Подавление помех в цепях питания электронных устройств
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.
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.
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).
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.
Фильтр подавления высокочастотных импульсных электромагнитных помех, излучения. Устранение. Теория. Схема. Конструкция. Применение. Изготовление.
Фильтры импульсных помех нужны для того, чтобы обеспечить безопасную и комфортную эксплуатацию радиоэлектронных устройств, прежде всего импульсных, так как именно они чаще всего являются источниками электромагнитного излучения. Паразитное электромагнитное излучение вызывает нестабильную работу окружающих приборов, например, телевизоров, магнитофонов, радиоприемников. Измерительная аппаратура сходит с ума. Например, измерить электронным тестером выходное напряжение импульсного источника питания без фильтра невозможно. Действие такого излучения на человека мало изучено, но вряд ли оно полезно.
Причины возникновения высокочастотных импульсных помех
Причина возникновения высокочастотных импульсных помех банальна. Скорость света не бесконечна, и электромагнитное поле распространяется со скоростью света. Когда у нас есть устройство, как-то преобразующее сетевое напряжение путем частых переключений, мы ожидаем, что в проводах питания, идущих к сети, будут возникать пульсации токов, направленных навстречу друг другу. По одному проводу ток втекает в прибор, по другому — вытекает. Но все совсем не так. За счет конечности скорости распространения поля импульс втекающего тока сдвинут по фазе относительно вытекающего. Таким образом, на некоторой частоте высокочастотные токи в сетевых проводах текут сонаправленно, синфазно.
Вашему вниманию подборки материалов:
Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Из рисунка видно, что мы получили классическую штыревую антенну. Сетевые провода с точки зрения высокочастотных сигналов связаны с землей. Один из них (ноль) — на самом деле заземлен, а между вторым (фаза) и нулем огромная паразитная емкость, обеспечивающая свободное прохождение высоких частот.
Эта антенна излучает наши помехи.
Устранение высокочастотного излучения
Чтобы устранить помехи, нужно разорвать цепь, связывающую источник питания с Землей. Но разорвать так, чтобы разрыв был проходим для сетевого напряжения 50 или 60 Гц, но не проходим для помех. Для этого логично применить катушку индуктивности. При этом намотаем ее так, чтобы магнитное поле, создаваемое питающим током от сети, идущим по проводам в противофазе, компенсировалось, а магнитное поле синфазного тока помех усиливалось. Это позволит нам избежать насыщения сердечника, ведь поле от питающего тока не будет его намагничивать.
Параметры фильтра
В литературе есть формулы для расчета таких фильтров. Я пробовал ими пользоваться, но они нередко не попадают даже в порядок. Поэтому фильтры приходится делать экспериментально или покупать с уже заданными характеристиками. При покупке, прежде всего, надо обратить внимание на допустимый ток. Я для всех своих приборов изготавливаю одинаковый фильтр, с одинаковым числом витков, но с проводом разного диаметра в зависимости от мощности.
При изготовлении фильтра очень важно обеспечить минимальную паразитную емкость между началом и концом каждой обмотки. Именно эта емкость сильно портит фильтры, так как шунтирует индуктивность. Лучше сделать фильтр с меньшей индуктивностью, но с минимальной паразитной емкостью, чем наоборот. Так что я использую такую конструкцию. Беру ферритовое кольцо (как определить его размер, чуть ниже). Наматываю на него виток к витку провод нужного диаметра так, чтобы между началом и концом обмотки осталось 10 мм расстояния, не заполненного проводом. Изолирую обмотку. Наматываю поверх тем же проводом, в ту же сторону, с тем же количеством витков еще одну обмотку. Наматывать легко. С внутренней стороны кольца витки ложатся в углубления, образованные витками первой обмотки. С наружной стороны витки второй обмотки помещаются между витками первой.
Два провода с одной стороны (от первой и второй обмоток) подключаю к сети, два провода с другой стороны — к своему изделию.
Расчет делаю так: 1 квадратный миллиметр сечения провода — на 5 ампер тока нагрузки. Далее считаю диаметр провода, исходя из нужного сечения. Обмотку всегда мотаю 50 витков. Это с сильным запасом. Выбираю кольцо, чтобы поместилось 50 витков нужного провода в один слой, плюс остался просвет 10 мм между началом и концом.
