Hakkuriteholähteiden akustisen melun vaimentaminen

Autossa istuessamme moottorin ääni tuntuu aivan normaalilta. Moottoritilassahan on kone, jossa on liikkuvia osia. Jotkut jopa pitävät tätä ääntä hyvin miellyttävänä. Itse asiassa autojen ja muiden tuotteiden valmistajilla on kokonaisia tutkimusosastoja, jotka ovat erikoistuneet miellyttävien äänikokemusten luomiseen ja hienosäätöön.

Hakkuriteholähteiden kohdalla tilanne on kuitenkin toinen. Huminaa tai vinkunaa voidaan pitää jopa varoitusmerkkinä. Vaikka teholähteissä on suuri määrä elektroniikkakomponentteja, minkään ei pitäisi liikkua kun niitä käytetään. Näin ollen mitään meluakaan ei tulisi kuulua, eikö niin?

AC-teholähteiden yleisin häiritsevä ääni on taajuudeltaan matala 100 tai 120 hertsin humina. Kun teholähteiden monimutkaisuus ja rakenne on kehittynyt, myös niistä lähtevät ääniaallot ovat muuttuneet. Suurin osa äänistä ei kuitenkaan anna aihetta huoleen.

Aistiminen ja vaikutus

Ihmiset kuulevat ääniaaltoja noin 16 Hz – 20 kHz:n taajuusalueella (kuva 1). Se, aiheuttaako ääni häiriötä tai ärsytystä, riippuu myös siitä, miten ääni aistitaan ympäristössä, jossa se syntyy.

Kuva 1: Ihmiskorvalle kuuluva taajuusalue. (Kuvan lähde: TRACO)

Kuultavaa melua synnyttävä teollinen teholähde ei todennäköisesti muodosta todellista ongelmaa, sillä useimmat lähistöllä olevat kokevat sen vain osaksi tehtaan normaalia taustahälyä. Muut äänet saattavat niiden taajuuden ja voimakkuuden vuoksi myös peittää teholähteen synnyttämät taajuudet. Tätä vaikutusta on tutkittu psykoakustiikassa sekä kehitettäessä MP3-audiopakkausta. Tällaiset virtalähteet on myös yleensä rakennettu ohjauspaneelien sisään, jolloin niiden suljetut ovet auttavat vaimentamaan mahdollisesti syntyvää melua.

Erilaisessa ympäristössä, kuten toimistossa, reaktio teholähteen meluun on merkittävästi erilainen. Sähkölaitteen vinkunaa tai surinaa pidetään todennäköisesti epämiellyttävänä, ja se voi jopa herättää huolta laitteen turvallisuudesta.

Syyt ja tausta

Magneettikentät

Jos magneettikentässä sijaitsevassa johtimessa kulkee sähkövirta, siihen kohdistuu yleensä voima. Tämän voiman vaikutus on suurimmillaan, kun virran ja magneettikentän suunta ovat 90 asteen kulmassa. Tällaisissa tapauksissa vaikuttava voima on vertikaalinen virran kulkuun ja magneettikentän suuntaan nähden. Flemingin oikean käden säännön mukaisesti voiman suunta voidaan määrittää oikean käden kolmen sormen avulla (kuva 2).

Kuva 2: Oikean/vasemman käden sääntö. (Kuvan lähde : TRACO)

Muuntajien ja joidenkin induktorien tapauksessa rautasydämeen voi vaikuttaa myös magnetostriktiona tunnettu ilmiö, jonka James Joule tunnisti ensi kerran vuonna 1842. Se saa ferromagneettiset materiaalit muuttamaan muotoaan tai mittojaan magnetisaatiossa, jonka aiheuttaa virran kulku komponentin johtimen läpi. Nämä pienet tilavuusmuutokset aiheuttavat kitkasta johtuvan lämpenemisen lisäksi usein myös kuultavaa ääntä.

Muuntajissa käytetään usein Fe-Si-terästä (kutsutaan myös piiteräkseksi) erilaisilla piipitoisuuksilla. Tämä auttaa lisäämään raudan sähköistä resistiivisyyttä. Optimaalisen magnetostriktion vähennyksen tarjoaa 6-prosenttinen piiteräs, mutta se on toisaalta hauraampaa.

Pietsosähköinen ilmiö

Pietsosähköinen ilmiö on toinen melun lähde. Sana ”pietso” tulee kreikan kielen painetta tarkoittavasta sanasta. Jacques ja Pierre Curie havaitsivat vuonna 1880, että erilaisiin kristalleihin (kuten kvartsi) kohdistuva paine synnyttää sähkövarauksen. He kutsuivat tätä pietsosähköiseksi ilmiöksi (kuva 3). Myöhemmin he havaitsivat, että sähkökentät voivat muuttaa pietsosähköisten materiaalien muotoa. Tätä kutsutaan käänteiseksi pietsosähköiseksi ilmiöksi.

Kuva 3: Pietsosähköinen ilmiö kvartsin kaltaisissa materiaaleissa. (Kuvan lähde : TRACO)

Näiden materiaalien pituus muuttuu käänteisen pietsosähköisen ilmiön seurauksena kytkettäessä sähköinen jännite . Tämä aktuaattorivaikutus muuttaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi. Jännitteen muutokset muuttavat myös keraamisten kondensaattorien geometrista massaa, jolloin ne toimivat kuin pienet kaiuttimet ja lähettävät ympäristöön paineaaltoja.

