Подавление помех в цепях питания электронных устройств
Типичные виды помех в электросетях, EMI–фильтры для их
подавления, примеры узлов подавления синфазных и противофазных
помех,
ограничители импульсных выбросов напряжения
Помехи, присутствующие в современной электросети, негативно влияют на работу подключённых к ней электронных устройств. Они способны значительно снизить
качество работы электроаппаратуры, а в некоторых случаях и привести к её неисправностям.
Значительно уменьшить эти проблемы позволяет правильно спроектированный сетевой фильтр.
Довольно подробное описание компонентов «правильного» сетевого фильтра приведено в статье, опубликованной на станице сайта
https://www.433175.ru.
Приведём основные выкладки из статьи:
Для начала рассмотрим типичные виды помех на электросетях:
1. Короткие импульсные помехи, амплитуда которых может в разы превышать номинал питающего напряжения, и возникающие при переключении различных мощных
индуктивных нагрузок:
контакторов и электродвигателей систем вентиляции, стиральных машин и пр. Длительность – от долей до сотен микросекунд;
2. Шумовые помехи искровой природы от щеточных контактов генераторов тока и нагрузок с вращающимся элементом (амплитуда может достигать десятков вольт
при частотном диапазоне до десятков килогерц);
3. Длительные помехи на линейные участки электросети от электроискровых разрядников (дуговая сварка, искрение «плохих» сильноточных контактов промоборудования
(частотный диапазон до сотни килогерц);
4. Наводки на линейные участки электросети от радиочастотных излучателей (близкорасположенный вещательный радиоцентр,
находящиеся рядом базовые станции сотовой связи). Частотный спектр – от единиц до сотен мегагерц, но размах наводимых на участок электросети сигналов, как
правило, невелик.
Рис.1 Варисторная защита от помех |
Простейшим устройством для защиты от значительных кратковременных превышений напряжений, является варистор, представляющий собой быстродействующий
неполярный ограничитель, характеризуемый напряжением отсечки.
Амплитуда отсечки должна превышать сетевое напряжение на 10 ...20%, умноженное на корень из двух: Uотс > (220В +10%) х 1,41 = 340 В.
Еще один важный параметр варистора – это энергия, которую он может в себя вобрать. Она указывается в джоулях (Дж). |
Скажем, на 10 ампер потребления тока при импульсной помехе до 2 киловольт длительностью до 1мс придется энергия Е= 20А х 2000В х 0,001сек=20Дж.
Но поскольку почти одновременно могут наводиться импульсы от переключения нескольких мощных индуктивных нагрузок из великого их множества в электросети,
это значение лучше увеличить в несколько раз. Вполне оптимальным значением энергии варистора видится значение порядка 80 Дж.
Оставшуюся ниже напряжения отсечки варистора «бороду» и прочие помехи возможно убрать только электрической фильтрацией.
Чтобы не писать много слов, что и как нам еще применить, ограничусь вполне понятными иллюстрациями:
Рис.2 Индуктивные и ёмкостные схемы фильтрации противофазных помех
Ёмкостные схемы более высокочастотны, так как в индуктивных схемах для оптимизации размеров обмоток используют ферриты с высокой магнитной проницаемостью,
ограничивающей частоту их применения в несколько десятков или первые сотни килогерц. Причём это должны быть замкнутые магнитопроводы (кольцеобразные или
прямоугольные), чтобы не являться переизлучателями помеховых сигналов.
Комбинация перечисленного выше даст нам следующую схему сетевого фильтра:
Рис.3 Сетевой фильтр подавления синфазных и противофазных помех
Показанные на приведённой схеме «земли» будут корректно работать только в том случае, если они «местные», т. е. выходят кратчайшим путем напрямую на контур
заземления здания, а не тянутся по «наружке» в длинной трехпроводной линии с третьим проводом заземления, лишая схему двухпроводной симметрии.
