Меню

Фильтрация помех в цепи питания постоянного тока

Генерация помех в цепях питания постоянного тока

Для тестирования и оценки работоспособности систем, рассчитанных на питание постоянным током, потребуется имитация помех в цепи питания. В статье обсуждаются методы создания низкочастотных помех (глитчей, провалов, скачков, всплесков), длительность которых может составлять 100 мкс и более, а диапазон частот — 10 кГц и менее.

Постоянный ток и помехи в цепях постоянного тока

Постоянный ток не всегда постоянен. При разработке систем, рассчитанных на питание постоянным током, нужно учитывать наличие шума или воздействие иных помех на цепь питания. Попробуем обсудить методы создания низкочастотных помех (глитчей, провалов, скачков, всплесков), длительность которых может составлять 100 мкс и более, а диапазон частот — 10 кГц и менее. (Нужно учитывать, что низкочастотные шумы (например, фон переменного тока 50/60 Гц), которые мы не будем рассматривать в этой статье, тоже могут создавать серьезные проблемы генерации в диапазоне от кГц до МГц или даже до ГГц).

Причины помех могут быть самыми разными. Помехи от источника могут обуславливаться событиями, вызывающими изменение его параметров, например, изменение выходной мощности источника из-за изменения внешних условий (облако закрыло солнечную панель или автомобильный генератор изменил скорость вращения). Помехи могут возникать и из-за изменения нагрузки, например, в результате подключения к сети постоянного тока нового устройства или из-за включения/выключения подсистем, которые периодически отключаются для экономии энергии.

Проектируя систему с питанием постоянным током, инженер должен учитывать влияние помех в цепи питания на общую работу системы. Конечно, обычные помехи в цепи питания постоянного тока, например, подключение нового устройства, не станут причиной полного нарушения работы схемы и не приведут к зависанию, сбросу, потере данных или отказу других устройств, подключенных к тому же источнику постоянного тока. Таким образом, тестирование систем, рассчитанных на питание постоянным током, потребует имитации помех в цепи питания для проверки работоспособности системы. Основные требования к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные требования к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока

Характеристики
источника питания

Требования к генерации помех постоянного тока

Напряжение, ток и мощность

Достаточны ли значения напряжения, тока и мощности для номинального рабочего режима и генерации помех?

Время нарастания на выходе

Можно ли изменять выходное напряжение достаточно быстро для генерации помех?

Время спада на выходе

Имеется ли программатор снижения, который позволит быстро изменять напряжение для создания отрицательных перепадов?

Имеется ли порт аналогового программирования, который позволит создавать помехи с помощью генератора сигналов произвольной формы в качестве источника и источника питания в качестве усилителя?

Быстрое программирование выхода

Достаточно ли быстродействие источника питания, чтобы можно было передать последовательность компьютерных команд и быстро перепрограммировать/изменить его выходное напряжение для создания помех нужной формы?

Встроенный секвенсор выходного напряжения

Имеется ли в источнике питания режим программирования, который позволит загрузить сигнал помехи в источник питания и заставить его генерировать этот сигнал для создания помехи?

Примеры систем постоянного тока и возможных помех

Многие системы и устройства питаются от источников постоянного тока. Такая система будет работать нормально, если в линии питания поддерживается номинальное рабочее напряжение в пределах допустимого отклонения.

Обычно мы считаем, что бортовая сеть автомобиля представляет собой сеть постоянного тока напряжением 12 В. Однако напряжение бортовой сети автомобиля подвержено различным колебаниям и помехам. Изменение скорости двигателя может вызвать флуктуации напряжения. Изменение нагрузки, например, включение стеклоподъемника, может вызвать просадку напряжения 12 В. Сильные переходные процессы возникают в бортовой сети во время запуска двигателя. Автомобильная электроника, от блока управления двигателем до развлекательных систем и измерительных приборов, должна выдерживать эти переходные процессы — немногим понравится, если компьютер управления двигателем зависнет при нажатии на тормоз или газ.

Если светодиодные осветительные приборы работают от распределительной сети постоянного тока, помехи в системе питания могут влиять на их видимое излучение. Помехи и переходные процессы могут вызывать нежелательное и неприятное мерцание светодиодов.

Если от одного источника постоянного тока питается несколько устройств или подсистем, подключение или отключение одних устройств может порождать переходные процессы, влияющие на другие устройства. При первом подключении USB-устройства бросок тока может превышать номинальный рабочий ток и даже максимальный допустимый ток 5-В источника шины USB. Это особенно характерно для мощных устройств, таких как жесткие диски USB, которые потребляют большой пусковой ток в момент пуска двигателя. Пусковой ток просаживает напряжение 5 В шины USB, и если напряжение упадет достаточно сильно, может привести к сбросу всех других устройств на шине USB. Вполне понятно, что такое событие может привести к потере данных.

Аналогично и пусковые токи могут создавать проблемы даже в системах с фиксированной конфигурацией, в которой не происходит подключение или отключение устройств. Например, при первом включении программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) она может потреблять значительный стартовый ток. Эти броски стартового тока, превышающие ток обычного рабочего режима до 10 раз, могут легко посадить источник питания системы, вызвав мгновенное снижение напряжения, что может неблагоприятно повлиять на другие компоненты и подсистемы, работающие от этого же источника, и вызвать их сброс или отключение. И хотя влияние пускового тока можно свести к минимуму, применив более мощный источник питания, это не всегда приемлемо, поэтому многие подсистемы нужно тестировать на устойчивость к пусковым токам, вызывающим помехи в цепи питания.

