Фильтры источников питания


СОДЕРЖАНИЕ:

Сетевые фильтры — как они работают, примеры схем

Что такое сетевой фильтр? — это относительно недорогое устройство, предохраняющее достаточно ценные электроаппараты отперегрузок по току, высокочастотных и импульсных помех, аномального напряжения (повышенного или пониженного относительно нормы).

Основная задача фильтра — пропустить через себя переменный ток частотой 50 Гц и напряжением 220 В, а всяким выбросам напрочь закрыть дорогу. Выбросов же в сети великое множество, и возникают они по разным причинам.

Например, включился холодильник, т.е. сработало пусковое реле его компрессора. В момент включения компрессор (электродвигатель) потребляет ток, в десятки раз (в 20. 40 раз) превышающий тот, что указан в паспорте. На этот миг в сети возникает “просадка’’ напряжения с последующим всплеском (рис.1) — вот и помеха!

Даже включение обычных лампочек в люстре приводит к возникновению, вроде бы, незаметных помех такого же характера. Они в момент включения потребляют ток, примерно в 10 раз больший номинального (пока спираль холодная).

Самое неприятное то, что амплитуда напряжения помехи может исчисляться сотнями, а то и тысячами вольт. Этого вполне хватит, чтобы “спалить” какое-либо чувствительное устройство.

Рис. 1. Напряжения с последующим всплеском.

Как же эту ситуацию предотвратить? Вот тут на арене и появляются сетевые фильтры питания! Они способны “проглотить” все вредные выбросы питающего напряжения.

Справедливости ради надо отметить, что медленные провалы напряжения ни один фильтр питания скомпенсировать не способен (для этой цели служат стабилизаторы напряжения).

Но наиболее опасными для аппаратуры являются все же импульсные помехи.

Принципиальная схема

На рис.2 приведена типовая схема сетевого фильтра питания. На ней показана трехпроводная (европейская) сеть питания: “фаза” — “ноль” (“нейтраль”) — “земля”. Сразу на входе фильтра стоит варис-тор VR1.

Его задача — подавить высоковольтные выбросы напряжения сети. При появлении такого выброса электрическое сопротивление варистора резко падает, и он замыкает через себя эту помеху, не позволяя ей пройти дальше. Следом включены дроссель Т1 и конденсаторы С1, С2, СЗ, образующие LC-фильтр.

Сопротивление дросселя возрастает с увеличением частоты тока, а конденсаторов падает, так что все высокочастотные помехи задерживаются или “стекают” в землю.

Помехи могут возникать не только между сетевыми проводами (“фазой” и “нейтралью”), их отфильтрует конденсатор С3, но и между “фазой” и “землей”, а также возможны помехи “нейтоаль» — “земля”. Для эффективного подавления таких помех служат конденсаторы С1 и С2.

Рис. 2. Типовая схема сетевого фильтра питания.

При отсутствии земли общая точка конденсаторов С1 и С2 “висит” в воздухе, что приводит к созданию ими и дросселем Т1 паразитного колебательного контура, который начинает излучать высокочастотное электромагнитное поле, становясь источником потенциальной опасности для расположенной рядом радиоаппаратуры.

Рис. 3. Схема сетевого фильтра без заземленных конденсаторов и связи с землей.

Поэтому в двухпроводной сети применяются фильтры без этих конденсаторов и связи с “землей” (рис.З). Типовая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) сетевого фильтра показана на рис.4. Из этого графикавидно, что чем выше частота помех, тем эффективнее они подавляются.

Рис. 4. График зависимости.

Стоит остановиться на одной особенности фильтров питания. Речь пойдет все о той же “земле”. Существует целый класс сетевых фильтров, у которых заземляющий провод не имеет никакой связи с внутренней схемой, кроме соответствующих контактов самих евророзеток и заземляющего контакта евровилки.

Этим достигается важное преимущество: при работе от сети с заземлением все розетки фильтра заземлены, как и положено. Но в случае отсутствия “земли” в сетевой розетке (типичный случай отечественной сети питания) все розетки фильтра объединены между собой по заземляющему контакту (естественно, сам фильтр при этом не заземлен). Почему это важно?

Представим, например, схему подключения различной периферии к компьютеру, показанную на рис. 5а (типичный случай — подключены принтер, сканер, внешний звуковой усилитель И Т.П.).

Это — идеальная схема: все подключено к заземленной сети питания, потенциалы корпусов устройств одинаковы (равны нулю), поскольку соединены с “землей”. В случае возникновения пробоя или повреждения изоляции любого из устройств “лишнее” напряжение уйдет в землю.

Рис. 5. Схемы подключения различной периферии к компьютеру.

Теперь возьмем схему соединений для случая сети без заземления (рис.5б). Как видно, провод заземления отсутствует, и единственной связью корпусов устройств является слаботочный интерфейсный кабель (точнее, его экранирующая оплетка).

При разности потенциалов корпуса компьютера и внешнего устройства (а такое наблюдается сплошь и рядом!) уравнительные токи, текущие от большего потенциала к меньшему, могут легко “выжечь” входные и выходные порты соединенных устройств.

Таких случаев встречается множество. Самый распространенный — выгорание входа или выхода звуковой карты в случае подключения ее к внешнему источнику сигнала или к усилителю звука.

Для решения проблемы нужно подключить эти устройства к “европейскому” удлинителю, даже не соединенному (за неимением) с внешней “землей” (рис,5в). Здесь электрические потенциалы всех устройств выровнены, сквозные токи выберут себе более легкий путь через заземляющие контакты евророзеток, и ничего страшного не произойдет.

Основные параметры сетевых фильтров

Сечение подводящих проводов. Чаще всего сетевой фильтр (рис.6) выпускается с сечением жил порядка 0,75 или 1 мм2. Такое сечение считается достаточным, поскольку максимальный ток нагрузки, на который рассчитывается фильтр, обычно не превышает 10 А.

На такой ток устанавливается и предохранитель. При необходимости можно найти сетевой фильтр повышенной мощности, сечение жил проводов которого достигает 1,5 мм2. Предохранитель у такого устройства — на номинальный ток 16 А.

Рис. 6. Типичный сетевой фильтр-розетка.

Длина подводящего провода сети. Стандартизованная длина сетевого провода фильтра-180 см. У отдельных моделей она может равняться 190 см, 300, а то и 500 см. Количество розеток. Обычно их 4. 6 штук (рис.7).

Как правило, все розетки-с заземляющими “ушками” (типа “евро”). Встречаются фильтры с розетками разного типа (1 -универсальная и 4, 5 — “евро”, рис.8).

Рис. 7. Набор розеток.

Число и типы предохранителей. Предохранители включаются в сетевой фильтр для защиты от перегорания варисторов при больших импульсных помехах и отключения потребителей при коротком замыкании или длительной перегрузке нагрузочных цепей.

Для большей надежности отдельные изготовители, помимо термопредохранителей, устанавливают еще и самовосстанавливающиеся быстродействующие предохранители (на базе полупроводниковой металлоорганики).

Фильтры

Предназначены для подавления помех. Встречаются чисто емкостные и индуктивно-емкостные на основе LC-цепочек. Катушки сетевого фильтра бывают без сердечников или с ферритовыми сердечниками (лучше всего на ферритовых кольцах).

Добавочные устройства. Индикаторы включения и исправного состояния защиты на светодиодах или на неоновых лампочках светятся при включенном фильтре (или его отдельном канале) и гаснут, когда срабатывают предохранители. Разрядники (газовые) подстраховывают варисторы при больших амплитудах импульсных помех.

Любые электроприборы требуют правильной эксплуатации. В отношении сетевых фильтров тоже есть ряд правил безопасности. Фильтры противопоказано подключать друг к другу.

Рис. 8. Пример фильтра с евро-розетками.

Это может неоправданно увеличить ток в “земляном” проводе. Кроме того, к сетевым фильтрам нельзя подключать устройства с большими пусковыми токами (пылесосы, кондиционеры, холодильники и пр.). Не рекомендуется подключать сетевые фильтры к источникам бесперебойного питания, поскольку это может привести к повреждению схем защиты.

Самодельные сетевые фильтры

Нередко имеющиеся в продаже дешевые фильтры на самом деле фильтрами не являются. Например, фильтр-удлинитель (рис.9). Там внутри находится лишь варистор, ограничивающий кратковременные высоковольтные импульсы, которые иногда возникают в сети, и токовый размыкатель, срабатывающий при протекании большого тока (рис 10).

Рис. 9. Фильтр-удлинитель.

Рис. 10. Что внутри фильтра-удлиннителя.

На корпусе есть кнопка, которую нужно нажать, чтобы снова замкнуть размыкатель, если он сработал. Для превращения этого удлинителя в полноценный фильтр внутрь нужно встроить фильтрующие цепи.

На исходной схеме (рис.11а) S1 -токовый размыкатель, VR1 — варистор типа 471 (числом кодируется максимальное напряжение, а от диаметра зависит максимальная энергия подавляемого импульса).

Рис. 11. Схема фильтрующих цепей для встраивания в удлиннитель-розетку.

В доработанном варианте (рис. 11 б) добавляется RLC-фильтр. Катушки L1 и 12 вместе с конденсаторами С1 и С2 образуют LC-фильтр.

Индуктивное сопротивление катушек растет на высоких частотах. Чтобы ослабить и низкочастотные помехи, последовательно с катушками включены резисторы R1 и R2. Резистор R3 разряжает конденсаторы при отключении фильтра от сети. При сборке фильтра (рис. 12) варистор оставляется штатный (типа 471, диаметром 6. 10 мм).

Чем больше сопротивление резисторов R1 и R2, тем лучше фильтрация, но больше их нагрев и потери напряжения в фильтре. Поэтому сопротивление резисторов выбирается в зависимости от суммарной мощности, потребляемой всеми теми устройствами, которые будут подключаться к фильтру (при указанных номиналах РНагр.макс=250 Вт).

Дроссели L1 и L2 — промышленные высокочастотные, типа ДМ-1 индуктивностью 50. 100 мкГн. Конденсаторы — пленочные, типа К73-17 или аналогичные (импортные меньше по габаритам) емкостью не менее 0,22 мкФ (больше 1 мкФ тоже не нужно). Сопротивление резистора РЗ — не критично (от 510 кОм до 1,5 МОм).

Дополнительно на сетевой провод возле самого удлинителя желательно одеть ферритовую шайбу (удобнее всего разрезную на защелках — рис.13).

Рис. 12Сборка фильтра.

Рис. 13. Ферритовая шайба.

Другой вариант схемы помехоподавляющего сетевого фильтра приведен на рис. 14. Для большей эффективности он состоит из двух соединенных последовательно звеньев.

Первое (конденсаторы С1, С4, С5, С8, С9 и двухобмоточный дроссель 12) отвечает за подавление помех частотой выше 200 кГц.

Второе звено (двухобмоточный дроссель И с остальными конденсаторами) подавляет помехи, спектр которых простирается ниже указанной частоты (вплоть до единиц килогерц).

Рис. 14. Схема помехоподавляющего сетевого фильтра.

Благодаря магнитной связи между обмотками дросселей происходит подавление синфазных помех (тех, что наводятся одновременно на оба сетевых провода или излучаются ими).

Поэтому обмотки каждого дросселя должны быть одинаковыми и симметрично намотанными на магнитопроводы. Важно обеспечить правильную фазировку обмоток.

Их начала обозначены на схеме точками. Дроссель L1 намотан на ферритовом магнитопроводе Ш12×14 с самодельным каркасом из злектрокартона сложенным вдвое проводом ПЭЛШО 00,63 мм. Обмотка содержит 87 витков. Марка феррита, к сожалению, неизвестна. Измеренная прибором 1.Р235 индуктивность каждой обмотки — около 20 мГн.

Для дросселя 1.2 использован броневой магнито-провод Б22 из феррита 2000НМ1. Его обмотки содержат по 25 витков и намотаны тем же проводом и таким же образом, что и обмотки дросселя L1. Индуктивность каждой обмотки дросселя L2 — 120 мкГн.

Конденсаторы первого звена фильтра — слюдяные. Поскольку малогабаритных конденсаторов такого типа требующейся для фильтра емкости на нужное напряжение не существует, пришлось соединить попарно-параллельно конденсаторы КСО-5 меньшей емкости.

