Принцип работы сетевых фильтров

Основная задача сетевого фильтра – пропустить через себя переменный ток частотой 50 Гц (это рабочая частота сети питания), попутно отфильтровывая всякие выбросы напряжения и помехи. А их-то в сети достаточно много. Даже при включении холодильника — срабатывает пусковое реле его компрессора, а в момент включения он потребляет ток, в десятки раз превышающий тот, что указан в паспорте. На этот миг в питающей сети возникает «просадка» напряжения с последующим всплеском — и происходит помеха!

Даже включение обычной лампочки в люстре приводит к возникновению никем не заметной помехи такого же характера, поскольку она в момент включения потребляет ток примерно в 10 раз больший номинального (пока спираль холодная).

 

Рис. 1 Общий вид импульсной помехи в сети питания (провал-выброс напряжения)

 

И амплитуда (напряжение) выброса помехи может исчисляться сотнями и даже тысячами вольт, а этого вполне хватит, чтобы сгорело какое-либо чувствительное устройство. Это импульсные (или быстрые) помехи. Кроме них бывают еще помехи, представляющие медленно меняющиеся напряжение, другими словами — это сравнительно медленное (как правило, секунды и доли секунды) изменение напряжения в сети. Эту ситуацию способен предотвратить сетевой фильтр, запретив пропускание всех вредных выбросов питающего напряжения. Однако медленные провалы напряжения ни один фильтр питания скомпенсировать не способен (для этой цели гораздо лучше использовать стабилизаторы напряжения, которые обычно содержат и фильтр питания). Так как наиболее опасными для аппаратуры являются все же импульсные помехи, то рассмотрим более подробно идеологию построения сетевых фильтров. На рис. 2 приведена типовая схема сетевого фильтра питания. Промышленные устройства, рассмотренные в этом тесте, могут отличаться от нее и в сторону упрощения, и в сторону усложнения схемы (например, с включением в нее индикации различных режимов работы и т.д.).

 

Рис. 2 Типовая схема сетевого фильтра питания

Рассмотрим ее более подробно. По схеме: сразу на входе фильтра стоит устройство VDR1 — варистор. Его основная задача — подавить высоковольтные выбросы напряжения сети. При появлении такого выброса электрическое сопротивление варистора резко падает, и он «замыкает» на себя эту помеху, не позволяя ей пройти дальше. Но особенность в том, что варисторы, обычно устанавливаемые в промышленных фильтрах, начинают «работать» с напряжения 275–300 В (среднее значение), 350–385 В (максимальное напряжение срабатывания) (из паспортной характеристики варисторов).А для фильтрации таких помех, напряжение которых находится в пределах 230–300 В, обычно используют LC-фильтры, то есть электрические цепи, состоящие из индуктивностей (L) и емкостей (C). На нашей схеме это специальный дроссель Tr1 и емкости С1, С2, С3. Это так называемые реактивные элементы, сопротивление их постоянному току (или току низкой частоты) одно, а току высокой частоты — совершенно другое (отличающееся на порядки). А так как частота импульсной помехи во много раз больше частоты сети питания (50 Гц), то становится ясно, что нужно сделать так, чтобы ток сети питания свободно прошел через фильтр, а вот все высокочастотные добавки (импульсные помехи) были задержаны. Именно так и сделано — сопротивление LC-фильтра резко возрастает с увеличением частоты тока, и таким образом происходит задержка помехи. Так как сеть питания в данном случае трехпроводная, помехи могут возникать не только между сетевыми проводами («фазой» и «нулем») — их «фильтрует» емкость С3, но и между «фазой» и «землей», а также возможны помехи «ноль» — «земля». Для эффективного подавления таких помех и необходимо наличие физического заземления, а в фильтре — наличие фильтрующих емкостей С1 и С2. Они замыкают на себя высокочастотные помехи такого рода и не позволяют им пройти внутрь защищаемого аппарата.

Еще один важный момент. В случае отсутствия заземляющего контакта (или плохого контакта) помехи типа «фаза» — «земля» и «ноль» — «земля» физически задерживаться не могут — это одна сторона медали. А другая — при отсутствии земли общая точка емкостей С1 и С2 получается в воздухе, что приводит к созданию ими и дросселем Tr1 паразитного колебательного контура, который начинает излучать высокочастотное электромагнитное поле, становясь источником потенциальной опасности для расположенной рядом радиоаппаратуры, ну и пользователя. Поэтому применение практически любых сетевых фильтров в таких случаях нецелесообразно — тут нужен фильтр проще.

