Mantener los motores de CC con escobillas a bajo costo

Económicos y fáciles de operar, los motores de CC con escobillas brindan el equilibrio ideal de rendimiento al precio correcto en industrias como la automotriz, aeroespacial, médica e industrial. Como resultado, se fabrican miles de millones anualmente en todo el mundo, una cifra que se espera que aumente en los próximos 10 años.

Sin embargo, los crecientes requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC) junto con entornos electrónicos más concurridos y "ruidosos" amenazan con alterar el equilibrio al llevar el costo de estas soluciones de gama baja a un nivel similar al de las alternativas sin escobillas más costosas.

El problema es la interferencia electromagnética (EMI) generada por las escobillas cuando rozan el conmutador, un inconveniente inherente del diseño. Para contrarrestar el ruido generado, se requiere una combinación de componentes de blindaje y filtrado. Esto no solo aumenta el costo, sino que muchas soluciones de filtrado EMI/RF para motores de CC con escobillas en el mercado tampoco son satisfactorias para cumplir con los requisitos EMC más altos de la actualidad.

"Muchas soluciones de filtrado de EMI no filtran todas las formas de ruido que se generan y muchas no pueden manejar corrientes de CC más altas sin un aumento correspondiente del costo", explica Christophe Cambrelin de Johanson Dielectrics, una empresa que fabrica una variedad de cerámica multicapa. condensadores y filtros EMI.

Para abordar estas preocupaciones, empresas como Johanson Dielectrics ahora ofrecen soluciones de filtrado EMI más avanzadas que aumentan ligeramente los costos de los motores de CC con escobillas, al tiempo que cumplen con los requisitos EMC en evolución.

Cuando los dispositivos electrónicos reciben fuertes ondas electromagnéticas, se pueden inducir corrientes eléctricas no deseadas en el circuito e interferir con las operaciones previstas. EMI incluso puede causar daños físicos en equipos operativos.

Lo que agrava el problema son los aumentos en la frecuencia del circuito operativo, los ruidos de frecuencias más altas que amplían el rango de frecuencia afectado y la miniaturización de los dispositivos electrónicos que reduce la distancia entre la fuente y la víctima. Si eso no fuera suficiente, muchos dispositivos electrónicos se ven más fácilmente afectados por el ruido, incluso con menos energía, debido a los circuitos actuales que funcionan con voltajes más bajos.

Como resultado, industrias como la del automóvil recurren cada vez más a los motores de corriente continua sin escobillas. Con estos motores, la conmutación se realiza electrónicamente. Por lo tanto, hay una generación de ruido significativamente menor (no se genera ruido por conmutación mecánica), pero la complejidad y el costo de implementación aumentan.

Por lo tanto, si se les da a elegir, los fabricantes de equipos originales preferirían soluciones que mantuvieran el precio relativamente bajo de los motores de CC con escobillas dadas las cantidades involucradas.

La interferencia EMI/RFI es radiada o conducida en un amplio rango de frecuencias desde varios cientos de hercios hasta varios gigahercios. El ruido radiado se produce cuando se aplica voltaje en niveles variables al cableado. Para mantener las radiaciones confinadas en la carcasa del motor, los fabricantes de motores de CC con escobillas deben tomar varias precauciones. El más importante es el material utilizado para la carcasa del motor, que debe ser de metal, así como una tapa de metal (no de plástico) encima. Cuando la tapa es de plástico, el usuario debe cubrirla con un protector metálico (que puede ser una placa de circuito impreso metalizada).

Cuando se conduce EMI/RFI, el ruido generado viaja a lo largo de los cables de alimentación eléctrica y luego se irradia. El blindaje es ineficaz contra el ruido conducido, por lo que se requiere filtrado con un dispositivo separado.

Los enfoques tradicionales de filtrado de modo común incluyen filtros de paso bajo compuestos por condensadores que pasan señales con una frecuencia inferior a la frecuencia de corte seleccionada y atenúan las señales con frecuencias superiores a la frecuencia de corte.

Entre las opciones para los OEM se encuentran diferenciales de dos capacitores, tres capacitores (un X-cap y 2 Y-caps), filtros de paso, estranguladores de modo común, filtros LC o combinaciones de estos.

Sin embargo, para cumplir con los crecientes requisitos de EMC, las soluciones de bajo costo, como los filtros diferenciales de dos capacitores, son insuficientes porque los capacitores no coincidentes generan un filtrado diferente de cada línea y, por lo tanto, la conversión de modo (es decir, parte del ruido de modo común se transforma en ruido de modo diferencial). , y viceversa). Los filtros tradicionales de tres capacitores son adecuados, siempre que los requisitos de EMC sean solo a frecuencias relativamente bajas (es decir, <150 MHz, como las radios AM/FM en automóviles).