Аналогичное решение, но с попарно-последовательным соединением конденсаторов С2, С3 и С6, С7 (пленочных зарубежного производства), принято и во втором звене фильтра для обеспечения нужного рабочего напряжения.

Подключенные параллельно конденсаторам резисторы R1. R4 выравнивают приложенные к ним напряжения и обеспечивают быструю разрядку всех конденсаторов после отключения фильтра от сети. Конденсатор С9 — типа К78-2. Плата фильтра помещена в заземленную металлическую коробку.

Материал подготовил В. Новиков. РМ-07-12, 08-12.

Фильтр питания на полевом транзисторе для лампового усилителя

Содержание / Contents

↑ Схема фильтра питания на полевом транзисторе

Наиболее популярна схема на рисунке слева. Поскольку я чуть-чуть изменил её для своих целей, привожу так же мой вариант справа.
Я использовал полевые транзисторы от неисправных электронных балластов для галогеновых ламп в обычном корпусе ТО-220, цоколёвка стандартная, как у большинства полевых транзисторов. Удобно добавить цепь R5R6C2 для создания постоянного смещения, подаваемого на нити накала ламп.

Обратите внимание, что для фильтрации напряжения 250 В и тока до 0,5 А взяты транзисторы с допустимым напряжением К-Э примерно 50 В и стабилитроны с рабочим током 0,03 А.
Сделать фильтр на полевых транзисторах с напряжением 600…800 В и током от 3 А, конечно, гораздо проще.

По моему скромному мнению, названия «электронный дроссель» или «умножитель ёмкости», принципиально неверны. Это калька с иноязычных терминов для «домохозяек». Разница принципиальна: дроссель и конденсатор НАКАПЛИВАЮТ энергию, отдают её быстро, а транзисторный фильтр этого не может. Поэтому настоящий дроссель был бы лучше, если бы не обладал рядом недостатков: большим весом и габаритами, высоким активным сопротивлением, большим полем рассеяния.

С точки зрения чистой аудиофилии, классический сглаживающий LC фильтр лучше, форма напряжения и тока после него должна получаться более гладкой.

Транзисторный фильтр позволяет плавно увеличивать напряжение на выходе. Название «УЗФ» – Узел Задержки тоже не совсем удачно. Задержка происходила бы с помощью реле срабатывающего от таймера, здесь – не задержка, а плавное нарастание напряжения.

При изготовлении усилителя для наушников и УНЧ для АС на лампах 6Н3П и 6П14П мне полностью побороть фон удалось только с помощью данного транзисторного фильтра.

↑ Модульная конструкция

Весьма рекомендую, иначе на корпусе теплоотвода будет напряжение 300 Вольт.

Применённый транзистор 03N60S5 в корпусе ТО-220, при комнатной температуре окружающей среды может рассеивать до 2 Ватт. Суммарный ток однотактного стереоусилителя на 6Н3П и 6П14П примерно 0,1 А, при падении напряжении на фильтре порядка 20 В, тепловая мощность будет как раз 2 Ватта, поэтому даже небольшой теплоотвод легко справится со своей задачей.

Если использовать фильтр на каждый канал, каждый транзистор будет рассеивать всего 1 Ватт. Но это в установившемся, статическом режиме, а вот при включении питания падение напряжения на фильтре будет значительным, тепловая мощность тоже. Поэтому теплоотвод необходим, особенно пока не закончатся переходные процессы.

Первый вариант платы был под малогабаритные теплоотводы, он может быть использован при недостатке места (конденсатор на первом фото снят для наглядности).

↑ Несколько замечаний по выбору деталей

Есть немало споров: нужен или нет делитель R1R2 на входе фильтра и будет ли фильтр работать без него. Почему у одних фильтр без делителя работает нормально, а у других – нет. Оказалось, что всё зависит от утечки конденсатора С1.

Я испробовал около десятка конденсаторов 10 и 22 мкФ на напряжение 400 и 450 В при входном напряжении около 300 В.

Оказалось, что при оксидном (электролитическом) конденсаторе фильтр хорошо работает и без делителя. За счёт утечки в конденсаторе совместно с резистором R3 образуется делитель и падение напряжения на фильтре вполне достаточно (от 10 В и более). Мало того, в результате установки новых только что купленных конденсаторов, падение напряжения составило вместо 20 В (со старым выпаянным конденсатором) более 50 В. Нагрев резко увеличился, а выходное напряжение упало.

Потребовалась многочасовая формовка новых конденсаторов, и всё равно, утечка у конденсаторов 22 мкФ оказалась заметно выше, чем у 10 мкФ. Формовка, конечно, должна быть без подключённого усилителя.

Утечка плёночных конденсаторов будет многократно меньше, поэтому с ними делитель на входе необходим, иначе на выходе фильтра может быть «пила», как на входе. В любом случае надо контролировать падение напряжения на транзисторе фильтра, оно должно быть более 10 В.

↑ Вооружённым глазом

Размах пульсаций на выходе примерно 6 мВ (соответствует синусоидальному сигналу примерно 2 мВ), форма пульсаций более гладкая, подавление пульсаций около 1000 раз! (масштаб на фото, конечно, разный).

Для подавления возможных помех на радиочастотах можно поставить дополнительный LC-фильтр. Для меня в этом не было необходимости – фон и помехи на слух отсутствовали. В усилителях более высокого класса дополнительный LC-фильтр (с небольшой малогабаритной индуктивностью) желателен.

↑ Общие рекомендации

Делитель R1R2 позволяет плавно регулировать напряжение на нагрузке и гасить, при необходимости, лишнее напряжение. В усилителе для наушников я погасил примерно 50 В. Это проще, чем менять силовой трансформатор.
Плавная подача напряжения полезна для ламп и сглаживает переходные процессы.

Надо отметить, что замыкания в нагрузке недопустимы – транзистор фильтра моментально выйдет из строя. На время предварительной настройки, если нет уверенности в монтаже усилителя и исправности элементов, фильтр даже можно заменить постоянным резистором, например, МЛТ-2. Для данного усилителя при токе потребления 0,1 А и падении напряжения на фильтре 20 В, годится резистор МЛТ-2 200 Ом.

Изготовление универсальных плат фильтров «впрок» я считаю простым и полезным. Платы не нуждаются в настройке. Требуется только отформовать конденсаторы, особенно если они новые и проверить входное и выходное напряжение, а при необходимости – подстроить последнее.

Просмотр напряжений на входе и выходе фильтра желателен. Во избежание выхода осциллографа из строя, напряжение надо подавать на его закрытый вход.

Заодно выяснилось, что разделительный конденсатор на входе С1-94 обладает утечкой, поэтому для наблюдения на пределе «10 мВ» пришлось включать его через дополнительную качественную (конечно, не «электролит») ёмкость с полипропиленовым диэлектриком.

↑ Файлы

Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.


Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Электрические пассивные фильтры

В своей жизни вы не раз слышали слово “фильтр”. Фильтр для воды, воздушный фильтр, масляной фильтр, “фильтруй базар” в конце концов). В воздушном, водяном, масляном и других видах фильтров происходит очистка от посторонних частиц и примесей. Но что же фильтрует электрический фильтр? Ответ простой: частоту.

Что такое электрический фильтр

Электрический фильтр – это устройство для выделения желательных компонентов спектра (частот) электрического сигнала и/или для подавления нежелательных. Для остальных частот, которые не входят в полосу пропускания, фильтр создает большое затухание, вплоть до полного их исчезновения.

Характеристика идеального фильтра должна вырезать строго определенную полосу частота и “давить” другие частоты до полного их затухания. Ниже пример идеального фильтра, который пропускает частоты до какого-то определенного значения частоты среза.

На практике такой фильтр реализовать нереально. При проектировании фильтров стараются как можно ближе приблизиться к идеальной характеристике. Чем ближе характеристика АЧХ к идеальному фильтру, тем лучше он будет исполнять свою функцию фильтрации сигналов.

Фильтры, которые собираются только на пассивных радиоэлементах, таких как катушка индуктивности, конденсатор, резистор, называют пассивными фильтрами. Фильтры, которые в своем составе имеют один или несколько активных радиоэлементов, типа транзистора или ОУ, называют активными фильтрами.

В нашей статье мы будем рассматривать пассивные фильтры и начнем с самых простых фильтров, состоящих из одного радиоэлемента.

Одноэлементные фильтры

Как вы поняли из названия, одноэлементные фильтры состоят из одного радиоэлемента. Это может быть либо конденсатор, либо катушка индуктивности. Сами по себе катушка и конденсатор не являются фильтрами – это ведь по сути просто радиоэлементы. А вот вместе с выходным сопротивлением генератора и с сопротивлением нагрузки их уже можно рассматривать как фильтры. Здесь все просто. Реактивное сопротивление конденсатора и катушки зависят от частоты. Подробнее про реактивное сопротивление вы можете прочитать в этой статье.

В основном одноэлементные фильтры применяются в аудиотехнике. Для фильтрации используется либо катушка, либо конденсатор, в зависимости от того, какие частоты надо выделить. Для ВЧ-динамика (пищалки), мы последовательно с динамиком соединяем конденсатор, который будет пропускать через себя ВЧ-сигнал почти без потерь, а низкие частоты будет глушить.

Для сабвуферного динамика нам нужно выделить низкие частоты (НЧ), поэтому последовательно с сабвуфером соединяем катушку индуктивности.

Номиналы одиночных радиоэлементов можно, конечно, рассчитать, но в основном подбирают на слух.

Для тех, кто не желает заморачиваться, трудолюбивые китайцы создают готовые фильтры для пищалок и сабвуфера. Вот один из примеров:

На плате мы видим 3 клеммника: входной клеммник (INPUT), выходной под басы (BASS) и клеммник под пищалку (TREBLE).

Г-образные фильтры

Г-образные фильтры состоят из двух радиоэлементов, один или два из которых имеют нелинейную АЧХ.

RC-фильтры

Думаю, начнем с самого известного нам фильтра, состоящего из резистора и конденсатора. Он имеет две модификации:

С первого взгляда можно подумать, что это два одинаковых фильтра, но это не так. В этом легко убедиться, если построить АЧХ для каждого фильтра.

В этом деле нам поможет Proteus. Итак, АЧХ для этой цепи

будет выглядеть вот так:

Как мы видим, АЧХ такого фильтра беспрепятственно пропускает низкие частоты, а с ростом частоты ослабляет высокие частоты. Поэтому, такой фильтр называют фильтром низких частот (ФНЧ).

А вот для этой цепи

АЧХ будет выглядеть таким образом

Здесь как раз все наоборот. Такой фильтр ослабляет низкие частоты и пропускает высокие частоты, поэтому такой фильтр называется фильтром высокой частоты (ФВЧ).

Наклон характеристики АЧХ

Наклон АЧХ в обоих случаях равняется 6 дБ/октаву после точки, соответствующей значению коэффициента передачи в -3дБ, то есть частоты среза. Что означает запись 6 дБ/октаву? До или после частоты среза, наклон АЧХ принимает вид почти прямой линии при условии, что коэффициент передачи измеряем в дБ. Октава – это соотношение частот два к одному. В нашем примере наклон АЧХ в 6 дБ/октаву говорит о том, что при увеличении частоты в два раза, у нас прямая АЧХ растет (или падает) на 6 дБ.

Давайте рассмотрим этот пример

Возьмем частоту 1 КГц. На частоте от 1 КГц до 2 КГц падение АЧХ составит 6 дБ. На промежутке от 2 КГц и до 4 КГц АЧХ снова падает на 6 дБ, на промежутке от 4 КГц и до 8 КГц снова падает на 6 дБ, на частоте от 8 КГц и до 16 КГц затухание АЧХ снова будет 6 дБ и тд. , следовательно, наклон АЧХ составляет 6 дБ/октаву. Есть также такое понятие, как дБ/декада. Оно используется реже и обозначает разницу между частотами в 10 раз. Как найти дБ/декаду можно прочитать в этой статье.

Чем больше крутизна наклона прямой АЧХ, тем лучше избирательные свойства фильтра:

Фильтр, с характеристикой наклона в 24 дБ/октаву явно будет лучше, чем в 6 дБ/октаву, так как становится более приближенным к идеальному.

