Импульсные блоки питания (ИБП), построенные на основе преобразователей постоянного (выпрямленного сетевого) напряжения в переменное, генерируют нежелательные помехи. На коллекторах (стоках) силовых ключей контролеров ИБП присутствует напряжение, близкое по форме к прямоугольному, размахом, достигающим 600...700В. Кроме того, в ИБП существуют замкнутые цепи, по которым циркулируют импульсные токи с достаточно крутыми фронтами и спадами (0,1... 1 мкс) и амплитудой до 3...5А и более.

Вообще говоря, ШИМ-преобразователи, которые работают с постоянной частотой переключений, генерируют помехи в известной полосе частот, что облегчает задачу их подавления и является одной из причин их широкого применения в схемах импульсных БП бытовой техники .

Однако, импульсные блоки питания , независимо от типа применяемого ШИМ-преобразователя, должны быть оснащены схемами подавления двух основных видов помех. Этими помехами являются входная несимметричная (дифференциальная) и входная симметричная (синфазная) помехи.

Механизмы возникновения, распространения и методы борьбы в импульсных блоках питания с данными помехами рассмотрим на примере соответствующих эквивалентных схем преобразователей.

Рис.1 Возникновение несимметричной помехи

Входная несимметричная помеха является шумовым током, протекание которого обусловлено разностью напряжений Vin между двумя входными проводниками (рис. 1). Ключевой транзистор преобразователя представлен на рисунке в виде переключателя Fs, который последовательно включается и выключается с частотой пдэекточения преобразователя. Нагрузка изображена в виде переменного резистора R L , сопротивление которого изменяется в зависимости от тока нагрузки. Пассивные элементы L и С соответствуют входному фильтру, встроенному в преобразователь. Кроме того, практически все преобразователи оснащены входным конденсатором Cь, а некоторые также имеют, по крайней мере, небольшую последовательную индуктивность (дроссель), учитываемую в импедансе источника Zs (в Zs также учтена собственная индуктивность сглаживающего электролитического конденсатора сетевого выпрямителя).

Эффективное подавление несимметричной помехи достигается посредством шунтирующего действия конденсатора Сь, который должен иметь высокое качество и характеризоваться малыми эквивалентными последовательными индуктивностью (ЭПИ) и сопротивлением (ЭПС) в соответствующем диапазоне частот (обычно в области частот переключения и выше). В реальных схемах Сь обычно представляет собой конденсатор постоянной емкости 0,1... 1,0 мкф, шунтирующий электролитический конденсатор сетевого выпрямителя. В выпрямителе одновременно стремятся применять высококачественные, как правило, танталовые, электролитические конденсаторы с малыми ЭПИ и ЭПС.

Симметричная помеха подавляется с помощью симметрирующего трансформатора, который представляет собой катушку индуктивности с двумя обмотками, имеющими одинаковое число витков. Она обладает высоким импедансом для симметричного тока, но практически нулевым для несимметричного.

Несимметричный ток (включающий потребляемый ток) втекает в верхнюю обмотку трансформатора и вытекает из нижней. Поскольку токи через эти обмотки равны по величине и противоположны по направлению, а число витков в обмотках одинаково, результирующий магнитный поток в сердечнике, обусловленный несимметричным током, оказывается равным нулю, хотя величина потребляемого тока может быть очень велика. Благодаря этому в симметрирующем трансформаторе обычно используют сердечник с высокой магнитной проницаемостью без воздушного зазора. Причем он имеет достаточно высокую индуктивность для симметричного тока при использовании обмоток всего в несколько витков. Значительно меньший по величине ток симметричной помехи протекает в основном через нижнюю обмотку, а также и через верхнюю в одном и том же направлении. Следовательно, симметрирующий трансформатор обладает высоким импедансом для токов симметричной помехи.

В качестве дополнительных мер подавления помех в импульсных БП применяются следующие :

Перечисленных мер, как правило, оказывается достаточно, и поэтому в бытовой аппаратуре импульсные БП обычно применяются без экранирующих кожухов.