Aunque proporcionan un buen rendimiento de filtrado, los filtros de tres condensadores suelen ser ineficaces para filtrar el ruido en las bandas de frecuencia de las telecomunicaciones. Otras soluciones, como los filtros de paso, ofrecen un buen rechazo en una amplia banda de frecuencias, pero resultan costosas cuando la línea de alimentación debe transportar una corriente de varios amperios. Además, los filtros de paso son dispositivos de un solo extremo y, por lo tanto, pueden introducir conversiones de modo (como filtros de dos tapas). "Independientemente del ruido generado, si se requiere una corriente CC alta, necesitará un filtro de alimentación muy grande y costoso, que elimina el motor de CC con escobillas como una solución de bajo costo", dice Cambrelin. Para los motores de CC con escobillas, una posible alternativa al filtro de paso bajo es un estrangulador de modo común.

Cuando una señal de modo común (misma corriente CA) pasa por cada devanado del estrangulador de modo común, el campo magnético proveniente de cada devanado se suma y, por lo tanto, la impedancia aumenta significativamente. Por otro lado, cuando una señal diferencial (corriente alterna opuesta) pasa por cada devanado, el campo magnético proveniente de cada devanado se restará entre sí y, por lo tanto, la impedancia disminuirá significativamente.

Es por eso que los estranguladores de modo común bloquean el ruido de modo común, pero dejan pasar una señal diferencial. De manera similar a los filtros de alimentación, se requiere un estrangulador común más grande y costoso para poder transportar una corriente significativa (es decir, más de 1 A rms). A pesar de la popularidad de los estranguladores de modo común, una mejor alternativa pueden ser los filtros EMI monolíticos.

En comparación con los estranguladores de modo común, los filtros EMI monolíticos brindan una supresión de RFI significativamente mayor en un paquete sustancialmente más pequeño. Un filtro EMI monolítico también rechaza una banda de frecuencia mucho más amplia y no se ve afectado por la cantidad de corriente continua requerida porque está montado en derivación (entre líneas y 'tierra').

Los filtros EMI combinan dos capacitores de derivación balanceados en un solo paquete, con cancelación de inductancia mutua y efecto de protección. Estos filtros de Johanson Dielectrics usan dos vías eléctricas separadas dentro de un solo dispositivo conectado a cuatro conexiones externas.

Al igual que otros filtros EMI, los filtros EMI monolíticos atenúan toda la energía por encima de una frecuencia de corte específica, y solo seleccionan pasar la energía de señal requerida mientras desvían el ruido no deseado a "tierra". La clave, sin embargo, es la muy baja inductancia y la impedancia adaptada. Con los filtros EMI monolíticos, las terminaciones se conectan internamente a un electrodo de referencia común (blindaje) dentro del dispositivo y las placas están separadas por el electrodo de referencia.

Los filtros EMI monolíticos pueden ser efectivos de 50 KHz a 6 GHz y filtran tanto el ruido de modo común como el de modo diferencial. El filtro prácticamente no tiene límite en la cantidad de corriente continua, porque está diseñado para funcionar en paralelo con el motor y no fluye corriente continua a través de él.

Independientemente del tipo de filtro, un factor que a menudo se pasa por alto es el hecho de que muchos motores de CC con escobillas están controlados por una señal modulada por ancho de pulso (PWM). Con la señal PWM, el voltaje se activa y desactiva a una velocidad muy rápida, entre unos pocos kilohercios (kHz) y decenas de kHz. La potencia total suministrada se basa en el tiempo que el interruptor está encendido en comparación con los períodos de apagado. La señal PWM es particularmente adecuada para motores porque la constante de tiempo de un motor es muy larga en comparación con el período de una señal PWM. Es por eso que el motor de CC del cepillo actúa como si el promedio de la señal PWM se aplicara en los cables de alimentación.

"Cuando prueba el motor por primera vez en el laboratorio, el filtro EMI puede funcionar bien, pero todo cambia cuando aplica una señal PWM en los cables de alimentación", explica Cambrelin. "Desea filtrar el ruido, pero no filtrar [involuntariamente] la señal PWM. Si no elige el filtro correcto, es posible que el motor ni siquiera arranque". Esto puede ser un problema para los usuarios que no están acostumbrados a desarrollar filtros LC diferenciales.

Con los filtros EMI monolíticos, no se necesitan habilidades especiales en el filtrado: la respuesta del filtro (es decir, el rechazo del ruido de modo común frente a la frecuencia) la proporciona directamente el fabricante. Cambrelin dice que Johanson Dielectrics también está trabajando en una solución integrada para motores de CC con escobillas que permitirá montar el filtro EMI monolítico directamente en la carcasa sin la necesidad de fabricar una PCB.

"Los problemas de EMI se volverán más problemáticos con las frecuencias más altas con Bluetooth, Wi-Fi y ahora con dispositivos 5G. Eso significa que los filtros EMI tendrán que manejar rangos de frecuencia más amplios mientras permiten que pasen las señales apropiadas. Esto también ayuda Los OEM cumplen con los estándares regulatorios que existen en la mayoría de los países que limitan la cantidad de ruido que se puede emitir".