Soppressione del rumore acustico negli alimentatori a commutazione

Quando siamo seduti in auto, il rumore del motore percepito è qualcosa di assolutamente normale. Del resto, sotto il cofano c'è una macchina con parti in movimento. Per alcuni questo rumore è addirittura molto piacevole. I costruttori di automobili e di altri prodotti hanno persino interi reparti di ricerca dedicati a sperimentare - e a creare - esperienze sonore piacevoli.

Nel caso degli alimentatori a commutazione (SMPS), però, la situazione è diversa. Rumori come ronzii o fischi possono essere interpretati come un segnale di qualcosa che non va. Sebbene gli alimentatori siano costituiti da numerosi componenti elettronici, quando sono in funzione nulla dovrebbe muoversi. Pertanto non dovrebbe essere rumorosi, giusto?

La causa più comune di rumori emessi dagli alimentatori in c.a. è in genere un ronzio a bassa frequenza a 100 o 120 Hz. Con l'aumentare della complessità degli alimentatori e il cambiamento della loro struttura, è cambiato anche il campo di frequenza delle onde sonore emesse. La maggior parte dei rumori non dovrebbe però essere motivo di preoccupazione.

Percezione ed effetto

L'uomo può sentire le onde sonore nel campo di frequenza da 16 Hz a circa 20 kHz (Figura 1). Ma è la percezione di quel suono nell'ambiente in cui viene generato che determina se causa o meno distrazione o irritazione.

Figura 1: Campo di frequenza udibile dall'orecchio umano. (Immagine per gentile concessione di TRACO)

Un alimentatore industriale che genera un rumore udibile probabilmente non costituisce un problema reale per le persone, poiché la maggior parte di quelle che sono nei pressi lo avvertirà come normale componente del lavoro che si svolge in fabbrica nel contesto di altri rumori di fondo. Altri rumori, grazie alla loro frequenza e al loro volume, possono anche mascherare le frequenze generate da un alimentatore. Questo effetto è studiato in psicoacustica e utilizzato nella compressione dell'audio in MP3. In genere poi, questi alimentatori sono integrati in pannelli di controllo con porte chiuse che aiutano a smorzare qualsiasi rumorosità possa essere generata.

In un ambiente diverso, ad esempio in un ufficio, la reazione al rumore degli alimentatori sarà molto diversa. I fischi o i ronzii di un dispositivo elettrico probabilmente saranno percepiti come spiacevoli e potrebbero persino sollevare preoccupazioni sulla sicurezza.

Cause e premesse

I campi magnetici

Se un conduttore di corrente si trova in un campo magnetico, in genere è soggetto a una forza, il cui effetto è maggiore quando la direzione della corrente e quella del campo magnetico formano un angolo di 90°. In questi casi, la forza d'urto è verticale rispetto al flusso di corrente e alla direzione del campo magnetico. Per determinare la direzione di questa forza si possono usare tre dita della mano destra e la regola della mano destra di Fleming (Figura 2).

Figura 2: Regola della mano destra/sinistra. (Immagine per gentile concessione di TRACO)

Nel contesto dei trasformatori e di alcuni induttori, un nucleo di ferro può anche soffrire di un effetto noto come magnetostrizione, identificato per la prima volta da James Joule nel 1842. Questo effetto fa sì che i materiali ferromagnetici cambino forma o dimensione durante il processo di magnetizzazione che risulta dal passaggio della corrente attraverso il conduttore del componente. Oltre a portare al riscaldamento a causa della resistenza, questi piccoli cambiamenti di volume del materiale spesso generano anche un rumore udibile.

I trasformatori spesso utilizzano acciaio Fe-Si (noto come acciaio al silicio) con un contenuto di silicio variabile che contribuisce ad aumentare la resistività elettrica del ferro. L'acciaio al silicio al 6% fornisce il livello ottimale di riduzione della magnetostrizione, ma al costo di una maggiore fragilità.

L'effetto piezoelettrico

Un'ulteriore causa di rumore proviene dall'effetto piezoelettrico. La parola "piezo" deriva dalla parola greca che significa pressione. Nel 1880, Jacques e Pierre Curie scoprirono che la pressione in vari cristalli, come il quarzo, generava una carica elettrica e chiamarono questo fenomeno "effetto piezoelettrico" (Figura 3). In seguito, notarono che i campi elettrici possono deformare i materiali piezoelettrici. Questo fenomeno è noto come "effetto piezoelettrico inverso".

Figura 3: Effetto piezoelettrico come si presenta in materiali come il quarzo. (Immagine per gentile concessione di TRACO)

L'effetto piezoelettrico inverso provoca una variazione di lunghezza di questi materiali quando viene applicata una tensione elettrica. Questo effetto attuatore converte l'energia elettrica in energia meccanica. Le variazioni di tensione alterano anche la massa geometrica dei condensatori ceramici, che si comporteranno quindi come minuscoli altoparlanti che emettono onde di pressione nelle vicinanze.