RL-фильтры

Почему бы не заменить конденсатор катушкой индуктивности? Получаем снова два типа фильтров:

Для этого фильтра

АЧХ принимает такой вид:

Получили все тот же самый ФНЧ

Каждый электрик должен знать:  Простой способ изготовления термопар для использования их в качестве датчиков температур

а для такой цепи

АЧХ примет такой вид

Тот же самый фильтр ФВЧ

RC и RL фильтры называют фильтрами первого порядка и они обеспечивают наклон характеристики АЧХ в 6 дБ/октаву после частоты среза.

LC-фильтры

А что если заменить резистор конденсатором? Итого мы имеем в схеме два радиоэлемента, реактивное сопротивление которых зависит от частоты. Здесь получаются также два варианта:

Давайте рассмотрим АЧХ этого фильтра

Как вы могли заметить, его АЧХ в области низких частот получилась наиболее плоской и заканчивается шипом. Откуда вообще он взялся? Мало того, что цепь собрана из пассивных радиоэлементов, так она еще и усиливает сигнал по напряжению в области шипа!? Но не стоит радоваться. Усиливает по напряжению, а не по мощности. Дело в том, что мы получили последовательный колебательный контур, у которого, как вы помните, на частоте резонанса возникает резонанс напряжений. При резонансе напряжений, напряжение на катушке равняется напряжению на конденсаторе.

Но это еще не все. Это напряжение в Q раз больше, чем напряжение, подаваемое на последовательный колебательный контур. А что такое Q? Это добротность. Вас этот шип не должен смущать, так как высота пика зависит от добротности, которая в реальных схемах составляет небольшое значение. Примечательна эта схема также тем, что наклон ее характеристики составляет 12 дБ/октаву, что в два раза лучше, чем у RC и RL фильтров. Кстати, если даже максимальная амплитуда превышает значения в 0 дБ, то все равно полосу пропускания определяем на уровне в -3 дБ. Об этом тоже не стоит забывать.

Все то же самое касается и ФВЧ фильтра

Как я уже сказал, LC фильтры называют уже фильтрами второго порядка и они обеспечивают наклон АЧХ в 12 дБ/октаву.

Сложные фильтры


Что будет, если соединить два фильтра первого порядка друг за другом? Как ни странно, получится фильтр второго порядка.

Его АЧХ будет более крутой, а именно 12 дБ/октаву, что характерно для фильтров второго порядка. Догадайтесь, какой наклон будет у фильтра третьего порядка 😉 ? Все верно, прибавляем 6 дБ/октаву и получаем 18 дБ/октаву. Соответственно, у фильтра 4 -ого порядка наклон АЧХ будет уже 24 дБ/октаву и тд. То есть, чем больше звеньев мы соединим, тем круче будет наклон АЧХ и тем лучше будут характеристики фильтра. Все оно так, но вы забыли то, что каждый последующий каскад вносит свою лепту в ослабление сигнала.

В приведенных схемах мы строили АЧХ фильтра без внутреннего сопротивления генератора а также без нагрузки. То есть в данном случае сопротивление на выходе фильтра равняется бесконечности. Значит, желательно делать так, чтобы каждый последующий каскад имел значительно бОльшее входное сопротивление, чем предыдущий. В настоящее время каскадирование звеньев уже кануло в лету и сейчас используют активные фильтры, которые построены на ОУ.

Разбор фильтра с Алиэкспресс

Для того, чтобы вы уловили предыдущую мысль, мы разберем простой пример от наших узкоглазых братьев. На Алиэкпрессе продаются различные фильтры для сабвуфера. Рассмотрим один из них.

Как вы заметили, на нем написаны характеристики фильтра: данный тип фильтра рассчитан на сабвуфер мощностью 300 Ватт, наклон его характеристики 12 дБ/октаву. Если соединять к выходу фильтра саб с сопротивлением катушки в 4 Ома, то частота среза составит 150 Гц. Если же сопротивление катушки саба 8 Ом, то частота среза составит 300 Гц.

Для полных чайников продавец даже привел схему в описании товара. Выглядит она вот так:

Далее мы собираем эту схему в Proteus. Так как при параллельном соединении конденсаторов номиналы суммируются, я сразу заменил 4 конденсатора одним.

Чаще всего можно увидеть прямо на динамиках значение сопротивления катушки на постоянном токе: 2 Ω, 4 Ω, 8 Ω. Реже 16 Ω. Значок Ω после цифр обозначает Омы. Также не забывайте, что катушка в динамике обладает индуктивностью.

Как ведет себя катушка индуктивности на разных частотах?

Как вы видите, на постоянном токе катушка динамика обладает активным сопротивлением, так как она намотана из медного провода. На низких частотах в дело вступает реактивное сопротивление катушки, которое вычисляется по формуле:

ХL — сопротивление катушки, Ом

П — постоянная и равна приблизительно 3,14

L — индуктивность, Гн

Так как сабвуфер предназначен именно для низких частот, значит, последовательно с активным сопротивлением самой катушки добавляется реактивное сопротивление этой же самой катушки. Но в нашем опыте мы это учитывать не будем, так как не знаем индуктивность нашего воображаемого динамика. Поэтому, все расчеты в опыте берем с приличной погрешностью.

Как утверждает китаец, при нагрузке на фильтр динамика в 4 Ома, его полоса пропускания будет доходить до 150 Герц. Проверяем так ли это:

Как вы видите, частота среза на уровне в -3 дБ составила почти 150 Герц.

Нагружаем наш фильтр динамиком в 8 Ом

Частота среза составила 213 Гц.

В описании на товар утверждалось, что частота среза на 8-омный саб составит 300 Гц. Думаю, можно поверить китайцам, так как во-первых, все данные приближенные, а во-вторых, симуляция в программах далека от реальности. Но суть опыта была не в этом. Как мы видим на АЧХ, нагружая фильтр сопротивлением большего номинала, частота среза сдвигается в большую сторону. Это также надо учитывать при проектировании фильтров.

Полосовые фильтры

В прошлой статье мы с вами рассматривали один из примеров полосового фильтра

Вот так выглядит АЧХ этого фильтра.

Особенность таких фильтров такова, что они имеют две частоты среза. Определяются они также на уровне в -3дБ или на уровне в 0,707 от максимального значения коэффициента передачи, а еще точнее Ku max/√2.

Полосовые резонансные фильтры

Если нам надо выделить какую-то узкую полосу частот, для этого применяются LC-резонанcные фильтры. Еще их часто называют избирательными. Давайте рассмотрим одного из их представителя.

LC-контур в сочетании с резистором R образует делитель напряжения. Катушка и конденсатор в паре создают параллельный колебательный контур, который на частоте резонанса будет иметь очень высокий импеданс, в народе – обрыв цепи. В результате, на выходе цепи при резонансе будет значение входного напряжения, при условии если мы к выходу такого фильтра не цепляем никакой нагрузки.

АЧХ данного фильтра будет выглядеть примерно вот так:

В реальной же цепи пик характеристики АЧХ будет сглажен за счет потерь в катушке и конденсаторе, так как катушка и конденсатор обладают паразитными параметрами.

Если взять по оси Y значение коэффициента передачи, то график АЧХ будет выглядеть следующим образом:

Постройте прямую на уровне в 0,707 и оцените полосу пропускания такого фильтра. Как вы можете заметить, она будет очень узкой. Коэффициент добротности Q позволяет оценить характеристику контура. Чем большее добротность, тем острее характеристика.

Как же определить добротность из графика? Для этого надо найти резонансную частоту по формуле:

f0— это резонансная частота контура, Гц

L — индуктивность катушки, Гн

С — емкость конденсатора, Ф

Подставляем L=1mH и С=1uF и получаем для нашего контура резонансную частоту в 5033 Гц.

Теперь надо определить полосу пропускания нашего фильтра. Делается это как обычно на уровне в -3 дБ, если вертикальная шкала в децибелах, либо на уровне в 0,707, если шкала линейная.

Давайте увеличим верхушку нашей АЧХ и найдем две частоты среза.

Следовательно, полоса пропускания Δf=f2 – f1 = 5233-4839=394 Гц

Ну и осталось найти добротность:

Режекторные фильтры

Другой разновидностью LC схем является последовательная LC-схема.

Ее АЧХ будет выглядеть примерно вот так:

Как можно увидеть, такая схема на резонансной частоте и вблизи нее как бы вырезает небольшой диапазон частот. Здесь вступает в силу резонанс последовательного колебательного контура. Как вы помните, на резонансной частоте сопротивление контура будет равняться его активному сопротивлению. Активное сопротивление контура составляют паразитные параметры катушки и конденсатора, поэтому падение напряжения на самом контуре будет равняться падению напряжения на паразитном сопротивлении, которое очень мало. Такой фильтр называют узкополосным режекторным фильтром.

На практике звенья таких фильтров каскадируют, чтобы получить различные фильтры с требуемой полосой пропускания. Но есть один минус у фильтров, в которых имеется катушка индуктивности. Катушки дорогие, громоздкие, имеют много паразитных параметров. Они чувствительны к фону, который магнитным путем наводится от расположенных поблизости силовых трансформаторов.

Конечно, этот недостаток можно устранить, поместив катушку индуктивности в экран из мю-металла, но от этого она станет только дороже. Проектировщики всячески пытаются избежать катушек индуктивности, если это возможно. Но, благодаря прогрессу, в настоящее время катушки не используются в активных фильтрах, построенных на ОУ.

Заключение

В радиоэлектронике фильтры находят множество применений. Например, в области электросвязи полосовые фильтры используются в диапазоне звуковой частоты (20 Гц-20 КГц). В системах сбора данных используются фильтры низких частот (ФНЧ). В музыкальной аппаратуре фильтры подавляют шумы, выделяют определенную группу частот для соответствующих динамиков, а также могут изменять звучание. В системах источников питания фильтры часто используются для подавления частот, близких к частоте сети 50/60 Герц. В промышленности фильтры применяются для компенсации косинуса фи, а также используются как фильтры гармоник.

Резюме

Электрические фильтры используются для выделения какого-либо диапазона частота и глушат ненужные частоты.

Фильтры, построенные на пассивных радиоэлементах, таких как резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, называют пассивными фильтрами. Фильтры в которых имеется активный радиоэлемент, типа транзистора или ОУ, называются активными фильтрами.

Чем круче спад характеристики АЧХ, тем лучше избирательные свойства фильтра.

Сетевой фильтр своими руками

Работа электротехнических и электронных устройств происходит за счёт питания сетевым током. Энергопоток через провода приносит с собой сателлитные электромагнитные поля. Они несут угрозу точности выполнения своих функций абонентами электросети. Решить этот вопрос могут сетевые фильтры (СФ). Их всегда можно купить в виде сетевых удлинителей. Зная схему сетевого фильтра, устройство несложно собрать своими руками.

Принцип работы сетевого фильтра

Напряжение переменного тока в сети 220 в изменяется в синусоидальном виде. Правильная форма электрического импульса «загрязняется» электромагнитными помехами. Синусоида выглядит в виде изгибающейся линии чистого сигнала, окружённой вязью блуждающих токов, вызванных фазными перекосами, подсадками и всплесками напряжения.

Сопровождающие помехи влияют на чувствительные компоненты электронных схем различных приборов и аппаратуры. Возникает проблема очистки тока от паразитных образований. Для этого применяют сетевой фильтр (СФ).

СФ встраивают между источником сетевого тока и потребителями. Он состоит из соединённых в определённом порядке дросселей и конденсаторов. Работа фильтра – выстраивание индуктивного сопротивления катушек, не пропускающего помехи высокой частоты. Ёмкости устройства отсекают нежелательные помехи. Конденсаторы замыкают цепь и не пропускают паразитные импульсы.

Устройство простого сетевого фильтра

СФ бывают двух видов:

  1. Встроенные.
  2. Стационарные – многоканальные.

Встроенные

Компактные платы СФ являются частью внутреннего устройства различного электронного оборудования. Ими оснащается компьютерная и другая сложная техника.

На фото видно устройство СФ. На плате установлены следующие детали:

  • VHF – конденсатор;
  • тороидальный дроссель;
  • добавочные конденсаторы;
  • варистор;
  • индукционные катушки;
  • термический предохранитель.