Рис.3 Типовая схема сетевого фильтра и выпрямителя

Некоторые из рассмотренных способов борьбы с помехами в ИБП иллюстрируются на примере типовой схемы сетевого выпрямителя (рис. 3), применяемого в конструкциях ВМ и ТВ. Конденсаторы С5...С8, установленные параллельно диодам Д1...Д4 мостового выпрямителя сетевого напряжения служат для подавления несимметричных помех. Эту же роль выполняют конденсаторы С1,2, которые симметрируют потенциалы сетевого провода относительно шасси радиоэлектронной технике.

Немецкая фирма Epcos (бывшее подразделение Siemens по производству пассивных компонентов) располагает широким спектром изделий для решения вопросов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) электрических или электронных устройств.

Значительную подгруппу ЭМС компонентов Epcos составляют фильтры, предназначенные для защиты устройств от высокочастотных электромагнитных помех (радиопомех).

Электромагнитные помехи (ЭМП) возникают в результате функционирования устройств, предназначенных для генерации или преобразования электроэнергии. Они представляют собой электромагнитные поля в пространстве, окружающем такие технические средства (ТС).

Основными источниками высокочастотных помех являются импульсные блока питания (бытовая электронная техника, промышленные и медицинские аппараты и др.), цепи нелинейных

Для борьбы с помехами в цепях соседних ТС, а также узлов и блоков в пределах отдельных ТС используют фильтры ЭМП. В общем случае, обычно фильтры ЭМП представляют собой ФНЧ и могут устанавливаться как непосредственно у источника помех, так и перед приемником помех (рецептором). Фильтры ЭМП Epcos (сетевые фильтры) рассчитаны на подавление помех, поступающих по проводам двух- или трехфазной сети на вход защищаемого устройства, то есть это фильтры «приемной стороны». Настоящая статья посвящена сетевым фильтрам Epcos, каждый из которых представляет собой отдельный законченный узел, устанавливаемый перед приемным устройством. Все рассматриваемые фильтры пропускают беспрепятственно напряжение частоты сети 50/60 Гц.

Напряжение синфазной помехи возникает как разность потенциалов между фазным (сигнальным) проводом, обратным проводом (так называемая масса или нейтральный провод) и землей (корпус прибора, радиатор и т. п.). Ток синфазной помехи имеет одинаковое направление в прямом и обратном проводах сети.

В симметричных электрических цепях (незаземленные цепи и цепи с заземленной средней точкой) противофазная помеха проявляется в виде симметричных напряжений (на нагрузке) и называется симметричной, в иностранной литературе она именуется помехой дифференциального типа (differential mode interference). Синфазная помеха в симметричной цепи называется асимметричной или помехой общего типа (common mode interference).

Симметричные помехи в линии обычно преобладают на частотах до нескольких сотен килогерц. На частотах же выше 1 МГц преобладают асимметричные помехи.

Помехи, возникающие в несимметричных цепях, называются несимметричными. Для противофазной помехи несимметричной является цепь с разделенной (симметричной относительно земли) нагрузкой.

Для силовых цепей более характерна несимметричная нагрузка, но, например, сами источники высокочастотных помех (преобразователи на IGBT транзисторах и т. п.) могут генерировать асимметричные (синфазные) помехи. С другой стороны, синфазные помехи при определенных условиях преобразуются в противофазные.

Фильтры ЭМП характеризуются комплексом параметров. Остановимся на параметрах, характеризующих фильтры ЭМП Epcos:

Число проводов сети: 2, 3 (4).
Номинальное (сетевое) напряжение: 250 (220), 440 (380) В и др.
диапазон подавления помех (полоса частот заграждения);
уровень подавления помех (стандартный; с усиленным подавлением и т.п.);
номинальный ток, А;
тип помех, подавляемых фильтром:
- общего типа;
- дифференциального типа;
- несимметричные помехи;
тип разъема;
тип корпуса;
климатическая категория (диапазон температур, в котором фильтр удовлетворяет требованиям (стандартам) по остальным техническим характеристикам).