Topologie di commutazione e anelli di retroazione

La richiesta di una conversione di potenza sempre più efficiente ha portato all'integrazione delle topologie di commutazione anche nei prodotti di alimentazione più semplici. Spesso, la frequenza di commutazione primaria scelta in questi progetti sarà superiore al limite della percezione umana (>20 kHz). Tuttavia, nelle soluzioni di commutazione che si basano sul cambiamento della loro frequenza di commutazione in funzione della variazione del carico e della tensione di ingresso, per mantenere un'efficienza di conversione ottimale il limite può scendere fino alle frequenze udibili.

Nelle soluzioni a frequenza fissa, caratteristiche come il salto del ciclo o il funzionamento in modalità burst possono determinare uno schema di commutazione che rientra nel campo udibile, nonostante la frequenza di commutazione sia superiore a 20 kHz. Se la soluzione mostra impulsi di commutazione regolari interrotti in modo irregolare da periodi di due o più impulsi saltati, potrebbe essere il segnale che vi sono dei problemi nel circuito di retroazione (Figura 4). In questo caso è opportuno esaminare i componenti del circuito di retroazione e la regione di funzionamento di qualsiasi optoaccoppiatore.

Figura 4: I problemi nel circuito di retroazione possono portare a periodi irregolari senza impulsi (grafico in basso) in progetti di commutazione a frequenza fissa. (Immagine per gentile concessione di TRACO)

Individuazione e risoluzione dei problemi di rumore udibile

La sempre maggiore compattezza degli SMPS dovuta alla richiesta di densità di potenza maggiori può persino rendere difficile individuare quale sia il componente all'origine del rumore udibile. Presumendo che il progetto funzioni correttamente dal punto di vista elettrico, si potrebbe ad esempio utilizzare un oggetto non conduttivo, come una bacchetta di legno, per esercitare una leggera pressione sui singoli componenti del circuito mentre il dispositivo è in funzione. Cambiamenti o riduzioni del rumore, soprattutto tra i candidati più probabili, come i componenti ceramici o magnetici, possono fornire un buon punto di partenza.

Se invece non si ha a portata di mano un attrezzo non conduttivo sicuro, si può creare una rudimentale tromba auricolare con un foglio di carta, rivolgendo verso i componenti sospetti l'apertura dell'estremità piccola del cono di carta arrotolata per valutare le sorgenti che generano rumore.

I condensatori ceramici che subiscono elevate oscillazioni dV/dt spesso si rivelano rumorosi e tendono a essere presenti nei circuiti soppressori e clumper, così come negli stadi di uscita. Per verificare se sono loro la sorgente del rumore, li si può sostituire con condensatori con dielettrici alternativi come la pellicola metallica, oppure si potrebbe aumentare la resistenza in serie (Figura 5). Se il rumore udibile diminuisse, si dovrebbe valutare la sostituzione definitiva del componente.

Figura 5: Il condensatore nel circuito snubber può essere sostituito con un tipo a pellicola metallica, oppure si può provare ad aumentare la resistenza. (Immagine per gentile concessione di TRACO)

Può essere d'aiuto anche sostituire i circuiti clamper per utilizzare diodi Zener. I condensatori dello stadio di uscita problematico potrebbero essere sostituiti con un altro dielettrico o, se lo spazio lo consente, con condensatori ceramici in parallelo di valore equivalente.

Se la sorgente di rumore è nei componenti magnetici, assicurarsi innanzitutto che la tensione di ingresso e il carico in uscita siano sempre entro l'intervallo specificato. L'aumento della capacità elettrica sul lato d'ingresso può essere d'aiuto se a volte la tensione di ingresso scende troppo. La verniciatura per immersione dei trasformatori e induttori incapsulati e verniciati sono un approccio alla riduzione del rumore. Anche i trasformatori con un nucleo lungo tendono a risuonare in modo più udibile rispetto a quelli con nucleo corto. Ove possibile, considerare la possibilità di passare a un nucleo più corto alternativo che possa comunque ospitare il numero di avvolgimenti richiesto.

Va tenuto presente che, per tutti i possibili approcci illustrati, molto probabilmente occorrerà ripetere le verifiche e i test di produzione.

Riepilogo

I principali responsabili dei rumori udibili emessi dagli alimentatori sono l'impatto della forza dei conduttori di corrente nei campi magnetici e l'effetto piezoelettrico inverso dei condensatori. Nonostante i progressi fatti nella simulazione, il rumore udibile in genere diventa evidente solo dopo che il progetto è stato fisicamente costruito e, a volte, solo dopo che una certa quantità di alimentatori è stata preparata per la pre-produzione.

Anche se la maggior parte del rumore udibile negli alimentatori non dovrebbe essere motivo di grande preoccupazione dal punto di vista della funzionalità o della sicurezza, può essere fastidioso e venire percepito dai clienti anche come un problema di qualità. Seguendo alcuni dei semplici suggerimenti dati in questo articolo, è possibile identificare rapidamente i componenti che sono fonte di rumore e sostituirli, fissarli o modificarli per ridurre al minimo o eliminare i fastidiosi rumori generati.