Все промышленные образцы более чем разные и по функциональному назначению, и по электрическим схемам.

 

 

 

А поскольку, как уже говорилось выше, все импульсные помехи в сети питания, представляющие максимальную опасность, носят высокочастотный характер, то для оценки подавляющей способности фильтра построена его амплитудно-частотная характеристика. Из этого графика хорошо видно, насколько подавляются различные частоты. Помехи длительностью 1—10 микросекунд (10 -6с) — типичные коммутационные импульсные помехи, лежат в частотной области около 1 МГц (106 Гц) и выше. Таким образом, если исследуемый фильтр задерживает частоты свыше 100 КГц, то он не пропустит и короткие импульсные помехи.

Хорошо видно, что чем выше частота помехи, тем эффективнее она подавляется. В реальных фильтрах — тот же процесс, только где-то лучше, где-то хуже. Естественно, если «фильтр-удлинитель» как такового электрического фильтра не имеет, то никакие частоты не подавляются, и получается такая картина.

Незначительное подавление высокочастотных составляющих происходит за счет образования «естественного» фильтра, образованного индуктивностью кабеля питания и емкостью монтажа, то есть схема такого «фильтра» выглядит так.

 

 

Здесь L0, Lф, Lз — соответственно индуктивности проводов «нуля», «фазы» и «земли», а С ф-з, С0-з, Сф-0 — емкости монтажа (блока розеток).

Существует целый класс сетевых фильтров, у которых заземляющий провод не имеет никаких контактов с внутренней схемой, кроме самих евророзеток. Этим достигается очень важное преимущество — при работе от сети с заземлением все розетки фильтра заземлены. Но и в случае отсутствия «земли» в розетке (типичный случай советской сети питания) все розетки фильтра объединены между собой по заземляющему контакту (сам фильтр при этом не заземлен). Чтобы разобраться, почему это очень важно представлять, представим схему подключения различной периферии к компьютеру — типичный случай для подключения принтера, сканера, внешнего звукового усилителя или телевизора для просмотра видео на большом экране. Итак, схема выглядит следующим образом.

 

 

Это «идеальная» схема подключения периферии — здесь все подключено к заземленной сети питания, потенциалы (напряжения) корпусов устройств одинаковые — они равны 0, поскольку подключены к «земле». Даже в случае возникновения пробоя или повреждения изоляции любого из устройств (даже при обычной работе потенциалы внешних устройств могут и, как правило, существенно отличаются от нуля) «лишнее» напряжение уйдет на землю, и все будет в порядке. А теперь представим схему соединений в случае использования сети без заземления. Она будет намного проще.

 

 

Как видно, эта схема похожа, за исключением провода заземления. В этом случае при разности потенциалов компьютера и внешнего устройства, единственной связью потенциалов корпусов устройств является слаботочный интерфейсный кабель (а точнее его экранирующая оплетка). Это опасная ситуация, поскольку сквозные токи, текущие от большего потенциала к меньшему, могут «легко» выжечь входные и выходные порты соединенных устройств. Таких случаев на самом деле имеется великое множество: самый распространенный — это выгорание входа или выхода звуковой карты, например в случае подключения ее к внешнему источнику или усилителю звука. Далее предложена схема подключения этих устройств к «европейскому» фильтру-удлинителю, не подключенному к внешней «земле».

 

 

Даже при отсутствии связи с реальной «землей» электрические потенциалы всех устройств выровнены, поскольку их корпуса надежно соединены между собой. В этом случае сквозные токи выберут себе более легкий путь через заземляющие контакты евророзеток, и ничего страшного не произойдет.

Варистор

Варистор — полупроводниковый резистор. Варистор — элемент нелинейный, его сопротивление зависит от приложенного к его выводам напряжения: чем выше напряжение, тем ниже сопротивление. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, то есть к нему приложено то же напряжение, что и к защищаемому устройству. При нормальном напряжении в сети питания и отсутствии импульсных помех ток, проходящий через варистор, очень мал, и им можно пренебречь, и в такой ситуации варистор можно считать изолятором. Если в сети питания возникает импульс высокого напряжения (напряжение импульса может быть выше 6000 В в течение короткого промежутка времени (длительность импульса 10−6 — 10−9 с), то сопротивление варистора резко падает, и он преобразует электрическую энергию импульса в тепловую, чем защищает включенные в сетевой фильтр приборы, в этот момент через варистор может протекать ток силой в несколько тысяч ампер.