Варистором называют резистор с переменным сопротивлением. При превышении нормативного порога напряжения (280 в) его сопротивление может уменьшиться в десятки раз. Варистор выполняет функцию защиты от импульсного перенапряжения.

Стационарные – многоканальные

Корпус прибора имеет несколько розеток. Благодаря этому, есть возможность подключить через фильтр всю имеющуюся электротехнику в одном помещении к одной розетке. Для очистки от радиопомех высокой частоты применяется простой LC-фильтр. Несгораемые термопредохранители предотвращают скачки напряжения. В некоторых моделях применяются одноразовые плавкие предохранители.

Самостоятельное изготовление сетевого фильтра

Сделать самый простой сетевой фильтр своими руками в домашних условиях радиолюбителю будет совсем не трудно. Для этого нужно встроить небольшую схему внутрь корпуса сетевого удлинителя с несколькими розетками. На нижнем рисунке показано, как это сделать.

Устанавливают СФ в удлинителе следующим образом:

  1. Вскрывают корпус сетевого удлинителя.
  2. В параллельные ветви после выключателя и варистора впаивают резисторы R1, R2 и дроссели (индуктивные катушки) L1, L2.
  3. Затем ветви поочерёдно замыкают через конденсатор С1 и один резистор R3.
  4. Установка концевого конденсатора С2 может быть сделана в любом месте между розетками.

Важно! Если внутри корпуса удлинителя не найдётся места для второго конденсатора С2, то можно обойтись без него. Достаточно скорректировать параметры С1.

Дроссели применяются с незамкнутыми ферритовыми сердечниками индуктивностью от 10 мкГн. Конденсаторы подбираются в диапазоне 0,22-1 мкФ. Сопротивление резисторов коррелируют с планируемой мощностью потребителей. При нагрузке 500 Вт потребуются резисторы 0,22 Ом. Сопротивление R3 должно быть не меньше 500 кОм.

Видоизменённая схема

Вышеописанную схему нередко модернизируют. Применяя катушки с другими параметрами, обходятся без резисторов. Для этого берут дроссели с высокой индуктивностью – 200 мкГн. Вместо старой ёмкости впаивают конденсатор, рассчитанный на 280 в.

Схема СФ защиты от сетевых помех

Типовая схема сетевого фильтра является основой всех устройств такого типа за исключением дополнительных мелочей. Классикой является подключение к точкам: Земля, Фаза и Ноль. На входе устанавливается варистор VDR 1. Он подавляет всплески напряжения сетевого тока. При высоком скачке напряжения сопротивление варистора резко падает, этим он не пропускает помеху далее по схеме.

Для гашения небольших изменений напряжения используются дроссель Tr1 и три ёмкости С. Конденсаторы С1, С2 и С3 – реактивные радиодетали, постоянно меняющие уровень сопротивления. Оно при изменении частоты тока резко возрастает.

Нормальный ток беспрепятственно проходит через фильтр. В то же время помехи высокой частоты задерживаются в СФ. Сопротивление фильтра находится в прямой пропорциональной зависимости от величины частоты тока. Оба показатели одновременно возрастают, что позволяет задерживать помехи на пути к потребителю.

Обратите внимание! Трёхпроводная сеть питания может подвергаться возникновению помех на участках фаза – ноль, земля – фаза, земля – ноль. Эффективное подавление таких негативных явлений осуществляется нормальным стандартным заземлением СФ.

Пути улучшения схемы фильтра

Существует множество вариантов улучшения схемы сетевого фильтра. Один из них отличается остроумием и позволяет существенно экономить потребляемую электроэнергию. Суть метода заключается в следующем:

  1. Вскрывают корпус многоразъёмного СФ удлинителя.
  2. Одну из токоведущих шин разрезают.
  3. Отрезки соединяют с 5 вольтовым реле, рассчитанным на коммутацию тока 3А, 250 в.
  4. Два других контакта реле соединяют проводами с USB разъёмом на конце.
  5. Разъём подключают к USB входу телевизора.

В результате получается управляемая система питания, состоящая из ТВ, цифровой приставки и блока питания спутниковой антенны. Если ранее при выключении телевизора все части системы оставались в режиме ожидания, то с модернизированным фильтром они полностью отключаются. Стоит с пульта включить телеприёмник, как все коммутированные приборы тоже приводятся в действие и наоборот.

Дополнительная информация. Различные модернизированные СФ всегда можно найти на радиорынке, но стоят они довольно дорого. Поэтому намного выгоднее сделать усовершенствование устройства своими руками.

В другом случае идут по пути добавления в СФ LC-фильтра, который, помимо гашения помех от сети, понижает взаимно возникающие электрические помехи от подключённых потребителей.

Штатный варистор (470 в) часто не вызывает срабатывание автоматического предохранителя. Его меняют на аналогичное устройство, рассчитанное на напряжение 620 в. Это позволяет подавлять помехи от работающей стиральной машины, пылесоса и другой мощной электротехники.

Домашние мастера оснащают сетевые фильтры-удлинители звуковой сигнализацией. При превышении в сети уровня напряжения 280 в фильтр оповещает об этом сигналом.

Сетевой фильтр с 2-х обмоточным дросселем

СФ на основе дросселя с двумя обмотками применяют для чувствительной аудиотехники. Звуковые колонки чутко реагируют на помехи сетевого питания. Если таковые возникают, то динамики искажают звук и испускают посторонний фоновый шум. Радиоаппаратура, подключённая к сети через СФ с 2-х обмоточной катушкой, защищена от таких помех.

Схему собирают на отдельной печатной плате. Потребуются несколько конденсаторов и самодельный дроссель. Его изготавливают следующим образом:

  1. Кольцо из феррита марки НМ с показателем магнитной проницаемости от 400 до 3000 можно взять из старой электротехники.
  2. Магнитопровод оборачивают тканью и покрывают лаком.
  3. Для обмотки применяют провод марки ПЭВ. Его площадь сечения зависит от величины нагрузки. Мощные потребители требуют существенного увеличения этого параметра.
  4. Намотку ведут двумя проводами в разных направлениях.
  5. Делают 10, 12 оборотов каждого проводника.
  6. Конденсаторы устанавливают в начале и конце схемы. Они должны выдерживать напряжение до 400 в.

Обмотки катушки индуктивности включаются в последовательном порядке. Поэтому магнитные поля катушки взаимно поглощаются. При прохождении тока высокой частоты резко возрастает сопротивление дросселя. Ёмкости поглощают и закорачивают помехи.

Печатную плату помещают в отдельный металлический корпус. В крайнем случае схему отгораживают металлическими бортиками. Это делается с целью исключения дополнительных помех от блуждающих электромагнитных полей.

С каждым новым поколением электронного оборудования предъявляются повышенные требования к качественным характеристикам сетевого тока. Чтобы не заниматься ремонтом чувствительной электроники, нужно обязательно подключать её через сетевые фильтры. Если фильтровать ток нужно для небольшого количества потребителей, то можно пойти по экономному пути и изготовить сетевой фильтр своими руками.

Что такое сетевой фильтр и для чего он нужен?

Предназначение сетевого фильтра

Известно, что у вас в розетке имеется сеть переменного тока напряжением в 220 Вольт. «Переменное напряжение (ток)» значит, что его величина и/или знак непостоянны, а меняются с течением времени по определенному закону.

Природа генерирующих электрических машин (генераторов) такова, что на выходных клеммах генерируется ЭДС синусоидальной формы. Однако всё было бы хорошо, если бы все устройства имели резистивный характер, отсутствовали пусковые токи, и не имели в своем составе импульсных преобразователей. К сожалению, так не бывает, т.к. большинство устройств имеют индуктивный, емкостной характер, щёточные двигателя, импульсные источники вторичного питания. Весь этот замысловатый набор слов – это главные виновники электромагнитных помех.

Мы начали статью с речи об электромагнитных помехах не просто так. Эти помехи «портят» ровную форму синусоиды. Образуются так называемые гармоники. Если разложить реальный сигнал из розетки в виде ряда Фурье мы увидим, что синусоида дополнилась различными функциями, различной частоты и амплитуды. Форма напряжения в настоящей розетке стала далека от идеальной.

Ну и что в итоге? Плохое электропитание – проблема для радиопередающих устройств. Попросту ваш телевизор или радиоприемник будет работать с помехами. Кроме помех от потребителей в сети присутствуют помехи случайного происхождения, которые мы не можем предугадать. Это всплески, перепады напряжения от перебоев электроснабжения, включения мощной нагрузки и т.д.

Сетевой фильтр нужен для того, чтобы:

  1. Отфильтровать помехи для чистого питания устройств.
  2. Снизить помехи, исходящие от питающих приборов.

Как работает сетевой фильтр

Фильтрация ненужных составляющих сигнала осуществляется, как это ни странно, специальными фильтрами, их собирают из индуктивностей (L) и конденсаторов (С). Ограничение всплесков высокого напряжения – варисторами. Это работает благодаря таким электротехническим понятиям – постоянная времени и законы коммутации, реактивное сопротивление.

Постоянная времени – это время, за которое заряжается конденсатор или накапливает энергию индуктивность. Зависит от элементов фильтра (R, L и C). Реактивное сопротивление – это сопротивление элементов, которое зависит от частоты сигнала, а также от их номинала. Присутствует у индуктивностей и конденсаторов. Обусловлено только передачей энергии переменного тока электрическому или магнитному полю.

Простыми словами – с помощью реактивного сопротивления можно снизить, ограничить высокочастотные гармоники нашей синусоиды. Известно, что в розетке частота питания 50 Гц. Значит нужно рассчитывать фильтр на частоты на порядок выше и более. У индуктивности сопротивление растет с ростом частоты, у конденсатора – падает. То есть принцип работы сетевого фильтра заключается в подавлении высокочастотных составляющих сетевой синусоиды, при этом оказывая минимальное влияние на основную 50 Гц составляющую.

Смотрим что внутри

Мы разобрались, где применяется сетевой фильтр, поэтому теперь давайте разберемся, из чего состоит реальный сетевой фильтр, абстрагируемся от теории.

  1. Фильтр помех.
  2. Кнопка или тумблер.
  3. Варистор.
  4. Розеточная группа.
  5. Сетевой шнур.

Внутренности дорогого и качественного фильтра, обратите внимание на батарею конденсаторов справа и размеры дросселя по центру:

Пойдем по порядку – фильтр. Конструкция такого элемента представляет собой LC-фильтр. Нулевой и фазные провода из розетки подключатся к катушке индуктивности (каждый к своей), а между ними 1 и больше конденсаторов. Типовые номиналы деталей:

  • индуктивность каждой катушки – 50-200 мкГн;
  • конденсаторы 0,22-1 мкФ.

Варистор – это полупроводниковый элемент с нелинейной ВАХ. При достижении определенного напряжения, приложенного к нему, защищает нагрузку кратковременным замыканием входных цепей питания, принимая «удар» на себя. Нужен для того, чтобы сберечь вашу технику от «плохого питания». Чаще всего применяется варистор на 470 Вольт. Принцип действия такой защиты очевиден – при скачках напряжения цепи питания защищаемой нагрузки шунтируются варистором.

Содержимое дешевого фильтра, здесь вообще нет дросселя – его эффективность минимальна, но всё еще есть варистор (голубой в центре кадра), и он спасет от скачков напряжения:

Для чего нужен тумблер, если всё может работать и без него? Просто чтобы вы не дергали каждый раз вилку из розетки, ведь, чаще всего через сетевой фильтр подключается стационарное оборудование. Это снизит износ контактных пластин розетки.

Принципиальная схема сетевого фильтра:

Где применяется фильтр и что делать, если его нет

Дело в том, что в качественных блоках питания он должен быть установлен, прям на плате и тем более на БП высокой мощности, например компьютерных. Но, к сожалению, ваши зарядные устройства для смартфона, БП от ноутбука, ЭПРА люминесцентных и светодиодных ламп чаще всего не имеют их в своем составе. Это связано с тем, что китайские производители упрощают схемы своих устройств для снижения их себестоимости. Часто бывает, что на плате есть места для деталей, назначение которых фильтровать помехи, но они просто не распаяны и вместо них стоят перемычки. Компьютерные блоки – это отдельная тема, схема практически у всех одна, но исполнение разное, и в самых дешевых моделях фильтр отсутствует.

