a plošným spojem, které umožňuje efektivně přenášet vlastní vibrace. Aby se tato vazba omezila, někteří výrobci nabízejí řadu kondenzátorů pro povrchovou montáž s interposerovou koncovkou a kovovými koncovkami (typ s kovovou koncovkou, kovový rám, J-vodič).

Ve formátu Metal Frame jsou sestavy vyrobeny také z několika jednotlivých balení (Stacked MLCC), což umožňuje zvýšit množství kapacity na jednotku plochy desky s plošnými spoji.

Tato konstrukce kromě snížení akustického hluku mnohem méně trpí poškozením v důsledku deformace desky plošných spojů (strain MLCC crack, flex crack), což umožňuje použití velkých pouzder bez ztráty spolehlivosti. Další implementací podobné myšlenky jsou keramické čipové kondenzátory zabalené ve výstupním pouzdru THT (Leaded MLCC).

Induktory a transformátory

Induktory a transformátory mohou generovat vibrace z několika důvodů, mezi nimiž musíme zdůraznit makroskopické síly elektromagnetické interakce.

U magneticky stíněných cívek je magnetický tok soustředěn v jádře a jeho vliv na vodič je malý. Pokud se však jádro takové cívky skládá z několika částí, mohou vibrovat pod vlivem magnetických přitažlivých sil, které se mění spolu s proudem procházejícím cívkou.

Při absenci stínění je magnetický tok v oblasti vodiče mnohem vyšší, takže závity cívky mohou vibrovat pod vlivem Lorentzových sil.

Hluk spojený se vzájemným posunem indukčních prvků je eliminován jejich tuhou vzájemnou fixací a u cívek s monolitickým designem zcela chybí. Patří mezi ně takzvané lisované induktory, vyrobené lisováním/slinováním feritu kolem vodiče, stejně jako všechny cívky naplněné sloučeninou (plněné pryskyřicí, epoxidem atd.).

V některých případech mohou být vibrace v induktorech a transformátorech důsledkem magnetostrikce, což je vlastnost materiálu jádra měnit geometrické rozměry pod vlivem magnetického pole, ale příspěvek tohoto efektu je obvykle nevýznamný.

Vibrace a slyšitelný zvuk

Chcete-li převést vibrace s nízkou amplitudou na slyšitelný zvuk, potřebujete difuzér, což je obvykle deska s plošnými spoji. Efektivitu přeměny vibrací na zvuk popisuje mechanická frekvenční charakteristika desky instalované ve skříni, nebo obecněji její přenosová funkce. Umístění zdroje buzení také ovlivňuje výslednou amplitudu kmitů. Pokud se excitační frekvence protínají s vlastními (rezonančními) frekvencemi desky, může se amplituda jejích oscilací, a tedy i hlasitost zvuku, výrazně zvýšit.

Vlastní frekvence desky s plošnými spoji jsou dány především jejími rozměry, způsobem instalace v obalu, mechanickými vlastnostmi dielektrika a hmotnostním rozložením osazených součástek. Čím menší je deska a čím pevněji je upevněna, tím vyšší jsou její rezonanční frekvence.

Mezi hlavní metody potlačení hluku v této fázi patří tlumení desky, to znamená zavedení prvků, které absorbují mechanickou energii vibrací, a zvýšení počtu upevňovacích bodů, což posouvá vlastní frekvence nahoru a snižuje možnou amplitudu jejích vibrací při každý bod.

Praktický příklad

Koupil jsem si nový router Mikrotik hAP ax² (C52iG-5HaxD2HaxD-TC) a vydával zvuky: pískání, praskání, cvakání – dost hlasité, aby mě to donutilo opravit a napsat článek.

Hledání zdroje hluku začíná vyjmutím desky plošných spojů z pouzdra a odstraněním chladiče. Poté připojíme napájení a zatížíme síťová rozhraní, aby se zvuky staly výraznějšími. Abychom našli konkrétní zdroj, píchneme plastovou tyčinkou (sondou) do všech podezřelých součástek, především silových tlumivek a keramických kondenzátorů kolem DC-DC, a posloucháme změny zvuku. Dotyk střední části jádra induktoru na fotografii jasně označuje viníka.

Tento induktor není monolitický; jeho jádro se skládá ze dvou částí a centrální část může vibrovat pod vlivem magnetických přitažlivých sil. Nejjednodušším řešením, kromě výměny cívky, je naplnit ji lepidlem přímo na desce, aby se feritové části jádra navzájem pevně spojily. Po vytvrzení lepidla jsou zvuky sotva slyšitelné, což potvrzuje původní hypotézu.

