EMI szűrés szénkefés DC motoroknál — megoldások és gyakorlati szempontok

A szénkefés DC motorok megbízható, egyszerű és olcsó hajtásmegoldást kínálnak ipari, hobbi és beágyazott rendszerekben egyaránt. Azonban az ilyen típusú motorok egyik komoly hátránya az általuk keltett elektromágneses interferencia (EMI).
Szerző: HESTORE Hungary Kft. / Hódi Gábor

A szénkefés DC motorok megbízható, egyszerű és olcsó hajtásmegoldást kínálnak ipari-, hobbi-, és beágyazott rendszerekben egyaránt. Azonban az ilyen típusú motorok egyik komoly hátránya az általuk keltett elektromágneses interferencia (EMI), amely zavarhatja a környező áramköröket, vezeték nélküli kommunikációs modulokat és más érzékeny eszközöket. Cikkünk célja bemutatni, hogy mi okozza ezeket a zajokat, milyen tényezők befolyásolják az EMI mértékét, valamint hogyan lehet hatékonyan csökkenteni ezeket megfelelő zavarszűréssel.

Mi okozza az EMI zajt szénkefés motorokban?

A szénkefés DC motor működésének alapvető jellemzője a mechanikus kommutáció, amely a forgórész (armatúra) és a szénkefék közötti érintkezés révén történik. Ez az érintkezés folyamatosan nyílik és záródik, amely során szikraképződés lép fel. Ezek a szikrák nagyfrekvenciás zajforrást jelentenek.

Az EMI főbb forrásai:

• Kommutátornál keletkező szikrák: nagyfrekvenciás feszültséglökéseket generálnak.
• Current loop antenna: a motor, a tápvezetékek és a meghajtó áramkör által bezárt hurkok effektív antennaként sugároznak.
• Mágneses zajok: a gyorsan változó áram mágneses térváltozást is generál, ami más vezetőkben feszültséget indukálhat.

Ház kialakítás: műanyag vs. fém, nyitott vs. zárt

A motorháznak jelentős hatása van az EMI kibocsátásra:

A zárt, fémházas motor EMI szempontból előnyös, mivel a fémház Faraday-kalitkaként viselkedik, jelentősen csökkentve a kibocsátott elektromágneses hullámokat.

Zaj szempontból a fémházzal és fém zárólemezzel rendelkező motorok mindig előnyösebbek a műanyag házas motorokkal szemben. Szénkefékből származó zajok tekintetében a fém zárólemez sokkal előnyösebb mint a műanyag záróelemmel / zárókupakkal rendelkező típusok, hiszen pont a szénkefe környezetére kell leginkább árnyékolás.

Földelt vs. nem földelt házak

A fémház elektromos földelése kulcsfontosságú:

A földelt fémház segíti az EMI gyors útját a földelés/árnyékolás felé, csökkentve a rendszer zavartermelését.

Zavarszűrő kondenzátorok szerepe

A zavarszűrés legegyszerűbb és legolcsóbb módja a kondenzátorok használata. Ezek a magasfrekvenciás jelek áramát zárják le rövid úton, megakadályozva a továbbterjedésüket.

Alkalmazott kondenzátorok:

• Kerámia (X7R, NP0) vagy film kondenzátorok, magas feszültséggel (jellemzően 100V, 12-24V táplálás esetén), tipikus érték: 10nF–100nF.

Kondenzátorok elhelyezése

A kondenzátorok pozíciója kulcsfontosságú a hatékonyság szempontjából:

Ez az elrendezés Y-szűrőként működik, ahol két kondenzátor megy a pozitív és negatív ágról a házra, és egy harmadik azok közé (X-szűrő). Egy 2004-es mérés és prezentáció szerint (X2Y Attenuators LLC, 2004, USA) ez az elrendezés akár 40–60 dB csillapítást is elérhet a 30–300 MHz sávban.

Javasolt kondenzátorok max. 12/24V-os mini motorok esetén

Funkció	Ajánlás
100nF / 100V multilayer szűrőkondenzátor	100 nF / 100V 100.299.11 1+: € 0.189
100nF / 100V Y5V kerámia szűrőkondenzátor	100 nF / 100V 100.278.06 1+: € 0.214
10nF / 100V X7R multilayer szűrőkondenzátor	10 nF / 100V 100.303.00 1+: € 0.251

Soros kondenzátor és a PWM együttműködése

PWM-es üzem esetén nagyon fontos figyelembe venni a kondenzátorok reaktanciáját is. Amennyiben nem pusztán egyenárammal, hanem szaggatatott egyenárammal (PWM) van hajtva a motor, úgy a frekvencia növekedésével kondenzátorok soros ellenállásként kezdenek viselkedni, és ami szűrés szempontból előny (levezetik a zajt), az a PWM meghajtó híd szempontjából problémákat okozhat. Túl magas PWM frekvencia esetén az áram egy része a kondenzátorokon (azok reaktanciája [ellenállása] miatt) veszteségként fog jelentkezni (mintegy feleslegesen terhelve a H-hidat), és melegedés lép fel a kondenzátoron. Szélsőséges esetben, helytelenül megválasztott szűrőkondenzátor (túl nagy kapacitás értékű), nem elég "fürge" a PWM-hez és túlmelegedik és károsodik, akár rövidzárt okozva a meghajtó H-Hídnak.

A kondenzátor reaktancia értékét az alábbi képlettel számolhatjuk ki a PWM frekvencia ismeretében:

\( X_C = \frac{1}{\omega C} = \frac{1}{2\pi f \cdot C} \)

Az így kiszámolt reaktancia csak csúcsokban ugyan, de "felesleges" terhelésként fog jelentkezni a meghajtó szempontjából.