Вы можете снизить помехи вашего телевизора или другого устройства которое хотите защитить и улучшить свойства его электропитания дополнив обычный удлинитель таким фильтром. Его можно собрать самому или извлечь из хорошего, но ненужного или неисправного БП.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Сетевой фильтр – это простое, но полезное устройство, которое улучшит качество электропитания ваших приборов и снизит вред, наносимый его частоте работой импульсных БП, а область применения достаточно широка – используйте его для любой современной аппаратуры. Его устройство позволяет повторить схему даже начинающему радиолюбителю, а ремонт не составит труда. Использование сетевого фильтра крайне желательно для потребителей любого рода.

Простой и эффективный сетевой фильтр

О жутких помехах в наших электросетях и об их убийственном влиянии на работу аудиовидеотехники известно всем, кто любит слушать музыку и смотреть кино. Многие, предварительно приценившись к сетевым кондиционерам производителей Hi-Fi, чаще всего останавливают выбор на недорогих компьютерных фильтрах, после чего считают проблему решенной.

Между тем, для аудиотехники такие фильтры практически бесполезны, ведь их основная задача — защитить компьютер от импульсных помех, или «иголок», т.е. кратковременных (1 мкс — 1 нс) скачков амплитуды до нескольких тысяч вольт (!), представляющих реальную угрозу для микрочипов. Их спектр находится в высокочастотной области (десятки — сотни мегагерц), и фильтры, рассчитанные на борьбу с ними, малоэффективны для аудиотехники, для которой самые опасные помехи сосредоточены в диапазоне 0,001 — 30 МГц.

Каждый электрик должен знать:  Щелкает электрощит, когда включается мощная нагрузка причина

Второй не менее важный момент — энергетические характеристики такого фильтра. Большинство недорогих конструкций рассчитаны на максимальный ток в 10 А, а в пике усилителю, если он работает в классе АВ (а таких большинство), этого явно недостаточно. А сабвуфер, а шесть каналов домашнего кинотеатра? Из-за нехватки мощности на forte сигнала звучание получается вялым, неровным и шероховатым.

Но в то же время сделать качественный фильтр, эффективно убирающий помехи и «грязь» в звуковом диапазоне, не так сложно, как кажется. Один из возможных вариантов приведен на рис. 1.

Рис.1

Коротко об элементах. В любом справочнике с характеристиками конденсаторов можно обнаружить несколько типов, пригодных для нашего проекта. Там так и написано: «…предназначены для подавления индустриальных и высокочастотных помех, создаваемых промышленными и бытовыми приборами, выпрямительными устройствами…, а также помех атмосферных». Добавлю от себя, что они сами по себе являются фильтрами нижних частот, имея при этом минимально возможное проходное сопротивление. Различаются такие конденсаторы: по максимальному проходному току, рабочему напряжению и частотным свойствам. Внешний вид и частотная характеристика конденсаторов КПБ-Ф, на которых построен наш фильтр, показаны на рис. 2 и 3.

Рис. 2

Рис. 3

На схеме они обозначены как С1-C4, тип — КПБ-Ф емкостью 1 мкФ на переменное напряжение 220 В или постоянное 500 В, а ток через них может достигать 40 А. Индуктивность катушек L1 и L2 — примерно 50 мкГн, это около 30 витков 3-миллиметрового провода, намотанного в 3 слоя на сердечнике из капролона или фторопласта. Диаметр катушки 55, а высота — 45 мм, и прикреплены они к дну корпуса.

Запас по току кажется чрезмерным. Но только поначалу — поставьте DVD «Перл-Харбор» или «U-571», и если все что нужно взорвется как положено, а не с жалким пшиком, вы признаете правильность этой идеи. Частотные свойства фильтра вполне соответствуют нашим требованиям — передаточная характеристика начинает падать с 0 Гц, а на 600 кГц затухание составляет более 40 дБ, увеличиваясь с ростом частоты.

Элементы фильтра смонтированы в корпусе из листового алюминия толщиной 3 мм. Он разделен на три секции, размером 380 на 150 и высотой 80 мм. Расположение элементов показано на рис. 4. Коробку можно собрать на винтах или «вытяжных» алюминиевых заклепках. При окончательной сборке перед затягиванием винтов под контактирующие поверхности дна крышки и стенок рекомендую проложить пищевую алюминиевую фольгу для лучшего контакта и экранирования соответственно.

Рис. 4

Теперь самое главное — подключение. Такие фильтры требуют обязательного заземления — без него эффективность резко упадет. Во всех современных домах «евророзетки» с заземлением, как правило, уже имеются, так что проблем здесь быть не должно. Если нет — то «землю» придется взять от короба распределительного щита на лестничной клетке, проложив ее до корпуса фильтра отдельным проводом сечением не менее 4 мм². (На всех строительных рынках можно приобрести специальные «земляные» провода в зелено-желтой изоляции.) Крепление клеммы заземления к корпусу фильтра должно быть надежным, с пружинной шайбой-«звездочкой» и контргайкой. Идеальное решение проблемы — провести отдельную линию от щитка на лестничной клетке к фильтру для питания аппаратуры. Провод для проводки должен иметь сечение не менее 4 мм².

Если все сделано грамотно, то разницу вы почувствуете довольно быстро. В завершение хочу напомнить о требованиях безопасности при работе с электросетью, а заодно пожелать всем братьям по оружию большого удовольствия от своей аппаратуры.

Фильтры источников питания

Группа: Cоучастник
Сообщений: 1362
Пользователь №: 2133
Регистрация: 26-October 05

Готовил сообщение по уменьшению пульсаций в сетевых (бестрансформаторных) БП. Выдержка (ссылка на «Радио») может быть полезной.

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)


Группа: Cоучастник
Сообщений: 73
Пользователь №: 42251
Регистрация: 24-January 09
Место жительства: Новосибирск

QUOTE (Radiomanjak @ May 31 2009, 11:32 PM)
Посмотри вот это http://vrtp.ru/uploads/post-59-1242977329.png

Группа: Автор
Сообщений: 7310
Пользователь №: 35582
Регистрация: 3-August 08
Место жительства: Украина, Харьков

QUOTE
В Харькове? Не очень? Или ты не в самом?

Как-то не очень звучат. Стерео сжато.. Нет яркости звука.. Скорее всего это магнитола такая. Так что твоя станция очень даже хорошо звучит.

нет не в самом, в Богодухове
а комерческие станции так звучат почти на самом деле

баланс крутил просто чтобы проверить на сколько он уменшает сигнал в канале, на тюнере написано -20дб так на самом деле и оказалось

ЗЫ могу если надо записать с отключеными каналами
моя станиция ищё далеко он идеальной на паузе слишен фон 100гц а при включении станции на полную мощность(пока что 10вт) фон около 50гц

Это сообщение отредактировал vitalik_b — Sep 12 2009, 07:42 PM

Группа: Автор
Сообщений: 7310
Пользователь №: 35582
Регистрация: 3-August 08
Место жительства: Украина, Харьков

Группа: Автор
Сообщений: 7310
Пользователь №: 35582
Регистрация: 3-August 08
Место жительства: Украина, Харьков

попробую так сделать

заметил что у одной комерческой станции прыгает уровень пилот тонна на 15дб

QUOTE (Crossovok @ Sep 12 2009, 11:07 PM)
Гы ))) Так сделай электронный фильтр — возьми транзистор КТ825 или КТ827 (не помню.. Тот, который n-p-n ), подай напряжение на коллектор, сними с эмиттера, а на базу подай напряжение с коллектора через сопротивление 200-500 ом и на массу электролит 470-1000 мкф. Падение напряжения составит 1-2 вольт, а гудение полностью исчезнет!

Понял как? Типа стабилизатора, только без стабилитрона. Считается, что «Коэффициент фильтрации» такого фильтра определяется путем умножения базовой емкости на выходную. Т.е. если на базе 1000, а на выходе 10 000 — эффект будет, как-будто у тебя 10 фарад ___)))
По-колхозному, но где-то так )))

хорошая идея, а будет работать такой фильтр на irfz44n ? Или полевой не будет так фильтровать?

Это сообщение отредактировал Balliil — Sep 12 2009, 11:03 PM

Группа: Cоучастник
Сообщений: 1390
Пользователь №: 11178
Регистрация: 8-September 06
Место жительства: Европа.

QUOTE (Crossovok @ Sep 12 2009, 11:07 PM)
Гы ))) Так сделай электронный фильтр — возьми транзистор КТ825 или КТ827 (не помню.. Тот, который n-p-n ), подай напряжение на коллектор, сними с эмиттера, а на базу подай напряжение с коллектора через сопротивление 200-500 ом и на массу электролит 470-1000 мкф. Падение напряжения составит 1-2 вольт, а гудение полностью исчезнет!

Понял как? Типа стабилизатора, только без стабилитрона. Считается, что «Коэффициент фильтрации» такого фильтра определяется путем умножения базовой емкости на коэффициент усиления транзистора. Т.е. если на базе 1000, а Ку 750 — эффект будет, как-будто у тебя 750 000 мкф )))
По-колхозному, но где-то так )))

Прикольно конечно сам так делал но при больших токах и радиатор нехилый ставить надо.
P.S переделал бп от компа до 19ти вольт при токе в 7мь ампер провисает до 18.5вольт и шумов никаких нет!!

Это сообщение отредактировал simblood — Sep 13 2009, 12:15 AM

Фильтры источников питания

Первичная цепь схемы питания «Арктур-006» содержит все необходимое: предохранитель, выключатель, и даже пламегаситель. Но в условиях, когда совершенно нечем заняться, приходится придумывать новые технологии убивания времени. Один из вариантов – решение несуществующих задач.

Одним из дополнений схемы первичной цепи может служить сетевой фильтр. Анализ фирменных проигрывателей показал, что такой фильтр иногда ставят. Ниже приведено фото сетевого фильтра прекрасного современного проигрывателя Pioneer PLX-1000 (около 900$):

А вот фильтр замечательного проигрывателя Audio-Technica AT-LP1240 USB (около 600$), плата фильтра хоть и перевернута, но ее схема понятна:

В наши дни сетевые фильтры попадаются на глаза все чаще. Все видели синфазные дроссели на кольцах и П-образном феррите, а также большие прямоугольные конденсаторы ярко-желтого цвета, сплошь покрытые значками сертификации электробезопасности. Фильтр является обязательным фрагментом схемы импульсных источников питания (ИБП).

Но там фильтр выполняет противоположную задачу – не позволяет помехам, генерируемым ИБП, проникать в сеть. Проектируются эти фильтры таким образом, чтобы ИБП соответствовал нормам по паразитным излучениям. Только так можно пройти сертификацию. Подробное рассмотрение сетевых фильтров для ИБП приводится в книге Sanjaya Maniktala «Switching Power Supplies A–Z». Мне эта тема не очень интересна, так как импульсными источниками стараюсь не заниматься.

Вообще, фильтр является устройством двунаправленным, помехи со стороны сети он также способен подавлять. Какое подавление на каких частотах требуется от такого фильтра, вопрос сложный. В случае ИБП все проще – есть предельные допустимые уровни излучения, есть конкретный уровень помех, нужно второе уменьшить до уровня первого. А в моем случае неизвестно, каким считать уровень помех в сети. Есть статистические данные спектров помех бытовых приборов (заглавная картинка поста), но эти данные весьма приблизительные и сильно зависят от условий и качества сети. В то время, как фильтры ИБП прежде всего должны подавлять помехи на частоте преобразования и ее гармониках (а это десятки кГц), фильтр для аудио должен быть эффективен и в звуковом диапазоне частот. Весьма сомнительно, что такое реализуемо с использованием стандартных компонентов.

Сетевые фильтры выпускаются и в виде отдельных устройств и даже бывают встроенные в разъемы сетевого питания.

Для этих фильтров приводятся характеристики подавления помех в зависимости от частоты. Как правило, сколько-нибудь заметное подавление начинается с частот порядка 10 кГц и выше, а это верхний край звукового диапазона. В середине звукового диапазона подавление таких фильтров близко к нулю.