Практические аспекты генерации помех в цепях постоянного тока при тестировании

Конструкция системы должна обеспечивать стойкость к определенным типам помех в цепи питания постоянного тока. Это особенно важно для систем, которые должны обеспечивать совместимость с устройствами plug-n-play. Для среднестатистического пользователя важно, чтобы он мог включить новое устройство, и оно заработало бы, не оказывая влияния на другие устройства. Единственный способ добиться этого заключается в создании стандартов или технических условий на стабильность и качество питания постоянного тока и в последующей разработке устройств в соответствии с этими стандартами. При проведении научно-исследовательских работ или для проектирования инженерам нужен источник постоянного тока с управляемыми, воспроизводимыми помехами, который позволил бы тестировать новые устройства и гарантировать их соответствие стандартам или техническим условиям.

Чтобы проверить стойкость устройства к помехам в цепи питания постоянного тока, нужен специальный тип источника питания. Этот источник должен не просто выдавать напряжение постоянного тока, но и генерировать на выходе переменную составляющую в виде изменяющегося во времени переходного процесса, который можно программировать, создавая помехи нужной формы.

Инженеры давно пытаются (более или менее успешно) создать тестовый источник питания, который имитировал бы переходные процессы в цепи постоянного тока. В некоторых конструкциях использовался генератор сигналов произвольной формы, однако такой генератор может обеспечить достаточный ток питания лишь маломощных исследуемых устройств. Некоторые инженеры пытались усовершенствовать генератор, добавляя к нему усилитель мощности. В качестве такого усилителя мог использоваться усилитель специальной конструкции или серийно выпускаемый усилитель, например, автомобильный аудиоусилитель, который обладает большой выходной мощностью и широкой полосой пропускания. Но эти «радиолюбительские» решения нельзя считать универсальными, поскольку трудно добиться стабильности характеристик таких конструкций в широком диапазоне нагрузок. В результате источник приходится настраивать индивидуально для каждой нагрузки.

Выбирая серийно выпускаемый источник питания постоянного тока, способный генерировать переходные процессы, нужно учитывать его динамические характеристики. Во-первых, мощный каскад источника питания должен иметь достаточную скорость для генерации быстрых изменений напряжения. Этот параметр часто называют временем нарастания источника питания или временем отклика на команду.

Кроме того, источник питания должен обладать возможностью программирования, чтобы можно было создавать быстрые изменения выходного напряжения. Один из методов заключается в использовании источника питания, программируемого аналоговым способом. В этом случае генератор сигналов произвольной формы создает помехи нужной формы, а выход генератора подается на вход источника питания, который выступает в роли усилителя мощности. Другой метод заключается в применении источника питания, достаточно быстрого, чтобы реагировать на последовательность отдельных компьютерных команд и в соответствии с ними изменять выходное напряжение для генерации помех нужной формы. Третий метод заключается в выборе источника питания постоянного тока, обладающего встроенной возможностью программирования, в память которого можно загружать формы сигналов переходных процессов и воспроизводить их для создания помех.

Важным фактором, который нужно учитывать, является емкость цепи питания устройства, которая создает нагрузку на источник питания. Ток, необходимый для питания устройства, описывается уравнением I = C dv/dt. В результате с ростом скорости измерения напряжения растет и потребляемый ток. И если устройство имеет большую входную емкость, то при быстром измерении напряжения на входе тестируемого устройства может возникать очень большой ток. Поэтому надо учитывать ток, протекающий во время переходного процесса, а не только постоянный ток, потребляемый в нормальном рабочем режиме, и соответствующим образом выбирать мощность источника питания.

И, наконец, последним фактором является скорость, с которой источник питания способен снижать напряжение. Эта характеристика называется временем спада. Многие имеющиеся на рынке источники питания постоянного тока не могут снижать напряжение с той же скоростью, с которой они его повышают. Другими словами, время спада значительно превышает время нарастания. В типичном случае время нарастания составляет 20 мс, а время спада — 200 мс. Если тестируемое устройство имеет большую входную емкость, то, однажды зарядившись, конденсатор сохраняет заряд и удерживает постоянное напряжение. Если вы хотите снизить напряжение на тестируемом устройстве, конденсатор следует разрядить. Некоторые источники питания оборудованы специальной цепью, называемой программатором снижения или активной нагрузкой, которая подключает небольшую электронную нагрузку для создания тока, разряжающего конденсатор. В таких источниках питания время спада соответствует или не сильно отличается от времени нарастания, позволяя создавать быстрые переходные перепады обеих полярностей.

Читайте также:  Сила тока после сопротивления

Выбор источника питания для создания помех в цепи питания постоянного тока

Поняв все практические моменты создания помех, давайте обратимся к имеющимся на рынке источникам питания. Многие предлагаемые источники питания могут обеспечить большой ток, необходимый во время переходных процессов, но большинство из них имеют большое время нарастания/спада, что делает их непригодными для генерации помех.

