Onderdrukking van akoestisch geluid in switched-mode voedingen

Als we in een auto zitten, is het motorgeluid dat we ervaren iets heel normaals. In het motorcompartiment bevindt zich immers een machine met bewegende delen. Sommige mensen zouden dit lawaai zelfs als zeer aangenaam omschrijven. Fabrikanten van auto's en andere producten hebben zelfs hele onderzoeksafdelingen die zich bezighouden met het sleutelen aan - en het creëren van - plezierige geluidservaringen.

Het is echter een andere situatie met geschakelde voedingen (SMPS's). Geluiden zoals gebrom of gezeur kunnen zelfs worden geïnterpreteerd als een waarschuwingssignaal. Hoewel voedingen uit een groot aantal elektronische componenten bestaan, mag er bij de werking ervan niets bewegen. Daarom moet er geen lawaai zijn, toch?

De meest voorkomende oorzaak van storende ruis van AC-voedingen is meestal een laagfrequent 100 of 120 Hz brom. Naarmate voedingen zich verder ontwikkelden in termen van complexiteit en structuur, is ook het bereik van de geluidsgolven die ze uitzenden veranderd. De meeste hoorbare geluiden zouden echter geen reden tot bezorgdheid moeten zijn.

Perceptie en effect

Mensen kunnen geluidsgolven horen in het 16 Hz- tot ongeveer 20 kHz-frequentiebereik (Afbeelding 1). Maar of een geluid al dan niet afleiding of irritatie veroorzaakt, hangt ook af van de waarneming van dat geluid in de omgeving waar het wordt gegenereerd.

Afbeelding 1: Hoorbaar frequentiebereik van het menselijk oor. (Bron afbeelding: TRACO)

Een industriële voedingseenheid die hoorbaar geluid produceert, vormt waarschijnlijk geen echt probleem voor mensen, aangezien de meeste mensen in de omgeving ervan het in de context van andere achtergrondgeluiden als een normaal onderdeel van het werken in fabrieken zullen ervaren. Andere geluiden kunnen, dankzij hun frequentie en volume, ook de frequenties maskeren die door een voeding worden gegenereerd, een effect dat in de psychoakoestiek is bestudeerd en dat wordt gebruikt bij het comprimeren van audio in MP3. Dergelijke benodigdheden zijn meestal ook ingebouwd in bedieningspanelen met gesloten deuren die ook helpen bij het dempen van eventuele hoorbare geluiden die worden gegenereerd.

In een andere omgeving, zoals een kantoor, zal de reactie op het geluid van de stroomvoorziening beduidend anders zijn. Een gezeur of gezoem van een elektrisch apparaat zal waarschijnlijk als onaangenaam worden ervaren en kan zelfs leiden tot bezorgdheid over de veiligheid ervan.

Oorzaken en achtergrond

De magnetische velden

Als een stroomvoerende geleider zich in een magnetisch veld bevindt, is deze over het algemeen onderhevig aan een kracht. Het effect van deze kracht is het grootst wanneer de stroomrichting en de richting van het magnetisch veld een hoek van 90° vormen. In dergelijke gevallen is de stootkracht verticaal ten opzichte van de stroomsterkte en de richting van het magnetisch veld. Drie vingers van de rechterhand kunnen worden gebruikt om de richting van deze kracht te bepalen met behulp van de rechterhandregel van Fleming (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Linker/rechterhandregel. (Bron afbeelding: TRACO)

In de context van transformators en sommige inductors kan een ijzeren kern ook last hebben van een effect dat bekend staat als magnetostrictie, een effect dat voor het eerst werd geïdentificeerd door James Joule in 1842. Het zorgt ervoor dat ferromagnetische materialen van vorm of dimensie veranderen tijdens het magnetiseringsproces dat ontstaat door de stroom die door de geleider van de component stroomt. Deze kleine veranderingen in het materiaalvolume leiden niet alleen tot wrijvingswarmte, maar ook vaak tot hoorbare ruis.

Transformators maken vaak gebruik van Fe-Si-staal (bekend als siliciumstaal) met een variërend siliciumgehalte dat helpt om de elektrische weerstand van het ijzer te verhogen. 6% siliciumstaal zorgt voor een optimale reductie van de magnetostrictie, maar moet worden ingeruild tegen een verhoogde brosheid.

Het Piëzo-effect

Een andere oorzaak van lawaai is het piëzo-effect. Het woord 'piëzo' is afgeleid van het Griekse woord voor druk. In 1880 ontdekten Jacques en Pierre Curie dat druk in verschillende kristallen, zoals kwarts, elektrische lading genereerde. Zij noemden dit fenomeen het 'piëzo-effect' (Afbeelding 3). Later merkten ze dat elektrische velden piëzo-elektrische materialen kunnen vervormen. Dit effect staat bekend als het 'omgekeerde piëzo-effect'.

Afbeelding 3: Piëzo-effect zoals aangetoond in materialen zoals kwarts. (Bron afbeelding: TRACO)

Het omgekeerde piëzo-elektrische effect veroorzaakt een lengteverandering in deze materialen wanneer er elektrische spanning wordt toegepast. Dit actuatoreffect zet elektrische energie om in mechanische energie. Veranderingen in de spanning veranderen ook de geometrische massa van keramische condensatoren, waardoor ze zich gedragen als kleine luidsprekers die drukgolven in de omgeving uitstoten.

