Estás enredando dos cosas totalmente diferentes en una sola. Hay dos fenómenos completamente distintos, uno de los cuales es el ruido de conmutación, el otro es el timbre. No tienen ninguna relación entre sí y son causados por cosas muy diferentes. El ruido resultante también es muy diferente.
En primer lugar, hablemos de lo que has enlazado, el amortiguador en el transformador. Esto no va a afectar al ruido de conmutación en absoluto, y no se pretende que lo haga. Los amortiguadores hacen una cosa - eliminar el timbre. Están diseñados con una sola frecuencia específica en mente, y nada más. Esto se debe a que el timbre, por naturaleza, será una frecuencia específica.
Parte I: Toca mi timbre
con apariciones de la inductancia y la capacitancia
¿Qué está sonando? En realidad es un timbre normal, mundano y familiar. Como lo que hacen las campanas cuando las golpeas. O como golpear un diapasón contra la mesa. Ese tipo de timbre. No hay ningún significado especial para la palabra "timbre" en el contexto de la electrónica. Es literalmente un timbre. Si golpeas un diapasón afinado en una nota A de 4ª octava, vibrará (sonará) en esa nota, 440Hz. Esto se debe a que 440Hz es la frecuencia de resonancia de ese diapasón, y actúa como un oscilador mecánico de alta q, también conocido como resonador. Las pérdidas internas disipan lentamente la energía mecánica del diapasón en forma de calor, pero puede tardar muchos segundos.
La resonancia electromagnética no es diferente. Es lo mismo en un medio diferente. En lugar de energía cinética que va y viene en un diapasón, es energía que se almacena y libera en campos eléctricos y magnéticos.
Hagamos una pausa para aclarar qué son los condensadores y los inductores. Son objetos optimizados para poseer inductancia o capacitancia, pero esas dos cosas son propiedades que todo poseer. Y eso se debe a lo que esas propiedades miden en realidad.
La inductancia se refiere a la cantidad de energía que se almacenará en un campo magnético, mientras que la capacitancia se refiere a la cantidad de energía que se almacenará en un campo eléctrico. Dos cosas cualesquiera a diferentes potenciales (o si hay un voltaje entre ellas, siendo el voltaje la fuerza electromotriz) tendrán un campo electrostático entre ellas, y hay energía almacenada en ese campo. Del mismo modo, cada vez que fluya una corriente (la corriente es la fuerza magnetomotriz), se creará un campo magnético y también habrá energía almacenada en ese campo.
El timbre electromagnético es la energía almacenada que se mueve entre los dos, alternativamente se almacena en un campo magnético y luego en un campo eléctrico. Un condensador que tiene energía almacenada en el dieléctrico entre sus dos placas, cuando se cierra un circuito entre las placas, éste va a convertir la energía almacenada de su campo eléctrico en corriente, y subirá tanto como sea necesario para provocar una cantidad igual de energía almacenada en la inductancia del camino de la corriente entre las dos placas. Esto es suponiendo un condensador superconductor mágico y cables, sin resistencia. Ignora la resistencia por ahora.
Ahora, toda la energía del campo eléctrico se ha convertido en energía en un campo magnético, pero eso significa que no hay CEM, o tensión, para mantener el flujo de la corriente. El campo magnético almacenado, a través de la inducción electromagnética, hará que se genere voltaje -FEM- a medida que la corriente comience a cambiar, creciendo cada vez menos. Esto convierte la energía almacenada magnéticamente de nuevo en potencial, que entonces fluye de nuevo hacia el condensador para ser almacenado en su campo eléctrico, y ahora estamos de nuevo donde empezamos. En el caso de nuestro mágico condensador superconductor y el cable con una pequeña cantidad de inductancia, esta secuencia continuará indefinidamente, a una frecuencia de resonancia. La energía va y viene entre un campo eléctrico y un campo magnético. Es como un diapasón que vibra de un lado a otro.