Некоторые изготовители выпускают быстрые источники питания с малым временем нарастания и с программатором снижения или даже источники питания, работающие в двух квадрантах, позволяющие реализовать быстрый спад напряжения. Такие источники лучше приспособлены для генерации помех, но им все еще нужен способ программирования, достаточно быстрый для создания переходных процессов. И снова потребуется аналоговое программирование, быстрое программирование выхода с компьютера или встроенный программатор выходного напряжения.

На рисунке 1 изображен анализатор питания постоянного тока компании Agilent Technologies — Agilent N6705A, который настроен на генерацию помех в цепи постоянного тока. Встроенный источник питания может генерировать переходные процессы мощностью до 600 Вт, со временем нарастания/спада менее 1 мкс и полосой 5 кГц. Встроенный генератор сигналов произвольной формы упрощает программирование помех. Встроенные измерительные функции позволяют инженерам визуализировать переходные процессы тока и напряжения.

Источник

Как устроен сетевой фильтр и что у него внутри?

Как устроен сетевой фильтр и что у него внутри?

Аватар пользователя

Содержание

Содержание

Наверняка в каждом доме найдется сетевой фильтр, а может даже не один. При этом мало кто серьезно задумывается, зачем он нужен и какие функции выполняет. В данном материале рассмотрим устройство «безмолвного» защитника и назначение его компонентов.

Зачем нужен сетевой фильтр

Прежде чем начать препарировать сетевой фильтр, нужно определиться с проблематикой. Так ли он нужен и может можно без него обойтись?

Современная квартира полна разной электронной техники, которая подключается к обычной электрической розетке. В розетке как раз и кроется основная угроза для «здоровья» техники. Дело в том, что форма питающего напряжения далека от идеала, известного из учебников физики. Помимо основной, «правильной» синусоиды, в ней присутствует огромное количество различных помех, наводок и возмущений, оказывающих негативное влияние на работу электронных компонентов устройств. Природа этих помех многогранна, но, если коротко, то основные причины кроются в следующем:

  • работа импульсных преобразователей и блоков питания, дающих часть «шума» в общую сеть;
  • неравномерность нагрузки общей системы электроснабжения, в которой то и дело включают мощных потребителей (электродвигатели; сварочные трансформаторы, микроволновки и т. д.);
  • природные явления, в частности грозы, вызывающие в проводниках электросети импульсы высокого напряжения;
  • нелинейность нагрузки, что приводит к некоторой разбалансировке питающих сетей, в результате чего между фазным и нейтральным проводом возникают токи высоких гармоник, существенно искажающих эталонную синусоиду как по форме, так и по величине.

Если подойти к решению вопроса по созданию комфортных условий для работы техники кардинально, то наилучшим решением будет установка на ввод электропитания в жилище стабилизатора и фильтров помех. Но такое решение громоздко и достаточно дорого. Компромиссом являются сетевые фильтры для бытовой техники. В них удачно сочетаются невысокая стоимость и необходимый уровень защиты.

Устройство сетевого фильтра

В зависимости от комплектации и ценовой категории сетевого фильтра, в нем могут быть установлены различные компоненты, являющиеся элементами тех или иных видов защиты. На данном этапе познакомимся с максимальной комплектацией сетевого фильтра.

Итак, «правильный» сетевой фильтр должен содержать в своем составе следующие элементы.

Кнопка включения

Подает питающее напряжение на группу розеток. Функционал достаточно простой — банальное включение и отключение напряжения для всех устройств, подключенных к фильтру. Может совмещать в себе функции предохранителя, вызывая обесточивание розеток при необходимости.

Если нужна более гибкая конфигурация фильтра — есть модели с индивидуальными кнопками для каждой розетки.

С точки зрения безопасности наиболее правильными считаются широкие кнопки, одновременно размыкающие линейный и нейтральный проводники. Так фаза никогда не появится на контактах при отключенной кнопке.

Предохранитель

Основная задача предохранителя — защита питающей сети от коротких замыканий в цепях потребителей, а также отключение устройств при превышении расчетной мощности, на которую спроектирован сетевой фильтр. Значения мощности и допустимого тока указываются на информационной табличке, нанесенной на корпус устройства.

Предохранитель состоит из биметаллической пластинки, разрывающей цепь питания при превышении заданной температуры, обусловленной протеканием по цепям токов больших величин. Восстановить цепь можно спустя некоторое время, необходимое для отключения неисправного устройства и остывания биметаллической пластины, просто нажав на кнопку предохранителя.

Варистор

Варистор выполняет в устройстве функцию защиты от импульсного (кратковременного) перенапряжения, вызванного помехами или грозовыми разрядами.

Физически он представляет собой переменный резистор, сопротивление которого резко меняется при достижении определенного порогового значения напряжения. Причем чем выше напряжение порогового значения, тем меньше сопротивление элемента. Таким образом, при прохождении импульса высокого напряжения, варистор шунтирует цепь и вызывает срабатывание предохранителя. При этом, как правило, элемент приходит в негодность.

Конденсатор

Основная задача конденсатора — отсечь от нагрузки высокочастотную помеху, возникающую между фазным и нейтральным проводниками, и вернуть ее обратно в сеть, поскольку он является прекрасным проводником сигналов высокой частоты.