Omschakeling van topologieën en feedbacklussen

De drang naar een steeds efficiëntere stroomconversie betekent dat schakeltopologieën worden geïntegreerd in zelfs de eenvoudigste voedingsproducten. De primaire schakelfrequentie die in dergelijke ontwerpen wordt gekozen, zal vaak worden geselecteerd om boven de grens van de menselijke waarneming te liggen (>20 kHz). Bij schakeloplossingen die afhankelijk zijn van het wijzigen van hun schakelfrequentie om zich aan te passen aan veranderende belasting en ingangsspanning, kan dit echter binnen het hoorbare bereik vallen om een optimale conversie-efficiëntie te behouden.

Bij oplossingen met een vaste frequentie kunnen functies als cycle skipping of burst-moduswerking leiden tot een schakelpatroon dat in het hoorbare bereik valt, ondanks dat de schakelfrequentie zelf boven de 20 kHz ligt. Als de oplossing regelmatige schakelpulsen vertoont die onregelmatig zijn onderbroken door perioden van twee of meer overgeslagen pulsen, kan dit duiden op problemen met het feedbackcircuit (Afbeelding 4). Hier is het de moeite waard om de componenten van het terugmeldcircuit en het werkingsgebied van eventuele optocouplers te bekijken.

Afbeelding 4: Problemen in het terugmeldcircuit kunnen leiden tot onregelmatige pulsloze perioden (onderste grafiek) bij ontwerpen met een vaste frequentie. (Bron afbeelding: TRACO)

Bepalen en oplossen van hoorbare geluidsproblemen

Nu SMPS's steeds compacter worden dankzij het streven naar steeds hogere vermogensdichtheden, kan het een uitdaging zijn om zelfs te bepalen welk onderdeel precies de hoorbare geluidsbron is. Ervan uitgaande dat het ontwerp correct werkt vanuit een elektrisch standpunt, is een benadering het gebruik van een niet-geleidend object, zoals een eetstokje, om lichte druk uit te oefenen op de afzonderlijke componenten op de printplaat terwijl het apparaat in werking is. Veranderingen of reducties van ruis, vooral bij belangrijke kandidaat-componenten, zoals keramische of magnetische apparaten, kunnen een goed startpunt vormen.

Als er geen veilig, niet-geleidend sondeerapparaat bij de hand is, kan een rudimentaire oortrompet worden gemaakt van een vel papier. Opgerold in een kegel kan het kleine uiteinde van de opening worden gericht op verdachte componenten om geluidsbronnen te evalueren.

Keramische condensatoren die hoge dv/dt-schommelingen ondergaan, blijken vaak hoorbaar lawaaierig te zijn en zijn vaak te vinden in klemmen- en snubbercircuits, maar ook in de eindtrappen. Om te testen of ze de geluidsbron zijn, kunnen ze worden vervangen door condensatoren met alternatieve diëlektrische eigenschappen, zoals metaalfilm, of kan de serieweerstand worden verhoogd (Afbeelding 5). Als het hoorbare geluid wordt verminderd, moet een permanente verandering in de component worden geëvalueerd.

Afbeelding 5: De condensator in het snubbercircuit kan worden verwisseld voor een metaalfilmtype, of er kan een grotere weerstand worden geprobeerd. (Bron afbeelding: TRACO)

Het veranderen van de klemcircuits om Zener-diodes te gebruiken kan ook helpen. Problematische eindtrapcondensatoren kunnen worden verwisseld voor een ander diëlektricum of worden vervangen door parallelle keramische condensatoren van equivalente waarde als de ruimte dit toelaat.

Als magnetische componenten de geluidsbron zijn, zorg er dan eerst voor dat de ingangsspanning en de uitgangsbelasting altijd binnen het gespecificeerde bereik liggen. Het verhogen van de capaciteit aan de ingangszijde kan helpen als de ingangsspanning soms te laag is. Dompellakken van transformators en dompellak- en potinductors zijn één benadering om ruis te verminderen. Transformators met een lange kernlengte hebben ook de neiging om meer hoorbaar te resoneren dan die met een korte kernlengte. Overweeg waar mogelijk om over te stappen op een alternatieve, kortere kern die nog steeds het vereiste aantal wikkelingen kan verwerken.

Er moet rekening worden gehouden met het feit dat voor alle mogelijke benaderingen die worden benadrukt, de herhaling van de verificatie- en productietests zeer waarschijnlijk zal zijn.

Samenvatting

Zowel de krachtinwerking van stroomvoerende geleiders in magnetische velden als het omgekeerde piëzo-effect van condensators zijn in de eerste plaats verantwoordelijk voor de hoorbare geluiden die door voedingseenheden worden uitgezonden. Ondanks de vooruitgang op het gebied van simulatie wordt hoorbare ruis meestal pas zichtbaar als een ontwerp fysiek is gebouwd, en soms pas als een hoeveelheid voedingen is voorbereid voor de preproductie.

Hoewel de meeste hoorbare geluiden in voedingen weinig reden tot bezorgdheid zouden moeten geven vanuit het oogpunt van functionaliteit of veiligheid, kan het vervelend zijn en zelfs als een kwaliteitsprobleem worden ervaren door klanten. Door het volgen van enkele van de eenvoudige tips die hier worden gegeven, kunnen onderdelen die als geluidsbronnen fungeren snel worden geïdentificeerd en, met behulp van de voorgestelde benaderingen, worden vervangen, aangebracht of gewijzigd om de voortgebrachte dwalende geluiden tot een minimum te beperken of uit te roeien.