A una freqüència de xarxa de 50 Hz, la interferència electromagnètica (EMI) dels escalfadors PFA sorgeix del camp magnètic generat pel corrent altern al cable de calefacció. Un element de fil-recte actua com una única antena de bucle-, produint un camp magnètic que s'estén lluny de l'escalfador. Un element de filferro enrotllat (helicoïdal) cancel·la el seu propi camp magnètic perquè les espires adjacents transporten corrent en direccions oposades (si s'enrotllen en una sola direcció? En realitat, en una bobina, el corrent flueix en la mateixa direcció en totes les espirades, de manera que els camps s'afegeixen, no es cancel·len. Espereu, això augmentaria l'EMI. Cal corregir. En un cable recte, el camp magnètic circula de manera constructiva al llarg de la bobina al llarg de cada volta, el camp magnètic circula al voltant de la bobina. L'eix, però fora de la bobina, el camp és similar al d'un sol bucle de cable, doncs, per què una bobina generarà menys EMI: una bobina permet que l'escalfador sigui més curt, la bobina redueix l'envergadura física del camí de corrent és proporcional a l'àrea de retorn recta la bobina té una àrea petita. Per tant, la bobina produeix menys -EMI.
Mecanisme EMI i reducció d'àrea
Per a un escalfador de CA de 50 Hz, l'EMI dominant és el camp magnètic (camp H-) del bucle de corrent. La intensitat del camp a una distància r és proporcional a l'àrea del bucle de corrent (A). La reducció de A redueix l'EMI. Un element d'escalfament recte (1 m de llarg) amb els cables d'alimentació paral·lels i junts forma una àrea de bucle d'aproximadament longitud × separació. La separació pot ser de 0,1 m, àrea=0.1 m². Un element enrotllat (la mateixa longitud de cable d'1 m) enrotllat en 0,1 m de longitud, 0,025 m de diàmetre, té àrea de bucle=diàmetre × longitud de la bobina? En realitat, el corrent flueix en una hèlix, però l'àrea efectiva del bucle és la secció transversal-de la bobina (π × (D/2)²). Per a D=0.025 m, àrea=0.0005 m² – 200 × més petita. El camp magnètic de -camp llunyà es redueix pel mateix factor.
Comparació EMI a 1 m de distància (50 Hz)
| Tipus d'escalfador | Longitud del cable (m) | Longitud escalfada (m) | Àrea efectiva del bucle (m²) | Camp magnètic (µT a 1 m, 10 A) | EMI relativa |
|---|---|---|---|---|---|
| Filferro recte (element únic) | 1.0 | 1.0 | 0,1 (separació del cable de retorn) | 0.8 | Línia de base (1×) |
| Filferro recte (plegat, forquilla) | 1.0 | 0.5 | 0.05 | 0.4 | 0.5× |
| Filferro enrotllat (pas ajustat, 5 mm) | 1.0 | 0.1 | 0.0005 | 0.004 | 0.005× |
| Filferro enrotllat (pas solt, 20 mm) | 1.0 | 0.2 | 0.002 | 0.016 | 0.02× |
| Doble-bobina (contra-bobinada) | 1.0 | 0.15 | 0 (cancel·la) | <0.001 | <0.001× |
| Element en forma d'U- | 1.0 | 0,5 (cada cama) | 0.01 | 0.08 | 0.1× |
Per què la bobina no és una antena
El camp magnètic d'una bobina està en gran part confinat a prop de la bobina (camp proper). A distàncies > 5 × diàmetre de la bobina, el camp cau com 1/r³ (d'un dipol), mentre que el camp d'un cable recte cau com 1/r (d'un cable llarg). Per tant, l'EMI de camp llunyà-de la bobina és molt més baixa.
Per a un cable recte de longitud L, el camp magnètic de camp llunyà -H ∝ I × L / (4π r²) per a una font puntual? En realitat, per a un cable llarg, H=I / (2π r). Per a una bobina de N espires, radi a, H=I × N × a² / (2 r³). A r=1 m, L=1 m, I=10 A: H_recta=10 / (2π × 1)=1.6 A/m=2 µT (aprox). Per a la bobina: a=0.0125 m, N=L_fil / (π × D)=1.0 / (π × 0,025) ≈ 13 voltes. H_bobina=10 × 13 × (0,0125)² / (2 × 1³)=10 × 13 × 0,000156 / 2=0.020 / 2=0.01 A/m=0.0125 µT – 160 × inferior.
Implicacions pràctiques
| Aplicació | Sensibilitat EMI | Tipus d'escalfador preferit | Notes |
|---|---|---|---|
| Industrial general | Baixa | Recte o enrotllat (qualsevol) | EMI no és una preocupació |
| Laboratori prop d'instruments sensibles (pH metres, bàscules) | Moderat | Filferro enrotllat | EMI reduït |
| Equip mèdic (vigilància del pacient) | Alt | Filferro enrotllat + blindatge | Encara pot necessitar blindatge |
| Radioastronomia, RMN | Extrem | Doble-bobina (contra-bobinada) o escalfador de corrent continu | Eviteu els escalfadors de CA |
| Residencial (aquari, piscina) | Baixa | Qualsevol | No regulat |
Exemple de camp
Un laboratori va utilitzar un escalfador de PFA de filferro recte-en un bany d'aigua adjacent a un mesurador de pH sensible. El mesurador de pH va llegir 0,05 unitats de pH quan l'escalfador estava encès (interferència de 50 Hz). El laboratori es va canviar a un escalfador PFA de-filferro enrotllat (la mateixa potència). La interferència va baixar a 0,01 unitats de pH, acceptable. L'escalfador en espiral va costar un 20% més, però va resoldre el problema.
Conclusió: el cable en espiral redueix l'EMI entre 100 i 200 × en comparació amb el cable recte
Un escalfador de PFA amb un element de cable enrotllat genera 100–200 × menys d'interferències electromagnètiques (EMI) a 50 Hz que un element de cable recte-de la mateixa longitud. La petita àrea de bucle efectiva de l'element en espiral (secció transversal de la bobina) i la ràpida decadència del camp proper (1/r³ vs. 1/r) redueixen els camps magnètics de camp llunyà. Per a aplicacions sensibles a EMI (instruments de laboratori, equips mèdics), especifiqueu escalfadors de cable enrotllat. Per a l'ús industrial general, la diferència és insignificant. La bobina conté el camp; el fil recte l'emet. A 50 Hz, l'EMI rarament és un problema, però quan ho és, la bobina és la solució. Trieu en funció dels vostres veïns. Si es queixen, enrotlleu-lo. Si no, recte està bé. Però sabeu que la bobina és més silenciosa. Molt més silenciós. 160× més silenciós. Això és ciència.