Как правило, для защиты используются конденсаторы, рассчитанные на работу с напряжением питающей сети до 250 В и способные «пережить» кратковременный его всплеск до 2,5 кВ. Обычно емкость используемых конденсаторов находится в диапазоне от 0,1 мкФ до 1 мкФ.

Дроссель

Из курса электротехники известно, что с ростом частоты растет и реактивное сопротивление катушки индуктивности. Она просто не способна пропустить через себя высокочастотные помехи, поскольку они в ней, что называется, «вязнут» и преобразовываются в тепло. Если катушка намотана на ферритовый сердечник, то ее способность противостоять высокочастотным помехам только усиливается.

Свойства дросселя и конденсатора нашли широкое применение в борьбе с помехами высокой частоты, а именно в LC-фильтрах, являющихся недорогим и достаточно эффективным способом противостояния паразитным возмущениям.

Катушка за счет своего индуктивного сопротивления не пропускает к розеткам фильтра высокочастотные помехи, зато их хорошо проводит конденсатор, возвращая их обратно в сеть.

Как работает сетевой фильтр

Работа сетевого фильтра в плане «очистки» от помех и импульсов высокого напряжения наглядно показана на схеме.

В итоге, «грязное» напряжение, пройдя последовательно через функциональные блоки сетевого фильтра, очищается от помех и попадает на сетевые розетки устройства с пригодными для работы подключенных потребителей параметрами.

Источник

Модули фильтрации радиопомех и защиты от перенапряжений для питающих цепей постоянного и переменного тока

Для компаний, выпускающих универсальные модули питания, экономически невыгодно встраивать ФРП с большим коэффициентом подавления, так как требования потребителей к уровню радиопомех различны. Если для нормальной работы электронной аппаратуры недостаточно подавления радиопомех за счет встроенных фильтров, используются внешние ФРП.

Со времени первых публикаций о модулях фильтрации радиопомех предприятия АЭИЭП [1, 2] прошло почти четыре года. В настоящее время модули фильтрации с малыми габаритами и высоким коэффициентом подавления помех применяют около двухсот предприятий России, выпускающих военную и промышленную аппаратуру. По сравнению с 2004 годом спрос на модули фильтрации радиопомех увеличился более чем в 10 раз [3].

Все это время специалисты АЭИЭП продолжали совершенствовать модули фильтрации радиопомех за счет использования новых технических решений, современных материалов и элементной базы. Работы выполнялись совместно с сотрудниками испытательной лаборатории технических средств по параметрам электромагнитной совместимости (ИЛ ТС ЭМС), основанной в 1946 г. С. А. Лютовым, одной из первых в России.

Прежде всего была выполнена оптимизация модулей фильтрации, предназначенных для совместной работы с высокочастотными импульсными модулями питания АЭИЭП. Для этой цели были измерены напряжения радиопомех модулей питания всех выпускаемых серий [4].

На рис. 1 приведены графики напряжения радиопомех на входе низкопрофильных модулей питания класса DC/DC серии «Мираж» — МДМ7,5 (кривая 4) и МДМ30 (кривая 5), а на рис. 2 — графики для модулей питания класса AC/DC KN50A (кривая 4) и KR100A (кривая 5). Напряжения помех измерялись по методике согласно ГОСТ 30429-96 в экранированной камере. Кроме того, на рис. 1–2 показаны нормы напряжения радиопомех по ГОСТ 30429-96 (ГОСТ В 25803-91) в диапазоне частот 150 кГц – 30 МГц (графики 1–3). Из сравнения результатов измерений помех исследуемых модулей с нормами ГОСТ 30429-96 следует, что уровни радиопомех значительно выше всех норм в начале нормируемого участка в диапазоне частот 1,5–5 МГц, и превышают значения графика 2 на 5–15 дБ, и только после 5 МГц приближаются или ниже значений этого графика (нормы напряжения радиопомех графика 2 распространяются на большую часть оборудования стационарных объектов с радиоэлектронной аппаратурой). Таким образом, модули питания могут оказывать существенное воздействие на средства радиосвязи в диапазоне от длинных до ультракоротких волн. Чтобы обеспечить высокие требования ГОСТов по радиопомехам, АЭИЭП выпускает модули фильтрации в широком диапазоне напряжений и токов. Кроме фильтров радиопомех модули снабжены варисторами для ограничения импульсных выбросов напряжения. Известно, что импульсы с амплитудой до 1000 В и длительностью до 10 мкс встречаются в сетях переменного тока и с амплитудой до 150 В — в бортсетях постоянного тока и часто выводят электронную аппаратуру из строя.

Читайте также:  Закон изменения тока в емкостном элементе

График напряжения радиопомех

График напряжения радиопомех

Унифицированный ряд фильтров для питающих цепей постоянного тока представлен модулями на токи от 2,5 до 20 А (Таблица 1, 2), а для питающих цепей переменного тока — модулями на токи от 1 до 15 А (Таблица 3, 4).

Далее приводятся технические характеристики для модулей фильтрации питающих цепей постоянного тока. Данные приводятся для НКУ, Uвх.ном, Iпрох.ном (если не указано иначе).