[Длина внутренней окружности кольца, мм] = [50] * [Диаметр провода, мм] + [10, мм]
[Внутренний диаметр кольца, мм] = [Длина внутренней окружности кольца, мм] / [ПИ]
Внешний диаметр и толщина кольца особого значения не имеют, так как даже самые маленькие типоразмеры с подходящим внутренним диаметром подходят. Параметры феррита тоже не важны, так как 50 витков хватает обычно на любом феррите.
Кстати, такой фильтр защищает и само устройство от электромагнитных помех из сети, так как он их тоже не пропускает.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Импульсные и высокочастотные помехи
Сетевые фильтры, прежде всего, решают задачу защиты от импульсных и высокочастотных помех. Эти помехи образуются в электрической сети при включениях и выключениях электрических приборов и устройств. Таким образом, высокочастотные помехи в сети присутствуют всегда. Еще более опасны (они способны вызвать возгорание) импульсные помехи. Величина импульсных помех может достигать нескольких тысяч вольт. Длятся они доли секунды, однако этого времени достаточно, чтобы сжечь всю технику. Помехи вызывают сбои в работе и зависания компьютеров. Все данные на компьютерах, естественно, пропадают. Очень неприятно, когда результат долгой и кропотливой работы уничтожен, а причиной этого являются простые высокочастотные помехи, импульсные помехи. Но еще более неприятно, если вдруг дорогостоящий электроприбор пострадает вследствие больших перегрузок электросети, вызывающих высоковольтные импульсные помехи. Для защиты от этих помех и предназначены сетевые фильтры, фильтр импульсных помех.
Высокочастотные помехи
Сетевые фильтры, обеспечивают сохранность вашей техники. Они включают в себя фильтр высокочастотных помех, защищающий электроприборы от различных сбоев в работе. А также в них есть и фильтр импульсных помех (защита от импульсных помех): таким образом, решаются сразу две проблемы.
Классические сетевые фильтры состоят из блока защиты, содержащего варисторы, а их вторая составляющая — емкостной или индуктивно-емкостной фильтр. Конденсатор совместно с катушкой индуктивности — это фильтр высокочастотных помех. А варисторы создают самый надежный из всех существующих на сегодняшний день фильтр импульсных помех.
Варисторы (полупроводниковое сопротивление) играют роль «ножниц», которые «обрезают» высокочастотные помехи, напряжение на уровне 800-1200 вольт и тем самым сохраняют технику, подключенную в розетки фильтра. Их целью является защита от импульсных помех. Когда импульс очень мощный, варисторы могут разрушиться, но техника не пострадает. Импульсные помехи не будут представлять угрозу для ваших электроприборов, если те подключены в сеть через сетевой фильтр.
Емкостной или индуктивно-емкостной фильтр, состоящий из конденсатора (емкостной фильтр) или конденсатора и катушки индуктивности (индуктивно-емкостной фильтр) защищают от высокочастотных помех, уменьшая их вредное воздействие. Степень уменьшения зависит от величины емкости конденсатора и индуктивности катушки.
Фильтр импульсных и высокочастотных помех
Таким образом, высокочастотные помехи, импульсные помехи могут стать причиной поломки техники или даже возгорания, поэтому относительно простое и дешевое устройство защиты, фильтр высокочастотных помех, является необходимым дополнением любого электронного устройства – будь то компьютерная или офисная техника, телевизоры, проигрыватели и т. п. Чтобы была обеспечена защита от импульсных помех и высокочастотных помех — подключайте технику только через сетевые фильтры.
Сетевые фильтры разных производителей отличаются, часто достаточно серьезно. Об отличительных особенностях фильтров Vektor, лучшей защите от высокочастотных помех, читайте в статье «Преимущества наших фильтров».
По всем вопросам обращайтесь к нам по телефону, а также смотрите продукцию в каталоге.
Сетевые фильтры
Сетевой фильтр предназначен для защиты цепей электропитания компьютеров, периферии и другой электронной аппаратуры от:
импульсных перенапряжений и выбросов тока, возникающих в результате коммутации и работы промышленного оборудования высокочастотных помех, распространяющихся по сетям электропитания импульсных перенапряжений, возникающих в результате грозовых разрядов.
Некоторые особенности сетей
Все продающиеся в магазинах фильтры выполненные по Европейскому стандарту и стандартам США и Канады предназначены для работы в симметричных трехпроводных линиях. Эта линия (розетка) имеет два фазных провода (например фазы А и В) и провод заземления.