С другой стороны, есть масса аудиоустройств с обычными линейными БП, которые не имеют в своем составе никакого фильтра. И все эти устройства нормально работают. Это только среди аудиофилов слышна некоторая истерия по поводу сетевых фильтров, причем оценки влияния фильтра даются порой противоположные. Я же никакого влияния на звук от сетевого фильтра я не ожидаю. Вряд ли он сможет побороть, скажем, щелчки от включения холодильника или настольной галогенной лампы с трансформатором. К тому же, винил — это не тот источник, где сетевые помехи сильно заметны. У самого винила щелчков и шума намного больше, чем помех в сети. Поэтому можно просто подключить сетевой провод к трансформатору через предохранитель и выключатель, как было сделано раньше, и всё. Но с фильтром, вроде, хуже быть не должно. Раз так, фильтр можно сделать. Тем более что усилитель-корректор у меня будет встроенный, качество питания для него важно.

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 – это когда оба провода сети синхронно меняют потенциал относительно земли (PE). Дифференциальные – это когда меняется потенциал сетевых проводов друг относительно друга. Чтобы добиться фильтрации как синфазной, так и дифференциальной помехи, нужно в каждый из сетевых проводов включить по дросселю, а на выходе установить конденсаторы двух типов – синфазные и дифференциальные. Дифференциальные конденсаторы типично имеют номинал порядка 0.1 мкФ и принадлежат к классу X (Across the Line). При сетевом напряжении 220 В по такому конденсатору будет протекать реактивный ток амплитудой примерно 10 мА. Синфазные конденсаторы принадлежат к классу Y и имеют значительно меньшую емкость (порядка 1…3 нФ). Это связано с ограничениями на величину тока через цепь защитного заземления.

Ниже показано, как схема фильтра трансформируется при рассмотрении отдельно подавления дифференциальной помехи:

И отдельно для синфазной помехи:

Видно, что частота среза для синфазных помех будет намного выше из-за малой допустимой емкости синфазных конденсаторов. К счастью, есть возможность значительно увеличить индуктивность для этой помехи. Для дросселей фильтра должно соблюдаться условие – их сердечник не должен входить в насыщение. Иначе индуктивность резко упадет вместе с фильтрующими способностями. Через дроссели протекает полный ток питания устройства, что не позволяет получить высокую индуктивность при малых габаритах. Но можно изготовить специальный дроссель с двумя одинаковыми обмотками, которые имеют хорошую магнитную связь. Тогда при противоположном направлении рабочего тока в обмотках магнитный поток будет компенсироваться, результирующая индуктивность будет близка к нулю. Но для синфазной помехи направление тока в обмотках будет одинаковым, они будут продолжать работать. Благодаря тому, что подмагничивание сердечника рабочим током теперь отсутствует, в тех же габаритах можно получить намного большую индуктивность. Но для фильтрации дифференциальных помех такой дроссель бесполезен, поэтому в схеме фильтра требуется дополнительный дифференциальный дроссель. Который часто и ставят. Но существуют совмещенные дифференциально-синфазные дроссели. Они также имеют две одинаковых обмотки, но конструктивно сделаны так, что обмотки имеют не полную связь. В результате появляется индуктивность рассеяния, которая эквивалентна последовательному включению дополнительного несвязанного дросселя.

Как правило, такие дроссели выполнены на П-образном ферритовом сердечнике и имеют несвязанную индуктивность порядка 1…2% от полной. Численно полная индуктивность каждой обмотки может составлять порядка 20…50 мГн, а несвязанная индуктивность – порядка 0.2…1 мГн. Это достаточно много, в большинстве случаев установка дополнительного дифференциального дросселя не требуется.

Показанный на фото дроссель Murata PLY10AN9920R6R2 имеет индуктивность обмоток около 20 мГн. Но если посмотреть datasheet, то там будет указана индуктивность для синфазной помехи 9.9 мГн. Как было показано на схеме выше, для синфазной помехи обмотки дросселя оказываются включенными параллельно, в результате общая индуктивность уменьшается в 2 раза.

При рассмотрении отдельно подавления дифференциальной помехи схема с таким дросселем трансформируется следующим образом:

При рассмотрении отдельно подавления синфазной помехи будет так:

Поскольку Lc намного больше Ld, частота среза для синфазной и дифференциальной помехи у такого фильтра оказывается примерно одинаковой.

Для модели можно как явно указать отдельные несвязанные индуктивности, так и рассчитать и задать коэффициент связи (k = 1 – Ls/L). Результат будет один и тот же.

Чтобы промоделировать фильтр, надо выбрать реальные компоненты и внести их параметры в модель. Под рукой имеются разные дроссели, заимствованные из старых плат ИБП. Поскольку стоит задача получить хорошее подавление помех на как можно более низких частотах, надо выбрать дроссели с самой высокой индуктивностью.

На первый взгляд, должны быть лучше самые крупные дроссели. Но замеры показали, что у них весьма скромная индуктивность, вся разница только в допустимом токе. Но здесь это роли не играет, так как устройство маломощное. Дроссели на кольцах сразу отпали, число витков там маленькое, индуктивность тоже маленькая. К тому же, это чисто синфазные дроссели, индуктивность рассеяния у них очень низкая, дифференциальной индуктивности почти нет. Самая высокая индуктивность (70 мГн) оказалась у двух маленьких черных дросселей фирмы Matsushita, которые на фото стоят рядом. С ними и решил фильтр промоделировать.

В результате моделирования получил не очень красивые результаты. Подавление фильтр обеспечивает только выше своей резонансной частоты, т.е. выше 10 кГц. В звуковом диапазоне подавления нет. Но самое неприятное, на резонансной частоте наблюдается многократное увеличение амплитуды помехи. При попытке увеличить эффективность фильтра на низких частотах, резонансная частота сдвигается вниз и попадет как раз в середину звукового диапазона. Возникает вопрос по правильному выбору параметров фильтра именно для аудио.

На графиках показано выходное напряжение фильтра (зеленый график) при воздействии на вход дифференциальной помехи амплитудой 1 В. Нижний график – то же самое, но только в логарифмическом масштабе по оси Y.

Фраза «с фильтром хуже не будет» оказалась под сомнением.

Резонансные явления в фильтре могут стать причиной появления значительных перенапряжений. Специальные фильтрующие конденсаторы класса X на это рассчитаны, но такое же требование будет и для дросселей. Конструктивно довольно трудно сделать для дросселя повышенное пробивное напряжение, поэтому параллельно обмоткам синфазного дросселя на печатной плате обычно добавляют разрядники. Информации по проектированию таких разрядников (Spark Gap) мало, что-то есть в документе ICE3BS02 от Infineon, что-то есть в патентах US 2012/0044599 A1 и US 8345400 B2. Вот фото той же платы ИБП, которая приводилась выше, но с обратной стороны, хорошо видны разрядники:

Для борьбы с резонансными явлениями в сетевых фильтрах применяется демпфирование. Подробно этот вопрос рассматривается в книге «Fundamentals of Power Electronics», Chapter 10: Input Filter Design, 10.3.2 Damping the input filter. Можно применить параллельное демпфирование резонанса с помощью RC-цепочки, или последовательное с помощью RL-цепочки. Второй вариант затруднительно реализовать на практике, используя стандартные компоненты. Поэтому выбираю параллельное RC-демпфирование. В статье «Input Filter Design for Switching Power Supplies» (SNVA538) есть упрощенный расчет номиналов демпферной цепочки для оптимального демпфирования. Он дает Cd = 4Cf, Rd = sqrt(Lf/Cf). При моделировании попробовал различные комбинации номиналов. Мне больше понравился результат с цепочкой 470 нФ + 100 Ом (на схеме выше эта цепочка нанесена, с ней получены красные графики, а зеленые получены без нее). Довольно громоздко, конечно, но в данном случае место есть.

Предыдущая модель не совсем корректна в плане моделирования питающей сети. Недостаточно взять идеальный источник напряжения 220 В 50 Гц. Реальная сеть обладает неким внутренним сопротивлением, в результате под нагрузкой напряжение немного «проседает». Это можно сымитировать, добавив последовательное сопротивление Ri несколько десятых Ома. Но при моделировании фильтра не так интересен импеданс сети на частоте 50 Гц. Более интересно, как сеть ведет себя на высоких частотах, где измеряется подавление фильтра. Очевидно, что импеданс будет выше, так как подводящие провода обладают значительной индуктивностью. Но конкретное значение сказать трудно, конфигурация подводящей сети может быть самая разная. Чтобы можно было сопоставлять результаты измерений сетевых фильтров, была стандартизирована цепочка под названием LISN (Line Impedance Stabilization Network). Эта цепочка производится в железе в виде измерительного прибора немалых габаритов. Но можно ее использовать и как модель. Для моделирования фильтра с трехпроводной сетью цепочку LISN нужно сделать симметричной.

Цепи LISN на высоких частотах образуют импеданс около 50 Ом, что значительно больше Ri. К слову, эта модель сети наглядно показывает, что в первичной цепи не может быть никаких коротких мощных импульсов тока, про которые ходят страшилки. Импеданс сети для таких импульсов слишком большой.

Использование LISN дает некие среднестатистические результаты, довольно хорошо согласующиеся с реальностью. С этой цепочкой резонансный пик фильтра значительно меньше (графики с линейным и логарифмическим масштабом по оси Y).

Применение снаббера картину улучшает (красный график), ход АЧХ с ним получается более ровный. Хотя в практических реализациях фильтра снабберных цепочек не видел не разу. Встречал только на картинках внутренних схем фильтров, встроенных в разъем, да и то лишь для старших семейств. Подобные цепочки упоминаются в статье В. Ланцов, С. Эраносян «Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути решения. Часть 2», журнал «Силовая электроника», №1, 2007.

Конечно, радикальной разницы со снаббером и без него не видно. Но не всегда в качестве источника электропитания используется обычная сеть. Могут быть ситуации, когда импеданс источника даже на высоких частотах окажется малым. Тогда демпфирование фильтра просто необходимо. Да и при работе от сети оно не помешает, насколько точно параметры реальной сети соответствуют модели LISN, неизвестно. С этой точки зрения оправданы и варисторы, которые включают как на входе, так и на выходе фильтра.

Для синфазной помехи тоже наблюдаются резонансные явления в фильтре. На графиках (красный график) показано выходное напряжение фильтра при воздействии на вход синфазной помехи амплитудой 1 В (для линейного и логарифмического масштаба по оси Y). Схема фильтра соответствует приведенной выше, только в нее добавлены два синфазных конденсатора по 3.3 нФ с каждого из выходов фильтра на землю.

Резонансный пик может быть подавлен демпферной цепочкой. Достаточно взять еще один Y-конденсатор, включить с ним последовательно резистор 10 кОм и подключить эту цепочку параллельно одному из синфазных конденсаторов (синий график).

По поводу синфазных помех нужно сделать отступление. До этого рассматривался фильтр, подключенный к трехпроводной сети, которая имеет защитное заземление (PE). Именно к этому заземлению подключаются конденсаторы фильтра синфазной помехи. Но в обычных жилых домах сеть двухпроводная, подключать общий провод фильтра некуда. Да и аудиоаппаратура в большинстве своем имеет двухконтактную сетевую вилку. Но даже если заземление в вилке предусмотрено, в аппаратах обычно имеется переключатель «Ground Lift», с помощью которого можно отключить землю сетевой вилки от общего провода аппарата. Заземлять аудиоаппаратуру чаще всего недопустимо. Образуются земляные петли большой площади, наведенная на этих петлях ЭДС прикладывается к входу. В результате появляется фон сетевой частоты, а в выходном спектре просматривается целый лес ее гармоник. Поэтому даже если в розетке есть контакт PE, он должен подключаться только к синфазным конденсаторам сетевого фильтра, но с корпусом устройства соединяться не должен. И вообще, мне кажется весьма сомнительным, что на проводе PE не наведется та же синфазная помеха, что и на проходящих рядом двух других сетевых проводах. В любом случае, у меня в квартире PE нет, обсуждать его бессмысленно.

Что же делать с синфазными конденсаторами, когда нет PE? Иногда их устанавливают и подключают к корпусу устройства. Недавно столкнулся с таким решением в усилителе Technics SU-V505. С каждого провода сети на корпус там включен конденсатор 2.2 нФ. Аппарат имеет двухконтактную вилку, никакого заземления корпуса не предусмотрено. В результате на корпусе появляется потенциал, в некоторых условиях корпус даже немного бьется током. Это наихудшее решение из возможных.