Изготовление

Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника — преимущественно порошкообразного карбида кремния SiC или оксида цинка ZnO, и связующего вещества (глина, жидкое стекло, лаки, смолы и др.). Далее поверхность полученного элемента металлизируют и припаивают к ней выводы.

Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и плёночные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.

Свойства

Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.

Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности л — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению Rd:

 

,

 

где U и I — напряжение и ток варистора.

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.

Температурный коэффициент сопротивления варистора — отрицательная величина.

Применение

Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.

 

 

Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.

Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.

Как электронные компоненты, варисторы дёшевы и надёжны, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц). Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры. В последние 5 лет появились на рынке так называемые «нестарящиеся» варисторы, имеющие по ряду параметров улучшение электрических свойств во времени под напряжением промышленной частоты.

Параметры

· Вольт-амперная характеристика

· Классификационное напряжение, В — напряжение при определённом токе (обычно изготовители указывают при 1 мА), практической ценности не представляет.

· Рабочее напряжение (Operating voltage) В (для пост. тока Vdc и Vrms — для переменного) — диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ; данное напряжение должно быть превышено только при перенапряжениях.

· Рабочий ток (Operating Current), А — диапазон — от 0,1 мА до 1 А

· Максимальный импульсный ток (Peak Surge Current), А

· Поглощаемая энергия (Absorption energy), Дж

· Коэффициент нелинейности

· Температурные коэффициенты (статич. сопротивления, напряжения, тока) — для всех типов варисторов не превышает 0,1 % на градус

 

 

2.1.1.3 LC-фильтр

 

LC -фильтр предназначен для подавления высокочастотных помех (частотой 100 Гц — 100 МГц), которые искажают синусоиду переменного напряжения в сети и отрицательно ск азываются на работе электрооборудования. Эффективность работы LC-фильтра в различных диапазонах частот измеряется в дБ. Источниками ВЧ-помех являются различные электрические устройства: электродвигатели, генераторы, сварочные аппараты и т. п.

На рисунке показан пример простейшего LC-фильтра нижних частот: при подаче сигнала определённой частоты на вход фильтра (слева), напряжение на выходе фильтра (справа) определяется отношением реактивных сопротивлений катушки индуктивности (XL = щL) и конденсатора (XC = 1 / щC).

Коэффициент передачи ФНЧ можно вычислить, рассматривая делитель напряжения, образованный частотно-зависимыми сопротивлениями. Комплексное (с учетом сдвига фаз между напряжением и током) сопротивление катушки индуктивности есть ZL = jщL = jXL и конденсатора ZC = 1 / (jщC) = − jXC, где , поэтому, для ненагруженного LC-фильтра.

 

 

Подставляя значения сопротивлений, получим для частотно-зависимого коэффициента передачи:

 

 

Как видно, коэффициент передачи ненагруженного идеального ФНЧ неограниченно растет с приближением к частоте , и затем убывает. На очень низких частотах коэффициент передачи ФНЧ близок к единице, на очень высоких — к нулю. Вообще, зависимость модуля комплексного коэффицента передачи фильтра от частоты называют амлитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а зависимость фазы — фазо-частотной характеристикой (ФЧХ).

В реальных схемах к выходу фильтра подключается активная нагрузка, которая понижает добротность фильтра и предотвращает острый резонанс АЧХ вблизи частоты щ0. Величину  называют характеристическим сопротивлением фильтра. ФНЧ, нагруженный на сопротивление, равное характеристическому, имеет нерезонансную АЧХ, примерно постоянную для частот щ < щ0, и убывающую как 1 / щ2 на частотах выше щ0. Поэтому, частоту щ0 называют частотой среза.

Аналогичным образом строится и LC-фильтр верхних частот. В схеме ФВЧ меняются местами катушка индуктивности и конденсатор. Для ненагруженного ФВЧ получается следующий коэффициент передачи:

 

 

На очень низких частотах модуль коэффициента передачи ФВЧ близок к нулю. На очень высоких — к единице.

 

Применение

LC-фильтры используются в силовых электрических цепях для гашения помех и для сглаживания пульсаций напряжения после выпрямителя. В каскадах радиоэлектронной аппаратуры часто применяются перестраиваемые LC-фильтры, например, простейший LC-контур, включенный на входе средневолнового радиоприёмника обеспечивает настройку на определённую радиостанцию.

Фильтры используются в звуковой аппаратуре в многополосных эквалайзерах для корректировки АЧХ, для разделения сигналов низких, средних и высоких звуковых частот в многополосных акустических системах, в схемах частотной коррекции магнитофонов и др.