  • диапазон входного напряжения / переходное отклонение (1 с):
    • 27 В: 10,5…36 В / 10,5…40 В;
    • 60 В: 17…72 В / 17…84 В.
  • коэффициент ослабления радиопомех в диапазоне частот:
    • от 0,15 до 0,3 МГц ≥ 30 дБ;
    • от 0,3 до 1 МГц ≥ 40 дБ;
    • от 1,0 до 10 МГц ≥ 60 дБ;
    • от 10 до 30 МГц ≥ 55 дБ.
  • падение напряжения на модуле: ≤ 2% Uвх.ном.

Максимальное напряжение на выходе модуля при импульсе на входе:

  • Температура окружающей среды (рабочая и хранения): –60…+70 °С.
  • Температура корпуса (рабочая): –60…+85 °С.
  • Повышенная влажность: 98% @ 35 °С.
  • Прочность изоляции:
    • напряжение (амплитудное значение): +вх/корп, –вх/корп, +вых/корп, –вых/корп:

    115 В (400 Гц): 80,5…138 В / 80,5…150 В:

  • сопротивление @ 500 В пост. тока: 20 МОм.
  • Наработка на отказ:
    • > 6,4 млн час. @ +25 °С;
    • > 100 тыс. час. @ +85 °С.
  • Охлаждение: естественная конвекция или радиатор.
  • Материал корпуса: металл.
  • Ниже приводятся технические характеристики для модулей фильтрации питающих цепей переменного тока. Данные приводятся для НКУ, Uвх.ном, Iпрох.ном (если не указано иначе).

      диапазон входного напряжения / переходное отклонение (1 с):

      115 В (400 Гц): 80,5…138 В / 80,5…150 В;

      220 В (50 Гц): 187…242 В / 176…264 В.

    • коэффициент ослабления радиопомех в диапазоне частот:
      • от 0,15 до 0,3 МГц ≥ 25 дБ;
      • от 0,3 до 1 МГц ≥ 35 дБ;
      • от 1,0 до 10 МГц ≥ 55 дБ;
      • от 10 до 30 МГц ≥ 30 дБ.
    • падение напряжения на модуле: ≤ 1% Uвх.ном.

    Максимальное напряжение на выходе модуля при импульсе на входе:

    • Температура окружающей среды (рабочая и хранения): –60…+70 °С.
    • Температура корпуса (рабочая): –60…+85 °С.
    • Повышенная влажность: 98% @ 35 °С.
    • Прочность изоляции:
      • напряжение (действующее значение):
      • вх1/корп, вх2/корп, вых1/корп, вых2/корп:

      1500 В.

    • сопротивление @ 500 В пост. тока: 20 МОм.
  • Наработка на отказ:
    • > 9,6 млн час. @ +25 °С;
    • > 150 тыс. час. @ +85 °С.
  • Охлаждение: естественная конвекция или радиатор.
  • Материал корпуса: металл.
  • Конструкция модулей представляет собой тонкостенный алюминиевый корпус, внутри которого размещена печатная плата с элементами поверхностного и объемного монтажа, защищенная компаундом с теплопроводящим наполнителем. В аппаратуре модули можно устанавливать на радиатор охлаждения или на печатную плату. Для различных вариантов установки предусматриваются два типа корпусов модулей — с фланцами и без фланцев, в которых для крепления используются резьбовые втулки или отверстия во фланцах.

    С 2006 года корпусы модулей изготавливаются с покрытием, обеспечивающим пайку низкотемпературными припоями, что позволяет разработчикам электронной аппаратуры соединять корпус с конденсаторами фильтров радиопомех, увеличивая их эффективность, на частотах свыше 5 мГц на 10–15 дБ. На модули также устанавливаются опаиваемые донышки, которые обеспечивают механическую защиту элементов и являются экраном от излучаемых радиопомех. С целью увеличения прочности изменена технология изготовления модулей: давление и фрезерование корпусов заменено на литье.

    Для модулей фильтрации радиопомех в питающих цепях постоянного тока был использован индуктивно-емкостной Т-образный фильтр. Чтобы обеспечить эффективное подавление помехи в начале нормируемого участка диапазона частот, в дросселях фильтров были выбраны индуктивности от 0,7 до 1 МГн. Две катушки индуктивности на общем ферритовом сердечнике включены так, чтобы несимметричные токи в обоих проводах протекали в одном направлении от начала до конца обмоток. Малые габариты дросселей получены за счет использования ферритовых сердечников с высоким μ.

    При разработке фильтров было установлено, что несимметричное входное и выходное сопротивления модулей питания имеют высокое значение, и фильтры должны начинаться с емкости. Установка конденсаторов с целью трансформации внутреннего высокочастотного сопротивления на входе и выходе модуля питания показана на рис. 3.

    Рекомендованная схема трансформации внутреннего высокочастотного сопротивления модуля

    Конденсаторы С1, С3, С4, С6 использованы для коррекции сопротивления несимметричной помехи, С2, С5 — симметричной. Значения емкости этих конденсаторов приведены в ТУ на модули.

    В процессе эксплуатации некоторые потребители указали на неудобство применения модулей фильтрации с внешними элементами, требующими дополнительного «драгоценного» места. В 2007 году разработаны модули с открытым выходом на основе Г-образного LC-фильтра, лишенные этого недостатка, т. к. все элементы, необходимые для обеспечения заданных параметров фильтрации, размещены внутри корпуса.