Лучше не ставить синфазные конденсаторы вообще, как и сделано в большинстве аудиоаппаратуры. Тогда связь сети с корпусом устройства будет только через малые паразитные емкости. Сам корпус тоже имеет какую-то паразитную емкость на землю, а может быть даже заземлен явно через один из источников сигнала (например, телевизор, который обычно заземлен через оплетку антенного кабеля). Но такое заземление не будет вредить аудиосигналу, так как петель не образует. К тому же, ток в земляном проводнике при малой синфазной емкости будет незначительным. Паразитные емкости обеспечат некоторое подавление синфазной помехи (зеленый график выше), хоть и несколько хуже. Но это лучше, чем ничего. И намного лучше, чем потенциал на корпусе.

Сам сетевой трансформатор и блок питания в целом тоже обладают фильтрующими свойствами. Например, дифференциальная помеха хорошо ослабляется конденсаторами фильтра выпрямителя. Синфазная помеха тоже ослабляется, так как паразитные емкости трансформатора образуют делитель. А можно еще принять специальные меры, такие как экранирующая обмотка. На графиках ниже показано подавление на выходе фильтра (зеленый график) и на выходе БП (красный график) для дифференциальной (верхние графики) и синфазной (нижние графики) помехи. Коэффициент трансформации здесь учтен, значения для красных графиков на него умножены.

Надо сказать, что последние результаты являются недостоверными, так как здесь в основном работают паразитные параметры, которые точно промоделировать трудно. Но качественно картина примерно такая.

При наличии сетевого фильтра возникает еще один вопрос. Сам фильтр должен стоять поближе к вводу электричества в аппарат. Но тут возникает вопрос с сетевым выключателем. Часто он расположен далеко от разъема сетевого провода. В данном случае так и есть, выключатель расположен на передней панели. Интуитивно хочется расположить выключатель в схеме поближе к сети (но после предохранителя, конечно), чтобы он обесточивал всю схему. Но тогда выключатель оказывается перед фильтром, провода выключателя будут излучать помехи внутри устройства, нужна их экранировка. Если выключатель поставить после фильтра, тогда компоненты фильтра будут все время под сетевым напряжением, что немного тревожит. Есть еще вариант – разместить выключатель возле фильтра и соединить его с кнопкой на передней панели с помощью механической тяги. Такое встречал в фирменной аппаратуре, и так у меня сделано во всей самодельной аудиоаппаратуре, кроме усилителя мощности. Но в проигрывателе этот вариант не пройдет, так как на пути толкателя отказывается трансформатор. С другой стороны, стандартные сетевые фильтры, встроенные внутрь разъема сетевого провода, как раз и находятся под сетевым напряжением все время. Этот факт склонил меня пойти по такому же пути. Тем более, я всегда выдергиваю все вилки из розеток (кроме холодильника), когда ухожу.

В результате схема первичной цепи выглядит так: сетевой разъем, предохранитель, фильтр, выключатель, пламегаситель, трансформатор. После предохранителя и выключателя можно поставить варистор, только не забыть поместить его в термоусадку (необходимость этой меры тут уже обсуждалась). А вот неотключаемый варистор — это опасная штука. У знакомого был случай, когда электрики что-то накосячили, напряжение в сети поднялось. Приходит домой, в ковре на полу выгорела дырка, сверху дымится обугленный удлинитель со встроенной защитой. Варисторы начали греться, а ток для перегорания предохранителя был еще недостаточный. Чуть квартира не сгорела.

Предохранитель планирую впаять плату, чтобы избежать громоздких держателей. Сгорать он не должен. Подходящие предохранитель и варистор есть с разборок старых плат (я использую большинство деталей с разборок).

Что еще должно быть в фильтре? Часто аудиофилы говорят о постоянной составляющей напряжения сети, и что сетевой фильтр должен ее подавлять. Я не имею статистики измерений параметров сети. Хотя замечал, как мощные трансформаторы, работая при постоянной нагрузке, вдруг начинали гудеть то больше, то меньше. Явно из-за каких-то изменений в сети. Когда даже ненагруженный трансформатор включается в сеть, по его первичной обмотке начинает течь ток намагничивания. Под нагрузкой ток первичной обмотки увеличивается, но ток намагничивания остается прежним (он даже несколько уменьшается из-за падения напряжения на омическом сопротивлении первичной обмотки). Ток намагничивания мал, так как первичная обмотка на сетевой частоте обладает значительным импедансом. Но если добавить в сетевое напряжение постоянную составляющую, то эта добавка создаст дополнительный ток намагничивания. Его величина будет определяться лишь импедансом первичной обмотки на нулевой частоте, т.е. ее омическим сопротивлением. Поэтому даже незначительное постоянное напряжение (порядка сотен милливольт) может значительно увеличить ток намагничивания. В таких условиях есть реальная опасность насыщения магнитопровода со всеми вытекающими последствиями. Откуда взяться постоянной составляющей в сети, которая развязана трансформаторами на подстанциях — это отдельный вопрос. Но вся эта тема актуальна только для мощных трансформаторов с низким сопротивлением первички. А здесь первичка имеет 337 Ом при токе холостого хода около 6.5 мА. Поэтому те сотни мВ постоянки, которые могут быть в сети, погоды не сделают.

Теперь очередь за практической реализацией всего этого.

Фильтры источников питания

В сетевых фильтрах часто используют хитрые конденсаторы с непонятными многим надписями — X1, Y2 и т.п. Это — помехоподавляющие конденсаторы. Разобраться в том, зачем они нужны и чем отличаются от «просто конденсаторов» поможет эта статья. Помех в сети всегда хватало — сначала они появлялись от щеточных двигателей, а теперь их в промышленных масштабах производят импульсные блоки питания. То, что помехи — это плохо, лишний раз распинаться не стоит. Сетевое напряжения в крайних случаях выглядит как-то вот так: Видно, что это сильно отличается от синусоиды, которая там должна быть. Для того, чтобы избавиться от помех, нужно сформировать беспрепятственный путь, по которому ток помехи может вернутся к источнику. Обычно такой путь, по закону Мерфи, лежит через самое чувствительное оборудование.

Наша задача сделать так, чтобы помехам не «захотелось» залазить в «нежные места» наших схем, но дать току помех течь туда, куда он «хотел» течь (в нейтраль, к примеру). С другой стороны, можно не доводить сеть до плачевного состояния, не выпуская помехи за пределы устройства.

Для того, чтобы уменьшить помехи, применяют фильтры. Тип фильтра и даже его расположение зависит от конкретного случая. К примеру, если помехи создаются одним источником (двигателем, например), то лучше всего поместить фильтр поближе к этому источнику – замкнуть ток помехи (как на рисунке выше).

Если помехи создаются распределенной схемой в металлическом корпусе (компьютерный блок питания), то фильтр лучше поместить как можно ближе к сетевому шнуру – замкнуть ток помехи внутри корпуса и соединить корпус с самым “чистым” местом схемы, чтобы он сам не излучал.

На рисунке – типичная схема фильтра компьютерного блока питания. Красным показан путь излучаемой помехи, а зеленым – помехи, передающейся по проводам.

Помеха имеет две составляющих – синфазную и противофазную.

Противофазная составляющая помехи — это напряжение помехи между фазой и нейтралью. Для ее подавления используются конденсаторы типа X. Само название X происходит от английского “across-the-line”, буква X похожа на крест (“cross”). На рисунке выше, это конденсатор – C1.

К этим конденсаторам предъявляются такие требования – они должны выдерживать максимально допустимые в сети всплески, не загораться при выходе из строя и не поддерживать горение.

Сейчас используются два основных подкласса X-конденсаторов – X1 и X2.

Емкость X конденсаторов варьируется от 0.1мкФ до 1мкФ. Какую емкость нужно выбрать для данного конкретного прибора можно выяснить только с осциллографом.

Синфазная составляющая помехи — это напряжение помехи между обоими сетевыми проводами и корпусом устройства. Понять, что это такое и зачем нужно немного сложнее.

Рассмотрим типичный импульсный источник питания. Между первичной и вторичной обмоткой трансформатора T1 всегда есть паразитная емкость (нарисована зелененьким). Представим, что конденсатора C7 пока нет. Высокочастотные пульсации беспрепятственно проникают со стока транзистора (самое шумное место схемы!) на вторичную обмотку через зелененькую емкость. Таким образом, на всей выходной части блока питания присутствуют пульсации (с частотой блока питания) относительно заземления и обоих сетевых проводов. Напряжение эти пульсаций может доходить до тысяч вольт. Наш мега-чувствительный прибор будет излучать эти пульсации в эфир, а излучать помехи – это тоже самое, что ловить помехи только с обратным знаком. Прибору будет плохо.

Теперь добавим конденсатор C7. Ток помехи, который просочился через зеленый конденсатор теперь может вернуться туда, откуда взялся по более короткому и менее сложному пути, чем в предыдущем случае и в наш мега-чувствительный прибор ему больше течь не хочется!

Заметьте, что конденсатор C7 теперь связывает сеть с выходом блока питания! Но ведь это-же опасно! Человек, который дотронется одновременно к выходу такого блока питания (к корпусу устройства) и к заземлению (к батареи отопления, к примеру), получит заметный, но не страшный удар. А что будет, если конденсатор C7 сломается? Правильно, выход блока питания станет “электрическим стулом”. Именно поэтому и сделали конденсаторы типа Y – они предназначены для работы в тех местах, где выход их из строя угрожает жизни людей.

Конденсаторы Y – типа делятся на 2 основных класса

Внешние сетевые фильтры и источники бесперебойного питания

Современный компьютер – весьма сложная система, чувствительная к качеству сетевого питания. Внезапное пропадание сетевого напряжения, даже кратковременное, может привести как к сбою работы компьютера, так и к выходу из строя каких либо его компонентов. . Например, отключение питания компьютера в момент обращения к жесткому диску может полностью вывести накопитель из строя, либо привести к появлению сбойных секторов на диске с потерей записанной на нем информации. Кратковременные импульсные помети, возникающие в сети питания компьютера также неблагоприятно сказываются на его работе. Описанный ранее принцип работы компьютера с кэшированием данных, вследствие появления сетевых помех или перепадов питающего напряжения, зачастую вызывает потерю данных или зависание операционной системы. Резкие перепады напряжения питания и радиопомехи, проходящие по цепи питания (например в результата близкого разряда молнии, включения и выключения мощных потребителей и т.д.) также нередко выводят из строя электронные компоненты – материнские и сетевые платы, мыши и др.

ГОСТ 13109-97 (взамен ГОСТ 13109-87) определяет следующие нормы в электропитающей сети: напряжение 220 В ± 10 %; частота 50 Гц ± 1 Гц; коэффициент нелинейных искажений формы напряжения менее 8 % (длительно) и менее 12 % (кратковременно).

Неполадками в питающей сети считаются:

§ авария сетевого напряжения (напряжение в питающей сети полностью пропало);

§ высоковольтные импульсные помехи (резкое увеличение напряжения до 6 кВ продолжительностью от 10 до 100 мс);

§ долговременные и кратковременные подсадки и всплески напряжения;

§ высокочастотный шум (высокочастотные помехи, передаваемые по электросети);

§ побег частоты (отклонение частоты более чем на 3 Гц).

Сам блок питания компьютера справиться с этими рисками не может. Конечно, стабилизаторы блока питания сглаживают напряжение и уменьшают влияние изменения входного питающего (сетевого) напряжения на выходные напряжения блока питания, но это относится, в основном, к достаточно медленным изменениям сетевого напряжения в не очень широком диапазоне (не более 20-25%).

Безопасность компьютера требует дополнительных средств защиты ПК от «сетевых неприятностей». К таким средствам относятся сетевые фильтры и источники бесперебойного питания (ИБП).