Dado que la inductancia y la capacitancia son propiedades fundamentales, cada vez que hay una cantidad significativa de energía en movimiento, se puede obtener un timbre. Yo diseño convertidores DC/DC de alta gama orientados a la mayor densidad de energía posible. Más de 400W/cm 3 . Y uno de los mayores dolores de cabeza con los que trato es el timbre. No desde un gran bobinado de transformador y la capacitancia de recuperación de diodos. De los 900 picohenries de inductancia de un hueco de 1mm entre dos MOSFETs QFN de 3x3mm resonando con unos cientos de picofaradios de capacitancia de salida en los MOSFETs. Esta suele ser la mayor fuente de pérdidas del circuito. No es una broma. Una cantidad absurda de inductancia de un pequeño bucle de corriente y un poco de capacitancia. El timbre ocurre. La frecuencia de resonancia es como estoy seguro que ya sabes,
$$ \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} $$
El devanado de un secundario puede ser de 10 o 100 milihenrios o más, y los rectificadores pueden tener decenas de picofaradios de capacitancia, lo que podría dar lugar a un tanque resonante que oscila en los cientos de khz cientos de MHz, que irradiará EMI sustancial. Un snubber está ajustado para combatir esta frecuencia resonante y disiparla en forma de calor con un elemento resistivo, mientras que tiene una impedancia demasiado alta para las frecuencias más bajas como para disipar una cantidad apreciable de energía (que sólo quemaría energía sin razón). Un amortiguador no es más que una resistencia y un condensador en serie conectados a tierra (o a través de las líneas, en el caso del secundario de nuestro transformador de CA). El condensador es lo suficientemente pequeño como para que tenga una impedancia muy alta a 60Hz, pero una impedancia muy baja a la frecuencia de timbre que queremos eliminar. Esto hace que esta alta frecuencia vea el condensador como un simple cortocircuito, y por lo tanto sólo la resistencia de la resistencia se ve al timbre. Esencialmente hemos puesto una resistencia en serie con nuestro ejemplo mágico superconductor de antes, y en lugar de que el ciclo se repita hasta la saciedad, esa energía almacenada es simplemente desangrada como calor por la resistencia en lugar de ser almacenada en campos magnéticos o eléctricos. El amortiguador es como una almohada o un cascabel que presionamos contra nuestro diapasón.
Por lo tanto, todo eso es algo propio y completamente separado del ruido de conmutación. También, debo notar que no hay nada especial sobre los diodos en nada de eso - es simplemente que los diodos tienen alguna capacitancia que puede resonar con el secundario del transformador e irradiar EMI en esa frecuencia. Un condensador a través de las líneas no lo amortiguará, pero bajará la frecuencia lo suficiente como para que ya no importe. No hay mucho que una onda sinusoidal de 10kHz pueda estropear. 90MHz sin embargo, y usted está en la tierra de la radio FM. La radio AM a cientos de kHz. Ya te haces una idea.
Puede ser difícil ver el zumbido en un osciloscopio, estará superimpuesto a la onda sinusoidal de CA, y será bastante pequeño en amplitud comparativamente, y varios órdenes de magnitud más rápido que la onda sinusoidal. Normalmente es mejor utilizar un analizador de espectro. Cualquier timbre será un pico muy agudo y perceptible. También es más fácil detectarlo por la radiación que por el flujo de corriente real, de nuevo debido a que se superpone a esa onda sinusoidal de 60 Hz. Si es lo suficientemente fuerte, los SDRs (radios definidas por software, como los dongles USB DVB-TV de 20 dólares compatibles con RTL-SDR) te permitirán ver los picos de frecuencia del timbre bastante bien. Si está en su rango de frecuencia.
Parte II - Ruido de conmutación
la armónica del diablo
El otro tipo de ruido que pueden causar ciertos tipos de diodos (entre otras cosas) es el ruido de conmutación. Esto tampoco se debe a algo único de los diodos. Es universal. No voy a mentir, esto va a ser difícil. Es un verdadero juego mental.
Una onda sinusoidal es la única onda. Todas las ondas, de cualquier tipo, son ondas sinusoidales. Todas ellas. Sin excepción. Las cosas que llamamos ondas cuadradas, dientes de sierra, etc., no son ondas. No existen singularmente. Una onda cuadrada, por ejemplo, es una forma de onda, hecha a partir de un gran número de ondas sinusoidales, todas oscilando simultáneamente y sumadas (superpuestas), y el resultado resulta ser una onda cuadrada. Pero eso es puramente superficial. Todas las formas de onda son en realidad muchas ondas sinusoidales sumadas, y tienen una naturaleza mucho más compleja que se esconde debajo. De hecho, la única vez que algo no está hecho de un montón de ondas sinusoidales es cuando se tiene un único tono de onda sinusoidal pura. Una nota pura. Todo lo demás es un lío.