    При разработке модулей фильтрации радиопомех в питающих цепях переменного тока основные трудности были связаны с обеспечением требований безопасности, которые ограничивают допустимый ток емкостной утечки в соответствии с ГОСТ РВ 20.57.310-98 до значений не выше 6 мА. В свою очередь, это ограничение препятствует увеличению емкости конденсаторов, которые устанавливаются в ФРП между проводами и корпусом и шунтируют радиопомехи.

    ФРП для питающих цепей переменного тока состоят из двух Г-образных LC-звеньев, в которых одно звено подавляет помехи по симметричному пути, другое — по несимметричному. Фильтр по такой схеме длительное время используется в технике специальной связи (более 20 лет) для подавления помех в сетях переменного тока, а также при заданном коэффициенте подавления радиопомех обеспечивает минимальные токи утечки на корпусе [2].

    Модули были проверены в испытательной лаборатории технических средств по параметрам электромагнитной совместимости. Испытания проведены методом отношения напряжения, изложенным в ГОСТ 13661-92. Результаты измерений вносимого затухания К дБ в диапазоне частот 0,1–30 МГц для модулей фильтрации питающих цепей постоянного тока приведены на рис. 4: кривая 1 — для модулей МРМ1 и кривая 2 — для МРМ3. Как видно на рис. 4, коэффициент подавления помех, начиная с частоты 150 кГц, превышает 35 дБ, а в диапазоне частот 0,3–30 МГц составляет 50–70 дБ.

    Частотные характеристики коэффициента подавления модулей защиты и фильтрации постоянного тока 1 - МРМ1; 2 - МРМ3

    Результаты измерений коэффициента подавления для сетевых модулей фильтрации приведены на рис. 5. Анализ графиков показывает, что коэффициент подавления помех, начиная с частоты 150 кГц, превышает 25 дБ, а в диапазоне частот 0,3–30 МГц составляет 40–70 дБ.

    Частотные характеристики коэффициента подавления сетевых модулей защиты и фильтрации тока 1 - МРМ4; 2 - МРР2; 3 - МРР3

    Согласно ГОСТ 13661-92, коэффициент подавления измеряется при сопротивлении 50 Ом на входе и выходе ФРП. Однако на практике входное высокочастотное сопротивление модулей питания меняется в широких пределах. Для определения реального коэффициента подавления проведены испытания системы «модуль фильтрации — модуль питания». Измеренный уровень помех на входе в системе модуль фильтрации МРМ2 и модуль питания МДМ30 показан на рис. 1, (кривая 6), в системе МРР2 и KR100А — на рис. 2 (кривая 6). При совместной работе модуля питания и модуля фильтрации помехи на входе не превышают значений, определяемых графиком 1 и 2 Норм.

    Еще одна из последних разработок АЭИЭП связана с однопроводными фильтрами. Известно, что однопроводные бортсети получили широкое распространение в промышленной и военной технике. Такие бортсети широко применяются, например, в авиационной (ГОСТ 19705-89), автомобильной и гусеничной технике (ГОСТ В 21999-86), аппаратуре связи. Характерная особенность таких электросетей: один из полюсов питания электрически соединен с корпусом аппарата (шасси самолета, автомобиля). Кроме того, зачастую необходимо иметь локальные питающие цепи с малым уровнем помех и пульсаций напряжения.

    Перечисленные задачи можно решить с помощью неполярных однопроводных помехоподавляющих модулей защиты и фильтрации серии МРО. Эти приборы разработаны в ходе выполнения ОКР «Пустынник» и ориентированы на выпуск с приемкой «5».

    Однопроводные модули фильтрации и защиты выпускаются на токи 2,5, 5, 10 и 20 А и работают при максимальном входном напряжении до 40 и 84 В. Внутреннее падение напряжения при максимальном токе не более, соответственно, 200 и 420 мВ. Коэффициент подавления помех в диапазоне частот 0,15–30 МГц находится в пределах 40–70 дБ (рис. 6).

    Частотные характеристики коэффициента подавления однопроводных модулей МРО

    Как уже отмечалось, для защиты аппаратуры от выбросов напряжения в сетевых проводах в модулях одновременно с фильтром помех размещены варисторы. Для каждого номинала входного напряжения модуля был выбран варистор класса С, обеспечивающий наименьшее напряжение на выходных клеммах при воздействии импульса. В табл. 1, 3 приведен основной параметр выбранных варисторов — напряжение на клеммах ограничителя. В соответствии с ГОСТ В 234425-90 это напряжение было измерено при воздействии импульса амплитудой 1000 В длительностью 10 мкс, при этом внутреннее сопротивление источника, генерирующего импульсы напряжения с данными параметрами устанавливалось равным 50 Ом.

    По требованию заказчика в модули вместо варисторов могут быть установлены полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН). Как показали испытания, ПОН при одинаковых размерах с варистором имеет более высокую перегрузочную способность и меньшие клеммные напряжения. Испытания проведены в соответствии с методиками, изложенными в ГОСТ Р51317.1.5.-99. В качестве генератора был использован имитатор импульсных помех ИИП4000. Результаты измерений напряжения на клеммах ограничителя и варистора приведены в табл. 5.