Ниже указаны типовые номиналы элементов фильтра с несколько большими (для надёжности) величинами рабочих напряжений конденсаторов и мощностей резисторов:
Варистор – Urms= 250В (или Uампл.= 350В)/80...100 Дж;
R – 300кОм...1Мом/1...0,5 Вт;
С1 – 0,015...0,022мкФ/630В;
L – 1...5мГн (обмотки примерно до 1,5 мГн с проходным током до 16А можно уместить в один слой на ферритовом кольце проницаемостью 3000 и внешним диаметром
45...50мм);
Сш нч – 0,22...0,33мкФ/630В;
Сш вч – 0,01мкФ/630В;
С2 – 4700пФ/630В.
Теперь давайте разберёмся, что такое синфазные и дифференциальные помехи?
Как правило, сетевой фильтр предусматривает наличие трехпроводной сети: фаза, нейтраль и защитное заземление (PE). Помехи, с которыми борется сетевой фильтр,
делятся на два вида – синфазные и дифференциальные.
Синфазные помехи – это когда оба провода сети синхронно меняют потенциал относительно земли (PE).
Дифференциальные помехи – когда потенциал сетевых проводов разнополярно (в противоположных направлениях) меняется друг относительно друга.
Как можно увидеть на Рис.3, для борьбы с синфазными помехами служит левый синфазный дроссель, состоящий из двух катушек, намотанных на общий сердечник.
На самом деле, обозначение начала обмоток синфазных дросселей указывается не так, как приведено на Рис.3, а, в большинстве случаев – как изображено
на Рис.4, т. е. с обозначением начала обмоток слева.
Рис.4 Структура и принцип работы синфазного дросселя
При этом следует иметь в виду, что направление намотки обмоток дросселя – противоположное.
В качестве сердечника чаще всего используется кольцевой магнитопровод с высокой магнитной проницаемостью.
Когда через катушки протекают
дифференциальные токи, магнитные поля, индуцированные этими токами, взаимно уничтожают друг друга. Если пренебречь омическим сопротивлением катушек, то их
входной импеданс в этом случае будет равен нулю. Теоретически они не влияют на прохождение дифференциальных сигналов. В случае появления синфазных токов
магнитные потоки обоих катушек складываются, и входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов и значительному снижению амплитуды
шумового сигнала.
Благодаря наличию противофазных обмоток, синфазные токи будут генерировать в сердечнике разностный магнитный поток, и сердечник
дросселя не будет входить в насыщение даже при наличии очень больших дифференциальных токов. Именно поэтому в синфазных дросселях могут быть использованы
сердечники с высокой магнитной проницаемостью без зазора без риска их насыщения и перегрева. Такие дроссели широко выпускаются промышленно.
Совсем другое дело – дроссель для подавления противофазных помех (Рис.3 справа). Здесь обмотки включены синфазно и магнитный поток от них складывается, что
создаёт предпосылки для лёгкого насыщения сердечника. Поэтому в данном случае следует использовать либо сердечники с зазором, либо сердечники из распылённого
железа, либо два отдельных дросселя с высокими рабочими токами (Рис.5).
Рис.5 Сетевой фильтр подавления синфазных и дифференциальных помех
Данный фильтр менее эффективен, чем устройство, изображённое на Рис.3, и был приведён лишь для демонстрации исполнения дросселя противофазных
помех на двух раздельных сердечниках.
.
Рис.6 Фабричный сетевой фильтр |
Если к аппаратуре не предъявлять повышенных требований помехо- защищенности, то вполне можно применить и фабричные EMI (RFI)
фильтры, предназначенные для уменьшения ВЧ помех и на начальном уровне вполне справляющиеся с возложенными на них обязанностями (Рис.6).
Однако если мы хотим существенно повысить чувствительность какой-либо радиоприёмной аппаратуры либо качество звучания звуковой техники,
то нам прямая дорога к более продвинутым фильтрам.
|
В качестве ориентира можно порекомендовать схему, приведённую на Рис.3. Именно эту схему мы слегка доработаем и разместим в качестве готовой конструкции
на следующей странице.
|