Další čtení

• TDK: Opatření proti akustickému hluku ve výkonových tlumivkách
• MPS: Eliminujte slyšitelný hluk (webinář)
• MPS: Redukce šumu a měření stejnosměrného napájení
• TI: Jak snížit akustický hluk MLCC v energetických aplikacích
• TI: Porozumění provozu Out-of-Audio
• TI: Výbuchy vyvolané napětím v keramických kondenzátorech (část 1, část 2)
• TDK: Zpívající kondenzátory (piezoelektrický efekt)
• TRACO: Potlačení akustického hluku u spínaných napájecích zdrojů
• Komponenty NIC: Piezoelektrický šum: MLCC vyzvánění – zpěv
• Wikipedia: Elektromagneticky indukovaný akustický hluk

Stává se, že když zapnete konkrétní elektrický spotřebič v bytě, například multicooker nebo osvětlovací systém využívající energeticky úsporné žárovky, nebo napájení konkrétního elektrického spotřebiče, začne bzučet jistič v elektrickém panelu. . Navíc tento jev obvykle není spojen ani se zvýšeným výkonem připojeného spotřebiče, ani s odpovídajícím proudem blížícím se jmenovité hodnotě stroje. A to je spojeno s určitým výkonem nebo s určitým domácím spotřebičem.

V některých případech brum úplně zmizí se zvyšujícím se výkonem zátěže a majitel domu si často nestěžuje na zápach spáleniny. To znamená, že uvnitř stroje nehučí oblouk. co potom? Odkud pochází tento hukot? Je nebezpečný? Jak s tímto fenoménem bojovat a má cenu s ním vůbec bojovat? Zamysleme se nad tím.

<strong>Co to tam bzučí?</strong>

Každý, kdo je obeznámen s konstrukcí jističe, ví, že uvnitř jsou současně implementovány dva ochranné vypínací mechanismy: tepelný a elektromagnetický.

Mechanismus tepelného uvolnění je založen na postupné deformaci bimetalové desky, která se ohřívá proudem přetížení, který prochází, tento proces je relativně inerciální, pokud je však proud roven jmenovité hodnotě stroje po několika sekundách deformovaná deska zatlačí na spoušťový mechanismus a nabitá pružina spínače otevře obvod.

Elektromagnetický spouštěcí mechanismus je určen pro případ zkratu, je určen k okamžitému otevření obvodu, když při zkratu proud přes elektromagnetickou cívku dosáhne takové hodnoty, že se železné jádro stlačené pružinou prudce zatáhne dovnitř; tato cívka, která při zatažení tlačí na stejný pružinový spínač – obvod se opět náhle otevře.

Protože bimetalová deska nemůže bzučet, nepodílí se na magnetizaci, ale je ohřívána pouze proudem, který jí prochází, proto je hučení stroje spojeno s cívkou.

Železné jádro cívky je totiž vždy v magnetickém poli působícím v chráněném obvodu střídavého proudu. Pokud není jádro dostatečně pevně stlačeno pružinou, pokud je uvnitř těla jističe nějaká vůle, pak za určitých podmínek toto jádro skutečně vydá poměrně znatelné hučení.

<strong>Proč to bzučí? Jaké jsou tyto podmínky?</strong>

Za prvé, pokud je tvar proudu v cívce obklopující jádro zkreslený pulzní zátěží připojenou k síti, která vytváří výrazné špičky z přechodových procesů, pak magnetostriktivní účinek takových špiček nevyhnutelně generuje hluk z železného jádra stroje. cívka.

Za druhé, pokud jádro, dokonce i v režimu nataženého stroje, spadne do oblasti nasycení, bude také hučet.

Za třetí, pokud má jádro stále silnou vůli, může přenášet vibrace na plastové tělo stroje a na další prvky vašeho štítu.

Když se tedy zkombinují tři podmínky: saturace jádra, silná vůle a přítomnost impulsního šumu, teoreticky uslyšíme maximální hluk.

<strong>Kdo je vinen a co dělat?</strong>

Odpověď na otázku o příčině brumu je logická: výrobci a vývojáři hučícího stroje nepočítali se všemi možnými nuancemi spojenými s tím, jak se jádro bude chovat při natažení stroje. A odtud je jen jedna cesta ven. Pokud se nechcete smířit s hlukem, musíte si pořídit stroj, jehož jádro cívky nebručí z rušení, zpětného rázu nebo možného nasycení, a pokud hučí, není příliš hlasité. Pokud vás hučení příliš neobtěžuje, můžete hučící stroj nechat být.