Подавление помех в цепях питания радиоэлектронных 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 возникшие 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.

Варисторная защита от помех
Рис.1 Варисторная защита от помех

Простейшим устройством, позволяющим избавиться от значительных кратковременных превышений напряжений, является варистор, представляющий собой быстродействующий неполярный ограничитель, характеризуемый напряжением отсечки.
Амплитуда отсечки должна превышать рабочее сетевое напряжение с допуском в плюс 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:

Индуктивные и ёмкостные схемы фильтрации противофазных помех

Индуктивные и ёмкостные схемы фильтрации противофазных помех

Рис.2 Индуктивные и ёмкостные схемы фильтрации противофазных помех

Ёмкостные схемы более высокочастотны, т. к. 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 всего перечисленного выше даст нам следующую схему сетевого фильтра:

Сетевой фильтр подавления синфазных и противофазных помех

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.

Структура и принцип работы синфазного дросселя
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 (дифференциальных) 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).

Схема сетевого фильтра для подавления синфазных и дифференциальных помех
Рис.5 Схема сетевого фильтра для подавления синфазных и дифференциальных помех

Данный фильтр менее эффективен, чем устройство, изображённое на Рис.3, и был приведён лишь для демонстрации того, как можно выполнить дроссель противофазных помех на двух раздельных сердечниках.

Фабричный сетевой фильтр
.
Рис.6 Фабричный сетевой фильтр

Если к электронной радиоаппаратуре не предъявляется повышенных требований помехозащищенности, то вполне можно обратить внимание и на фабричные EMI фильтры (RFI фильтры), предназначенные для уменьшения высокочастотных шумов и помех, и на начальном уровне вполне справляющиеся с частью возложенных на них обязанностей (Рис.6).

Однако если мы хотим существенно повысить чувствительность какой-либо радиоприёмной аппаратуры, либо качество звучания высококачественной звуковой техники, то нам прямая дорога к более продвинутым сетевым 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.




 

Главная страница | Наши разработки | Полезные схемы | Это нужно знать | Вопросы-ответы | Весёлый перекур
© 2017 Vpayaem.ru   All Rights Reserved