Вы наверное обратили внимание на более толстые штыри на вилках выполненных по Евростандарту. Причина в том, что они сделаны для работы при более низком напряжении, а это значит при большем токе (при той же мощности).
По их стандарту принято включение «ТРЕУГОЛЬНИК» на стороне потребителя, которое показано на рис. 1.
Потребители подключаются к такому источнику по трем симметричным двухпроводным линиям, подобным двухпроводным линиям для передачи сигнала. Э то линии A-B, B-C, C-A . Нулевой провод используется только для «заземления». Практически по каждой фазе течет ток для двух потребителей. В такой схеме по фазовым проводам A, B, C течет потребляемый нагрузкой ток, а нулевой провод не предназначен для передачи мощности, по нему только стекают заряды, фильтруемые токи помех. Напряжение в такой сети может быть 120 или 230 вольт. Эти 230 вольт Вы и видите на шильдике своего устройства, а на поставляемых в Россию иногда пишут 220-250 вольт или просто 220 вольт. Что недалеко от истины, тем более они аттестуются в России.
Рисунок 2. Упрощенная схема симметричного фильтра.
Вот для применения в таких электросетях и предназначены продаваемые Фильтры.
А что в нашей особенной России?
Во времена промышленной революции в России дальновидные энергетики решили повысить мощность передаваемую по сетям, не меняя сами сети. Считалось это особенно важно для России, где на ее просторах применялись длинные линии питания потребителей. Поступили просто, выбрали схему включения на источнике электоэнергии (трансформатор, генератор) схему «ЗВЕЗДА» (Рис. 3). Это позволило при питании по трем линиям фаза — ноль ( A-0, B-0, C-0) использовать напряжение 220 вольт (3х220 вольт) (передаваемые к потребителю по несимметричным линиям), а для 3х фазных потребителей по фазам A, B, C 3х380 вольт (симметричная схема), при тех же токах, но больших мощностях. Передача мощности по сетям от распределительного устройства к конечным потребителям осуществляется на напряжении 380 вольт, что дает возможность при том же сечении провода передавать по сетям большую мощность по сравнению с европейским стандартом.
Принимая такое решение не думали что пройдет время и возникнут проблемы. Они подробно описаны в статье О.Григорьева «Компьютер в нагрузку» , Компьютера №472 http :// www . computerra / ru / offline /2002/22266 для наших трехфазных питающих сетей.
Эта схема не симметричная, здесь для питания потребителя используется любая фаза и нулевой провод.
Рисунок 4. Упрощенная схема несимметричного фильтра при «идеальном» нуле.
С этой несимметричной линией добавляется проблем.
Вроде один из проводов «0» сети, и на нем должны отсутствовать помехи, наводки.
Но по нему течет ток к потребителю и могут поступать и наводиться помехи как и в симметричных линиях, выполненных по евро стандарту. А вот отдельного заземляющего провода нет. И главный недостаток реального «нуля», описанный в статье «Компьютер в нагрузку». Это появление на нулевом проводе помех вызванных характером нагрузки и равномерностью загрузки фаз. Эту помеху средствами фильтра подавить невозможно.
Получается, и в наших сетях с реальным «нулем» возможно распространение помех по обоим проводам, поэтому необходимо использовать стандартный сетевой фильтр, Но заземления в нашей сети не предусмотрено. Поэтому необходимо применят специально спроектированное и построенное заземление, подключаемое к заземляющим контактам фильтра. Нулевой провод нашей трехфазной сети можно использовать только в целях техники безопасности, как раньше это называли — для защитного зануления оборудования.
Схемы существующих фильтров
Для примера, ниже приведены схемы и характеристики двух выпускаемых сейчас фильтров. Наиболее простого Pilot L, где нет катушек индуктивности, а в их качестве работает индуктивность линии. И более сложного APC E25-GR. Сейчас существуют даже модели с микропроцессорным контролем.