Soros induktivitások használata

A motor tápágába illesztett soros fojtók (induktivitások) az alacsony frekvenciás áramot átengedik, de a nagyfrekvenciás zajokat blokkolják.

• Ferritgyöngy vagy vasmagos toroid javasolt, 1–10 µH értékkel.
• Nagy áramtűrés és kis DC ellenállás fontos.

Soros induktivitások választása esetén mindenképpen szükséges figyelembe venni a motor áramát, figyelni kell rá, hogy a választott induktivitás (tekercs) telítési árama mindenképpen legalább 30%-al magasabb legyen mint a motor maximális áramfelvétele. A tekercs induktivitás értékének (µH (mikrohenry), mH (millihenry)) megválasztásánál pedig figyelemmel kell lenni a PWM frekvenciára, ugyanis a PWM frekvencia közvetlenül meghatározza majd a választott induktivitás reaktanciáját (XL, A reaktancia az elektromos áramkörökben a váltakozó áram hatására fellépő ellenállás érték).

A tekercs reaktanciáját kiszámolhatjuk a frekvencia ismeretében, az alábbi képlettel:

\( X_L = \omega L = 2\pi f \cdot L \)

A kiszámolt reaktancia áramkorlátozó elemként fog fellépni, ami csökkenti az átfolyó áramot, illetve nem kívánt melegedés léphet fel.

Közös módosú soros fojtók (soros induktivitások) használata

A közös módusú fojtók (common-mode choke) hatékony eszközök a szénkefés DC motorok által keltett elektromágneses zavarok szűrésére, különösen akkor, ha a motor tápkábelein közös módusú zaj terjed. Ezek az eszközök úgy működnek, hogy a motor felé és visszatérő ágon folyó szimmetrikus áramokat átengedik, míg a szimmetria felbomlása – például a kommutátor szikrázása miatt keletkező magasfrekvenciás zavarok – mágneses fluxusként jelenik meg a ferritmagban, és induktív ellenállásként hat. Így a közös módusú zajok jelentős mértékben elnyomhatók anélkül, hogy a hasznos áramkört befolyásolnák.

A közös módusú fojtók különösen hatékonyak PWM-es motorvezérlés esetén, ahol a gyors kapcsolási élek erőteljes rádiófrekvenciás sugárzást generálhatnak, amelyet ezek a fojtók képesek elnyomni, ezzel elősegítve a rendszer EMC megfelelőségét.

Javasolt ferrit gyűrűk, kisméretű motorokhoz

Funkció	Ajánlás
TF-10X4X6 (Ferrit gyűrű, 10x4x6)	TF-10X4X6 100.279.89 1+: € 0.189
RT-205-102-100 (Ferrit gyűrű, RT 20x10x10)	RT-205-102-100 100.279.86 1+: € 1.248
RI-RT25-15-12 (Ferrit gyűrű, RT 25x15x12)	RI-RT25-15-12 100.279.88 1+: € 1.379
RI-RKCF-05-A5 (Ferrit, műa. házban, 4.5 - 5mm, utólagosan kábelre illeszthető)	RI-RKCF-05-A5 100.267.52 1+: € 2.312

Meghajtási módok: DC vs. PWM

A meghajtási mód jelentősen befolyásolja az EMI spektrumot:

A PWM-es vezérlés miatt a motor áramában jelentős frekvenciatartomány szélesedés figyelhető meg, különösen, ha a vezérlő kapcsolási sebessége 10–100 kHz közé esik. Ezt a vezetéken és a házon keresztül is kisugározhatja a rendszer.

EMI megfelelőségi szabványok

Az alábbi szabványok meghatározzák az elfogadható EMI szinteket:

• CISPR 11 / EN 55011 (ipari, tudományos és orvosi berendezések)
• EN 61000-6-4 (ipari környezetben kibocsátás)
• EN 61000-6-2 (ipari környezetben zavartűrés)

A megfelelés érdekében laboratóriumi mérések és frekvencia-spektrum analízis szükséges, valamint gondos PCB és kábelezési tervezés.

Kísérletezne, mérne, ismerkedne a zajszűréssel?

Íme néhány közkedvelt szénkefés DC motor a HESTORE-tól:

Funkció	Ajánlás
DCM-3V (Univerzális DC motor)	DCM-3V 100.355.58 1+: € 0.993
RM-17 (Áttételes DC motor 3-6V, robot/modell célra)	RM-17 100.355.29 1+: € 2.057
JGB37-520-12V-60RPM (Szénkefés áttételes motor, 12V DC, 60RPM)	JGB37-520-12V-60RPM 100.485.93 1+: € 10.059
AMM58 (Áttételes modellmotor)	AMM58 100.225.27 1+: € 4.173
RE260 (Egyenáramú kismotor, talpazattal, 1.5...4.5V)	RE260 100.259.96 1+: € 2.458
MAB400 (Nagy teljesítményű motor 12V DC, 6.8W)	MAB400 100.447.10 1+: € 5.787

Legyünk figyelemmel a DC motorok EMI zajaira

A szénkefés DC motorok EMI szűrése nem csak megfelelőségi kérdés, hanem a megbízható működés alapja is. Legyen szó egy egyszerű nyitott hajtásról vagy ipari zárt rendszerű vezérlésről, a kondenzátorok és induktivitások helyes elhelyezése, a ház földelése és a meghajtási mód megfelelő kiválasztása hatalmas különbséget jelenthet. Ha PWM vezérlést alkalmazunk, még fontosabb a szűrők és árnyékolás gondos alkalmazása.

A HESTORE.hu kínálatában megtalálhatóak kiváló minőségű zavarszűrő kondenzátorok, ferritgyöngyök és földelhető házú motorok, így minden szükséges eszköz rendelkezésre áll az optimális EMI szűréshez.