    Испытания проводились одиночными импульсами с амплитудой 1000 В, запуск имитатора ИИП4000 проводился вручную. После подачи второго импульса от имитатора с сопротивлением Ri, равным 2 Ом, варистор с диаметром 20 мм вышел из строя, ПОН с такой же площадью полупроводниковой шайбы работал в режиме ограничения. На наш взгляд, применение ПОН предпочтительнее в цепях, где импульсная помеха кондуктивная от источников с малым внутренним сопротивлением.

    Модули имеют малые габариты, падение напряжения на модуле не превышает 2% от значения номинала входного напряжения. Напряжение, которое выдерживает изоляция токоведущих цепей модулей относительно корпуса, составляет для модулей постоянного тока 500 В, для переменного — 1500 В.

    Модули фильтрации цепей питания постоянного тока выпускаются для общепромышленного применения в соответствии с БКЮС. 468240.003 ТУ. Поставка опытных образцов с приемкой «5» осуществляется в рамках ОКР «Пустынник Д».

    Сетевые модули фильтрации радиопомех выпускаются в соответствии с техническими условиями БКЮС.468240.004 ТУ. Поставка опытных образцов с приемкой «5» осуществляется в рамках ОКР «Пустынник А».

    Авторы выражают благодарность начальнику ИЛ ТС ЭМС А. Г. Мартиросову за оказанную помощь при измерениях и за рекомендации при оптимизации параметров фильтров.

    Источник

    

    Какие бывают помехи в электросети и как от них защититься?

    Вероятно, каждый читатель этой статьи обратил внимание на то, что большинство электрических приборов, работающих от бытовой сети, рассчитаны на напряжение 220 В/50 Гц. Отсюда вывод – именно такие параметры обеспечивает нам поставщик электроэнергии. К сожалению, это не совсем так. Мы можем предположить, что водопроводная вода совершенно чистая, однако опыт подсказывает, что в ней присутствуют примеси, ухудшающие вкус. Такие же «примеси», в виде дополнительных частот и импульсов, поступают к потребителю электроэнергии. Это и есть помехи в электросети.

    Классификация помех

    Все сетевые отклонения можно классифицировать по двум признакам: происхождению шумов и виду электромагнитной аномалии.

    Причиной возникновения сетевых искажений являются:

    • природные явления (гроза, ионизация воздуха сияниями и т.п.);
    • техногенные влияния (аварии на линиях, коммутация мощных устройств и т. д.);
    • электромагнитные волны природного и техногенного происхождения.

    Перечисленные причины могут вызвать серию импульсных помех или волны гармонических искажений, наложенные поверх синусоидального тока.

    Наличие импульсных токов в сети очень вредно сказывается на работе современных бытовых приборов, часто насыщенных электроникой. Если не применять приборы защиты, электронные устройства могут выйти из строя, не говоря уже о качестве их работы. Разумеется, чувствительное оборудование разработчики защищают внедрёнными схемами подавления помех, но нередко требуются дополнительные внешние приборы, например, бесперебойные источники питания, сетевые фильтры (рис. 1) и другие.

    Защитные импульсные фильтры

    Рис. 1. Защитные импульсные фильтры

    При радиочастотных помехах большинство бытовых приборов могут нормально работать. Но к ним чувствительны радиоприёмники, телевизоры и некоторые медицинские приборы. Впрочем, современная цифровая радиоэлектроника довольно хорошо защищена от таких искажений.

    Понимание причин искажений в электрической сети помогает решать проблемы защиты оборудования, осознанно подходить к выбору оптимальных схем подавления шумов.

    Источники помех

    Искажать синусоиду переменного тока способны как природные явления, так и различные техногенное оборудование. В результате их действия происходят:

    • кратковременные провалы напряжения;
    • отклонения от номинальных частотных параметров;
    • изменения гармоники электричества;
    • колебания амплитуды тока;
    • ВЧ шумы;
    • импульсные всплески;
    • синфазные помехи.

    Остановимся вкратце на основных источниках, вызывающих перечисленные отклонения.

    Провалы напряжения.

    Данное явление является следствием работы коммутационных устройств в энергосистемах. Это случается при возникновении КЗ на линиях, в результате запусков мощных электромоторов и в других случаях, связанных с изменениями мощности нагрузки. Наличие таких кратковременных помех является неизбежностью при срабатывании защитной автоматики, и они не могут быть устранены поставщиком электроэнергии.

    Изменения частотных характеристик.

    Отклонение от заданной частоты происходит в результате значительного изменения тока нагрузки. В случае если уровень потребляемой энергии превосходит мощность генерируемых установок, происходит замедление вращения генератора, что ведёт к падению частоты. При заниженной нагрузке возрастает частота генерации.

    Автоматика регулирует распределение мощностей, вплоть до отключения нагрузок, однако частотные помехи в сети всё-таки присутствуют.

    Гармоники.

    Источником данного вида искажений является наличие в сетях оборудования с нелинейной вольтамперной характеристикой:

    • преобразовательные и выпрямительные подстанции;
    • дуговые печи;
    • трансформаторы;
    • сварочные аппараты;
    • телевизоры;
    • циклоконвертеры и многие другие.

    Причиной гармонических искажений могут быть электродвигатели, особенно если они установлены в конце длинной линии.