Esto se debe a que las ondas sinusoidales son la única forma de onda que es realmente continua. Por tanto, es el único bloque de construcción que existe. La misma onda cuadrada que he mencionado antes está hecha en realidad de una frecuencia fundamental, que es la frecuencia de la onda cuadrada, más armónicos de orden impar de banda ancha. Un armónico es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Los armónicos de orden impar son sólo los múltiplos Impares. Una onda cuadrada a 100kHz se compone en realidad de una onda sinusoidal de 100kHz, y otra de 300kHz, 500kHz, 700kHz... y así sucesivamente hasta llegar a los cientos de MHz e incluso GHz, dependiendo. Todo ello sumado, con una amplitud decreciente a medida que aumenta la frecuencia. Esto alcanzará un límite finito proporcional al tiempo de subida.
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Una verdadera onda cuadrada -que tiene un tiempo de subida infinito- tendría infinitos armónicos de orden impar. No existe tal cosa, por supuesto, así que hay un límite finito para los armónicos, determinado por la alta frecuencia que se necesita para un tiempo de subida dado.
El problema es que estos armónicos no se combinan perfectamente para crear una forma de onda. No lo hacen en absoluto. Y se pueden ver los efectos fácilmente. Cualquier forma de onda que tenga algún tipo de discontinuidad mostrará lo que se llama el El fenómeno de Gibb cerca de esas discontinuidades. En estos puntos, la verdadera naturaleza armónica de la forma de onda se materializará de repente y levantará su fea cabeza, y el contenido armónico de banda ancha saldrá literalmente pulverizado de una onda cuadrada, monstruosidades aterradoras que aparecen sólo para desaparecer, pero no sin darse a conocer. Un interruptor es una discontinuidad intencionada. Cuanto más rápido sea el dV/dt (tiempo de subida/bajada) de un conmutador, ya sea un diodo o un MOSFET o un contacto de relé, más aguda será la discontinuidad y más armónicos de mayor amplitud serán expulsados por la forma de onda de conmutación en las esquinas. Por eso los conmutadores son ruidosos, porque lo son. Producen enormes cantidades de ruido de banda ultra ancha y puede acoplarse a casi todo. Tienes capacitancia de todas partes a todas partes y se moverá felizmente a través de cualquiera de ellas. Se mezclará a través de las reflexiones y el desfase produciendo frecuencias de batido, y hará que los gatitos lloren tristes lágrimas de gatito. La conmutación digital, como en un microcontrolador o una CPU, es aún peor, tendrá armónicos hasta el rango de las ondas milimétricas. Este gif demuestra bien el fenómeno de Gibb, la discontinuidad está fuera de curso donde el tiempo de subida comienza y termina de repente, o las "esquinas" de la onda cuadrada. ![enter image description here]()
Por lo tanto, cada vez que se conmuta, se obtienen picos de alta frecuencia y armónicos, proporcionales a la velocidad a la que se conmuta. La única forma de reducirlos es suavizando la discontinuidad (ralentizando el cambio de dV/dt) o simplemente disipándolos mediante una resistencia dependiente de la frecuencia (una perla de ferrita). Tratar ese ruido no es fácil, ni el ruido en sí mismo es trivial o ignorable. Evitar que se acople a otras cosas que no quieres que se acoplen es difícil, ya que puede acoplarse a través de cualquier impedancia compartida. Pero estoy divagando. Hay un libro entero dedicado SOLO a tratar lo que es, en definitiva, el ruido de conmutación. Lo verás fácilmente en un convertidor de conmutación, sólo tienes que mirar el nodo de conmutación en tu osciloscopio. No puede faltar. Y no es bonito. Sin embargo, los diodos rectificadores que se utilizan para los 60 Hz -.... apenas merecen ser llamados de conmutación. Cualquier ruido de los armónicos será insignificante, por eso no se ve nada. No hay nada que ver, excepto tal vez una pequeña cantidad de timbre superimpuesto en la forma de onda de 60Hz a frecuencias mucho más altas.
Si el Arte de la Electrónica es la biblia de la electrónica, es sólo el viejo testamento. Aquí está el nuevo testamento, la otra mitad de la biblia de EE.