Сетевой фильтр является простейшим прибором, полностью соответствующим своему названию. При пропадании питание он бессилен, а вот помочь компьютеру справиться с влиянием сетевых помех может. Сетевые фильтры- это устройства, способные подавлять помехи радиочастотного диапазона, наложенные на основную кривую питающего напряжения, ведущие к ошибкам в обработке и передаче данных. Причина этих помех — работающие поблизости кондиционеры, лампы дневного света, устройства с импульсными блоками питания. Сетевые фильтры также подавляют высоковольтные выбросы высоких энергий (кратковременные, до 5 мс, повышения напряжений в 1,5 и более раза), наложенные на основную кривую питающего напряжения. Причина таких выбросов — удар молнии, работа находящихся поблизости электродуговых и электрогидравлических установок. Кроме этого, сетевой фильтр выполняет еще одну функцию, полезную и в офисе и, особенно, дома. Дело в том, что современный компьютерный комплекс, кроме системного блока, имеет еще и монитор, чаще всего принтер, а зачастую еще и сканер, внешний накопитель и другое электронное оборудование, которое тоже надо подключать к сети питания. Найти такое множество розеток в одном месте, особенно дома, нелегко. К тому же все это оборудование надо включать и выключать. А в отличие от самого ПК, выключатели на принтеры, сканеры и т.д., изготовители не стремятся выводить на переднюю панель. А сетевой фильтр обычно оснащен 3-6 розетками, единым выключателем с индикацией и шнуром удлинителем (см. рис. 4.10).

Рис. 4.10. Сетевой фильтр для ПК.

На рис. 4.11. Изображен пример принципиальной схемы сетевого фильтра.

Рис. 4.11. Схема сетевого фильтра

Основным элементом защиты от высокочастотных помех является высокочастотный продольный трансформатор Т1 выполненный на кольцевом сердечнике из феррита марки 1000HH. 2000HI1 диаметром 20. 30 мм. На кольцо одновременно двумя про­водами в хорошей изоляции наматывается 4. 6 витков провода сечением около 0,8 мм 2 или применить провод, которым будет выполнен монтаж сетевого шнура. Очень важна строгая идентичность обмоток трансформатора. Начала обмоток трансформатора показаны на схеме рис. 1.2 и 1.3 точками.

Конденсатор С1 типа К78-2, К73-17 на рабочее напряжение не ниже 400 В (лучше 600 или даже 1000 В).

Широко применяется и другой вариант схемы – с использованием варистора (рис. 4.12.).

Рис. 4.12. Схема сетевого фильтра на варисторе.

На входе этого 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). Для фильтрации низковольтных помех используется LC-фильтр, аналогичный фильтру рис. 4.11., состоящий из дросселя Tr1 и емкостей С1, С2, С3. В данном фильтре сеть питания трехпроводная. Следовательно 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.

В случае отсутствия заземляющего контакта (или плохого контакта) помехи типа «фаза» — «земля» и «ноль» — «земля» физически задерживаться не могут (да и самих помех тоже не будет), а общая точка емкостей С1 и С2 «висит» в воздухе. Поэтому применение таких сетевых фильтров в этом случае нецелесообразно.

Более сложным и дорогим, но и более действенным устройством защиты ПК по питанию является источник бесперебойного питания ИБП (соответствующая аббревиатура на английском – UPS). Принципиальное отличие ИБП от фильтра состоит в том, что в его (ИБП) состав входит аккумулятор большой емкости. В случае пропадания сетевого питания, энергии, запасенной в заряженном аккумуляторе, должно быть достаточно, чтобы обеспечить работу компьютера в течение некоторого времени. Идея подобна той, что реализована в ноутбуках (надо отметить, что все дело как раз наоборот – ноутбуки появились позже ИБП). В принципе можно взять ИБП на 1 кВт*час от которого ПК с блоком питания на 250 Вт будет работать 6-8 часов. Но удовольствие получается дорогое (вес подобного ИБП – под 20 кг, цена – под 15 тыс. руб.). Хотя иногда приходится идти и на подобные варианты. Например, как говорят на сленге, «падение» сетевого сервера может обойтись на несколько порядков дороже, а несколько минут его работы вряд ли кого спасут.

Минимальные же требования к ИБП – дать возможность оператору ПК закончить все жизненно важные процедуры (для компьютера конечно) и выключить его, т.ч. запас времени в 10-15 минут обычно пользователя устраивает. Если за время, обеспечиваемое ИБП, питание восстанавливается, компьютер продолжает работу без всяких сложностей.

Источники бесперебойного питания можно разделить на ИБП резервного типа, линейно-интерактивные ИБП и ИБП с двойным преобразованием энергии.

ИБП резервного типа (Off-Line или Standby) (Рис. 4.13.а)

Рис. 4.13. Классификация ИБП

Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (реле), которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в аварийном переводит ее на питание от инвертора и аккумуляторных батарей.

Достоинством ИБП Off-Line или Standby типа является его простота и, как следствие, невысокая стоимость.

· отсутствие стабилизации напряжения и частоты, коррекции формы напряжения при работе от входящей сети;

· плохая защита нагрузки, в т.ч. от случайных входных воздействий, по сравнению с on-line ИБП, т.к. нагрузка подключается непосредственно к внешней питающей сети, а в качестве фильтра может стоять только 1 варистор и 1 конденсатор;

· наличие переходных процессов при переключении на работу от сети/батарей;

· ненулевое время переключения (4-6 мс) на питание от батарей;

· несинусоидальная форма напряжения (слабо напоминающая синус) при работе от батарей;

· интенсивная эксплуатация батарей в условиях частых неполадок в электросети;

· невозможность подключать нагрузку, для которой требуется синусоидальная форма напряжения питающей сети.

ИБП резервного типа, как правило, имеют небольшую мощность (до 1 кВА) и применяются для обеспечения гарантированного электропитания персональных компьютеров (данная нагрузка не требовательна к форме входного напряжения и допускает значительные колебания напряжения) или другого оборудования, не требующего синусоидальной формы напряжения питания в регионах с хорошим качеством электрической сети.

Как правило, ИБП данного типа имеют функцию отключения нагрузки, которая составляет менее 10-15% от мощности ИБП через некоторый интервал времени. Поэтому питание модемов, сигнализации и другой нагрузки с малым потреблением без дополнительной мощной нагрузки, от таких ИБП невозможно.

Многие ИБП Off-Line или Standby не имеют принудительного охлаждения (вентиляторов). Это является положительным моментом, т.к. ИБП обладает низким уровнем шума (менее 35 дБА). С другой стороны, вследствие повышенной температуры внутри изделия (до 30-35 С и выше) при работе зарядного устройства или инвертора в сочетании с невысокими параметрами зарядного устройства и предельными режимами работы батареи (большие токи разряда) срок службы батарей может сократиться до 2-2,5 лет.

Линейно-интерактивный (Line-interactive) ИБП (Рис. 4.13. б)

Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (реле), дополненной стабилизатором с более широким диапазоном входного напряжения (бустером или AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками.

Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником Off-Line или Standby заключается в следующем:

· ИБП данного типа способны обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (наиболее распространенный вид неполадок в отечественных линиях электроснабжения) без перехода в режим питания нагрузки от батарей;

· при работе от батарей в нагрузку выдается приближенное к синусоидальной или синусоидальное напряжение, что позволяет подключать практически любую нагрузку;

· в некоторых моделях используются более качественные фильтры помех, присутствует цепь байпас (прямое соединение нагрузки и входной сети при перегрузке или неполадках ИБП);

· улучшенные параметры зарядных устройств, определение времени работы от батарей, возможность подключения внешних батарей;

· более продвинутые возможности по локальному и удаленному мониторингу состояния ИБП и его отдельных компонентов, настройке режимов работы;

· отсутствие стабилизации частоты, коррекции формы напряжения и некоторая зависимость выходного напряжения от входного, при работе от сети;

· недостаточная защита нагрузки в т.ч. от случайных входных воздействий по сравнению с on-line ИБП, т.к. нагрузка подключается непосредственно к внешней питающей сети;

· наличие переходных процессов при работе бустера (AVR) и переключения на работу от сети/батарей;

· ненулевое время переключения (2-4 мс) на питание от батарей;

· в отдельных моделях лишь приближенная к синусоидальной форма напряжения при работе от батарей

Как правило, для охлаждения инвертора и зарядного устройства используется активная система охлаждения (вентилятор). В зависимости от модели линейно-интерактивного ИБП скорость вращения вентилятора(ов) может меняться или быть постоянной.

По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное положение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-line) и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии (On-line).

Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей, офисного оборудования и иногда телекоммуникационного оборудования.

ИБП с двойным преобразованием энергии (On-line)

Источник бесперебойного питания, в котором поступающее на вход переменное сетевое напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и входу инвертора и питает последний, когда напряжение во входной сети отсутствует или параметры сети отличаются от нормальных.

Такая схема построения ИБП позволяет обеспечить практически идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети (включая фильтрацию высоковольтных импульсов) и характеризуется нулевым временем переключения на питание от батарей без возникновения переходных процессов на выходе устройства.

ИБП on-line, как правило, корректно работают с батареями (имеют возможность подключения внешних батарей), обладают широкими возможностями по мониторингу и управлению, имеют статический байпас.

В изделиях данного типа, как правило, используется активная система охлаждения в виде постоянно работающего вентилятора(ов) в зависимости от величины нагрузки и температуры. Это связано с тем, что при работе ИБП всегда происходит одно или два преобразования.

В ИБП on-line используется несколько типов реализации двойного преобразования.

Классическое двойное преобразование, когда выпрямитель после первого преобразования формирует шину постоянного тока с низким уровнем пульсаций и помех, к которой подключены батареи и инвертор. Достоинства – высокая степень защиты нагрузки практически от любых помех, долгий срок службы батарей. Недостатки – невысокий КПД порядка 85-90% (у лучших ИБП большой мощности до 93-94%), сложность реализации и как следствие, высокая стоимость. Некоторые ИБП вызывают гармоничесие искажения тока во входной электричесокй сети. В настоящее время данная технология двойного преобразования усовершенствована с точки зрения качественных характеристик и снижения потерь. В частности существуют ИБП с IGBT-выпрямителями, позволяющие снизить коэффициент нелинейных искажений на входе ниже 4% и обеспечить синусоидальную форму тока потребления.

Наиболее распространенным является применение в ИБП on-line дельта-преобразования, которое позволяет значительно упростить конструкцию, снизить себестоимость, получить КПД до 93-96%. Столь высокий КПД обеспечиваются при отсутствии отклонений и искажений напряжения в питающей сети, а также, если нагрузкаИБП близка к номинальной и является линейной. К недостаткам можно отнести потенциально меньшую степень защиты нагрузки по сравнению с использованием классического двойного преобразования. Также на практике для нелинейной нагрузки значения КПД могут приближаться к показателям ИБП с классическим двойным преобразование (82-90%). Однако при широком внедрении импульсных блоков питания с коррекцией коэффициента мощности нагрузка приобретает преимущественно активный характер, и тем самым создаются условия для проявления высоких энергетических характеристик. Другим достоинством ИБП с дельта-преобразованием является высокий коэффициент мощности самого устройства, близкий к 1, а также возможность выдерживать значительные перегрузки. Надо заметить, что в настоящее время эти технологии двойного преобразования достаточно усовершенствованы и почти все недостатки сведены к минимуму.

По реализации ИБП on-line делятся на трансформаторные и бестрансформаторные, использующие тиристорный или IGBT-выпрямитель. Рассмотрение или выбор ИБП по этим критериям не укладывается в рамки данного обзора.

ИБП on-line как изделия в целом или как отдельные модули ИБП могут работать параллельно образуя конфигурации необходимой мощности или получая резервирование N+1, N+2 и т.д. Существует 2 подхода к модульности и резервированию:

· на уровне модулей ИБП, как например в ИБП серии Symmetra компании АРС;

· на уровне изделий в целом, например по технологии Резервируемой Параллельной Архитектуры (Redundant Parallel Architecture™ или RPA™) компании General Electric, позволяющей наращивать мощность и осуществлять резервирование системы за счет установки дополнительных блоков ИБП.

ИБП on-line выпускаются мощностью от 500-700 ВА до сотен кВА и даже единиц МВА, с временем автономной работы от нескольких минут до нескольких часов и даже суток.

ИБП типа On-line применяют в тех случаях, когда по тем или иным причинам предъявляются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, надежности и резервирования каковой могут быть узлы локальных вычислительных сетей (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры), оборудование вычислительных залов, центры обработки данных (ЦОД), системы управления технологическим процессом и технологическим оборудованием.

Дата добавления: 2015-11-05 ; просмотров: 2411 | Нарушение авторских прав

Добавить комментарий