Pilot L
| Технические характеристики. | Значение | |
| Номинальное напряжение/частота | 220 В/50-60 Гц | |
| Суммарная мощность нагрузки | 2,2 кВт | |
| Номинальный ток нагрузки | 10А | |
| Ослабление импульсных помех | Импульсы 4 кВ, 5/50 нс | не менее 10 раз |
| Импульсы 4 кВ, 1/50 мкс | не менее 4 раз | |
| Ток помехи, выдерживаемый ограничителем | не менее 2.5 кА | |
| Макс. поглощаемая энергия | 80 Дж | |
| Уровень ограничения напряжения при токе помехи | 100 А. 700 В | |
| Ослабление высокочастотных помех | 0,1 МГц | 5 дБ |
| 1 МГц | 10 дБ | |
| 10 МГц | 30 дБ | |
| Потребляемая мощность(не более) | 2 ВА | |
APC E25-GR
В качестве сердечника у катушек вместо воздуха используется ферритовый стержень, у каждой катушки свой. Оси катушек расположены под углом 90 градусов.
Имеется детектор защитного заземления и газовый разрядник.
| Технические характеристики. | Значение |
| Номинальное напряжение/частота | 220-240V ,50-60 Гц |
| Суммарная мощность нагрузки | 2,2 кВт |
| Номинальный ток нагрузки | 10А |
| Пропускаемое напряжение (режим “фаза – ноль” при напряжении 6 кВ – категория А, тест кольцевой волны) | |
| Ток помехи, выдерживаемый ограничителем | не менее 40кА |
| Макс. поглощаемая энергия ( один 10х 100мкс импульс) | 1400Дж |
| Уровень ограничения напряжения при токе помехи | 100 А. 600 В |
| Фильтрация радиочастотных и электромагнитных помех (режим “фаза – ноль”, 100 кГц-10 МГц) |
20-70 дБ |
| Потребляемая мощность(не более) | 6 ВА |
Сетевой фильтр Defender SMART 100
Позиционируется как — фильтр для защиты дорогой бытовой техники.
Сетевой фильтр Defender SMART 100 относится к устройствам высшего класса. Фильтр снабжен устройством автоматического определения режима потребления энергии, основанным на микропроцессорном контроле. При завершении работы устройство автоматически прекращает подачу питания к подключенной аппаратуре. Четыре розетки фильтра всегда включены и обеспечивают постоянное электропитание.
Фильтр включается с помощью любого пульта дистанционного управления, находящегося у вас дома или в офисе. Модель имеет дисплей, отображающий значение подключенной токовой нагрузки и снабжен индикаторами состояния питания и защиты.
Не рекомендуется подключать электронагревательные приборы.
- 4 постоянно включенные евророзетки с заземлением
- 4 евророзетки с заземлением и функцией сбережения электроэнергии
- Индикаторы состояния питания и защиты
- Сбрасываемый предохранитель
- Технология безопасного отключения
- Защита кабельной линии
| Технические характеристики. | Значение |
| Номинальное напряжение/частота: | 220-250 В / 50-60 Гц |
| Максимальный ток нагрузки: | 16 А |
| Максимальная суммарная мощность нагрузки: | 3680 Вт |
| Максимальная рассеиваемая энергия: | 3672 Дж |
| Защищаемые цепи: | L-N, L-G, G-N |
| Уровень ограничения напряжения: | 800В |
| Максимальный импульсный ток помехи: | 144000 А |
| Максимальное импульсное напряжение помехи: | 6 кВ |
| Фильтр ВЧ помех: | Частота — 150 кГц – 100 МГц, Ослабление — До 75 дБ |
| Защита кабельной линии: | Элемент защиты — Газовый разрядник Напряжение пробоя — < 75 В Вносимые потери — < 0,1 дБ Количество линий — 2 пары (антенный тип) |
В виде заключения
Современные сетевые фильтры работоспособны и в наших сетях. Что касается соответствия их рабочих характеристик, то они могут отличаться от декларируемых производителем.
Если делать по уму, то для наших сетей необходимо учитывать их специфику и делать специальные фильтры.
Сложно втиснуть качественный фильтр в удлинитель. Но такие конструкции существуют.
Поскольку у нас в квартирах сейчас много различной электронной аппаратуры то напрашивается решение — поставить на розеточную сеть квартиры общий фильтр, в конструктиве соответствующем электротехнической промышленности именно для несимметричных сетей. Но в дальнейшем, все равно каждого потребителя желательно защищать своим фильтром, конечно более простым. Тем более что современные потребители сами являются источниками помех для других устройств.
Если будет время и просьбы в следующей статье попробую привести схему и сделать упрощенный расчет такого фильтра.
А. Сорокин
март 2009 года.