    Отклонение напряжения

    Изменения стабильности потенциала происходит в результате периодических скачков потребляемого максимального тока. Источником изменения нагрузок являются устройства, регулирующие напряжение, например, трансформаторы с РПН.

    График, иллюстрирующий кратковременное перенапряжение показан на рисунке 2 (Фрагмент А – изображает импульсный всплеск).

    Перенапряжение в сети

    Рис. 2. Перенапряжение в сети

    ВЧ помехи.

    Создаются влиянием устройств работающих, в высокочастотном диапазоне. ВЧ помехи, вызванные действием приборов, генерирующих сигналы с высоким диапазоном частот, распространяются эфирно или через линии сети.

    Импульсы напряжения.

    Распространённые источники: коммутационные приборы в сетях и грозовые явления.

    Несимметрия трехфазной системы.

    Причиной таких помех часто являются мощные однофазные нагрузки как бытовые, так и промышленные. Они вызывают сдвиги углов между фазами и амплитудные несоответствия. Путём отключения питания мощных токопотребляющих устройств можно устранить проблему.

    Способы защиты

    К сожалению, мы не можем управлять качеством электросети, но защитить бытовую технику вполне реально. В зависимости от того к каким искажениям чувствителен конкретный электрический прибор, выбирают соответствующий способ защиты. Снизить уровни помех помогают различные внешние устройства, встроенные электрические схемы, а также экранирование элементов конструкций и заземления.

    Пример подавления помех показан на рисунке 3.

    График, иллюстрирующий фильтрацию тока

    Рис. 3. График, иллюстрирующий фильтрацию тока

    Эффективными являются следующие внешние устройства:

    • стабилизаторы напряжения;
    • ИПБ;
    • преобразователи частоты;
    • регулируемые трансформаторы;
    • сетевые фильтры и фильтрующие каскады (принципиальная схема простого фильтра изображена на рисунке 4).

    Схема сетевого фильтра

    Особую трудность вызывает подавление высокочастотных импульсных искажений в диапазоне нескольких десятков МГц. Часто для этих целей используют защиту, применяемую непосредственно к источнику помехи.

    Использование стабилизаторов напряжений оправдано в случаях наличия регулярных провалов напряжений в домашней сети. При стабильно заниженном или завышенном токе лучше пользоваться трансформатором.

    Высоким уровнем защиты компьютеров и другой чувствительной электроники обладают бесперебойники. На рисунке 5 показано фото источника бесперебойного питания для защиты компьютера.

    ИБП

    Рисунок 5. ИБП

    В этих устройствах реализовано несколько защитных функций, но главная из них – снабжение питанием приборов в течение нескольких минут, с последующим корректным их отключением. С целью достижения максимального уровня защиты логично отдать предпочтение бесперебойному блоку питания.

    Методы измерения

    Можно ли увидеть сетевые искажения?

    С помощью приборов можно не только увидеть наличие помех, но и оценить их величину и определить природу появления. Существуют специальные высокоточные приборы для измерения различных отклонений в сетях. Наиболее распространённым из них является обычный осциллограф.

    У прибора имеется дисплей (экран), на котором отображается осциллограмма измеряемого тока. Оперируя различными режимами осциллографа можно с высокой точностью определять характер и уровень шумов.

    Пример осциллограммы показан на рисунке 6.

    Осциллограмма сетевого тока

    Рисунок 6. Осциллограмма сетевого тока

    На осциллограмме видно как основной сигнал окружают паразитные токи, которые необходимо отсекать. Анализируя характер искажений можно выбрать способ их подавления. Часто бывает достаточно применить сетевой фильтр для того, чтобы избавиться от типичных помех, влияющих на работу устройств.

    Типовые часто задаваемые вопросы от читателей

    Как найти и устранить источник помех в электрической цепи, приводящий к невозможности использовать powerline?

    Чтобы вычислить причину плохого сигнала, вам необходимо проанализировать работу powerline адаптера в другой линии или проверить уже подключенные устройства. Для начала проверьте уровень сигнала в сети роутера, возможно ресурсов вашего маршрутизатора недостаточно для перераспределения сети интернет между таким количеством пользователей. Если предоставляемого лимита достаточно для всех комнат и приемников в них, проверьте работу линий, по которым осуществляется передача данных powerline адаптерами.

    Следующий вопрос – тип линии, к которой подключен powerline адаптер. Производитель не рекомендует использовать для этого удлинители, отдавая предпочтение стационарной проводке. Но, для проверки существующих линий рекомендую вам временно использовать удлинитель, если сигнал улучшиться, вполне вероятно, что причина в проводке. Если нет, проверьте бытовое электрооборудование, выступающее наиболее мощным источником электромагнитных помех.

    К таковым относятся: кондиционеры, стиральные машины, холодильники, зарядные устройства для мобильных телефонов, блоки питания электроприборов.

    По возможности powerline адаптер следует перенести как можно дальше от таких приборов, дабы они не вносили свои коррективы в качество передаваемого сигнала. Если такой возможности нет, подключите источники помех к электрической цепи через «сетевой фильтр», который поможет снизить вносимые искажения.

    Еще один момент, на который следует обратить внимание – допустимое расстояние между powerline адаптерами. Оно де должно превышать установленную норму, иначе никакие ухищрения не помогут вам добиться должного качества сигнала.

    Источник