Hakkuritopologiat ja takaisinkytkentäsilmukat

Pyrkimys kohti yhä tehokkaampaa virran muunnosta tarkoittaa, että jopa yksinkertaisimpiin teholähteisiin integroidaan hakkuritopologioita. Tällaisten laitteiden ensisijainen hakkuritaajuus valitaan yleensä siten, että se ylittää ihmisaistit (>20 kHz). Hakkuriratkaisuissa, joissa taajuuden pitää mukautua kuorman ja syöttöjännitteen mukaan, se voi kuitenkin pudota kuuloalueelle, jotta muunnoksen tehokkuus säilyy optimaalisena.

Kiinteän taajuuden ratkaisuissa syklin ohituksesta tai pursketilan käytöstä voi seurata kuuloalueelle laskeva kytkentämalli, vaikka itse hakkuritaajuus olisi yli 20 kHz. Jos toteutuksessa näkyy säännöllisiä kytkentäpulsseja, joita kaksi tai useampi ohitettua pulssia epäsäännöllisesti rikkoo, tämä voi kertoa ongelmista takaisinkytkentäpiirissä (kuva 4). Tässä kohtaa kannattaa käydä läpi takaisinkytkentäpiirin komponentit sekä optoerotinten toiminta-alueet.

Kuva 4: Takaisinkytkentäpiirin ongelmat voivat synnyttää epäsäännöllisiä pulssittomia jaksoja (alempi kaavio) kiinteää taajuutta käyttävissä malleissa. (Kuvan lähde : TRACO)

Kuultavaan meluun liittyvien ongelmien määrittäminen ja ratkaiseminen

Suurempia virtatiheyksiä haluttaessa hakkuriteholähteiden koko pienenee yhä entisestään, ja voi olla haastavaa jo pelkästään selvittää mikä komponenteista synnyttää kuultavan melun. Jos oletetaan, että laite toimii sähköisesti oikein, eräs tapa on käyttää sähköä johtamatonta esinettä, kuten syömäpuikkoa, ja painaa piirilevyn komponentteja laitteen ollessa käynnissä. Hyvä lähtökohta voi olla, jos melu muuttuu tai vähenee tärkeimpien kandidaattien kohdalla, esimerkkinä keraamiset tai magneettiset komponentit.

Jos turvallista johtamatonta välinettä ei löydy, paperiarkista voi tehdä yksinkertaisen kuulotorven. Kartioksi rullatun paperin kapeampi pää voidaan suunnata epäiltyä komponenttia kohti ja arvioida näin niiden melutasoa.

Keraamisten kondensaattorien suuret dv/dt-heilahtelut pitävät usein kuultavaa melua. Niitä käytetään yleisesti rajoitin- ja kytkentäsuojauspiireissä sekä lähtöasteissa. Niiden vaikutusta meluun voi kokeilla korvaamalla ne erilaista eristemateriaalia, kuten metallikalvoa, käyttävillä kondensaattoreilla tai nostamalla sarjaan kytkettyä vastusta (kuva 5). Jos kuuluva melu vähenee, kannattaa harkita komponentin pysyvää vaihtoa toiseen.

Kuva 5: Kytkentäsuojapiirin kondensaattori voidaan vaihtaa metallikalvotyyppiseen tai piiriin voi kokeilla suurempaa vastusta. (Kuvan lähde : TRACO)

Rajoitinpiirien vaihtaminen zenerdiodeihin voi myös auttaa. Ongelmalliset lähtöasteen kondensaattorit voidaan vaihtaa toista eristemateriaalia käyttäviin tai korvata vastaavan suuruisilla rinnakkaisilla keraamisilla kondensaattoreilla, jos tilaa riittää.

Jos melun lähteenä ovat magneettiset komponentit, varmista ensin, että tulojännite ja lähtökuorma ovat aina määritellyllä alueella. Tulopuolen kapasitanssin kasvattaminen voi auttaa, jos tulojännite laskee ajoittain liian alas. Muuntajien upotuslakkaus sekä induktorien upotuslakkaus ja valukotelointi ovat eräs tapa vähentää melua. Pitkät muuntajasydämet myös resonoivat kuuluvammin kuin lyhyet. Mikäli mahdollista, kannattaa harkita vaihtoa lyhyempään sydämeen, johon kuitenkin mahtuu yhä riittävä käämitys.

On syytä muistaa, että kaikille tässä esitellyille lähestymistavoille on todennäköisesti tehtävä toistuvia varmistuksia ja tuotantotestausta.

Yhteenveto

Teholähteiden synnyttämä melu aiheutuu tavallisimmin voimista, joita magneettikentissä kohdistuu johtimiin, joissa kulkee sähkövirta, sekä kondensaattorien pietsosähköisestä ilmiöstä. Vaikka piirien simulointi onkin parantunut, kuultava melu tulee yleensä ilmi vasta kun laite on rakennettu, ja joskus vasta kun sarja teholähteitä on valmisteltu esituotantoon.

Vaikka useimmat teholähteestä kuuluvat äänet eivät aiheuta huolta toimivuuden tai turvallisuuden näkökulmasta, ne voivat olla ärsyttäviä tai antaa asiakkaille huonon laatuvaikutelman. Noudattamalla tässä annettuja yksinkertaisia vinkkejä melua synnyttävät komponentit voidaan nopeasti tunnistaa, ja näillä lähestymistavoilla ne voidaan korvata, täydentää tai vaihtaa, jotta häiritsevät äänet saadaan minimoitua tai poistettua.