Конструкции фильтров различаются в зависимости от типа помех. Так, для компенсации симметричной помехи, когда искажения напряжения возникают между фазными проводами сети, используют так называемый du/dt-фильтр НЧ, содержащий помехоподавляющие X-конденсаторы. Заметим, что X-конденсаторами называют такие конденсаторы, которые шунтируют провода линии между собой на высокой частоте.

Ввиду того, что при малом внутреннем сопротивлении источника помехи, ее устранение потребовало бы чрезмерно больших емкостей, необходимых для обеспечения заданного деления напряжения, на практике последовательно конденсатору включают дроссели, что увеличивает сопротивление по последовательной схеме. В результате образуется так называемый Т-образный (или П-образный) фильтр НЧ.

На высоких частотах, с целью ограничения собственной емкости, дроссель нередко исполняют в виде набора отдельных индуктивностей (секций или так называемых «бусин», английское название - beads), соединяемых последовательно. На высоких частотах могут применяться ферритовые дроссели, например, для частот 30, 50 и 100 МГц Epcos серийно выпускает дроссели/бусины серии B8248x в чип исполнении типоразмеров 0603…1806, рассчитанные на ток 0,05…4 А. У Epcos также широко представлены аналогичные дроссели в выводном исполнении. На более высоких частотах достаточное реактивное сопротивление можно обеспечить малой индуктивностью. При этом для получения дросселя силовой кабель достаточно пропустить через группу ферритовых колец.

На рис. 1 представлена эквивалентная схема du/dt-фильтра ЭМП. Он выполняет процедуру вычитания дифференцированного сигнала из исходного. В результате фильтр сглаживает пики и исключает выбросы напряжения, обусловленные симметричной помехой. Однако он почти не влияет на напряжение помехи, существующее между проводами сети и заземлением, а также и на ток утечки.

Рис. 1

Наряду с Х-конденсаторами и обычными дросселями в фильтрах ЭМП Epcos применяют связанные (с общим сердечником) катушки индуктивности двух типов.

Тококомпенсированные дроссели подавления ЭМП Epcos обычно выполняются на кольцевом ферритовом сердечнике. В них используются две катушки (два провода) для двухпроводной сети, три - для трехпроводной и т. п. При этом встречная намотка проводов геометрически может быть реализована их сонаправленной намоткой на две половины ферритового кольца.

Z-образный дроссель фирмы Epcos выполняется намоткой двух проводов на кольцевом сердечнике, изготовленном из металлического порошка и имеющем высокий порог насыщения, что линеаризует ВАХ катушек и уменьшает опасность искажений, связанных с их нелинейностью.

Ниже приводится ряд конкретных примеров фильтров ЭМП Epcos с принципиальными схемами и пояснением особенностей.

Пример A1: du/dt-фильтр ЭМП Epcos серии B84110-B c подавлением синфазной помехи (без Y-конденсаторов).

Данный фильтр используется для защиты импульсных блоков питания, телевизоров, компьютеров, промышленного и портативного оборудования. Применение фильтров асимметричных помех, в частности, значительно снимает ограничения по длине кабеля, подводимого к двигателю от преобразователя при промышленном применении.

Пример А2: фильтр ЭМП Epcos серии SIFI-D (номер B84114-D) c подавлением синфазной помехи и Y-конденсаторами6 (в дополнение к Х-конденсаторам фильтра B84110-B). Резистор на входе (рис. 3), установленный параллельно Х-конденсатору, предназначен для его разряда (конденсатора большой емкости).

Для компенсации нескольких видов помех ставится комбинация дросселей (последовательная и т. п.).

Пример А3: фильтр ЭМП Epcos серии SIFI-E (номер B84115-E). Он отличается от предыдущего дополнительно подключенным Z-образным дросселем для дополнительного ослабления симметричной помехи (рис. 4).

На рис. 5 приведены сравнительные характеристики вносимого затухания (по симметричным помехам) для двух серий фильтров. Из него видно, что первый фильтр имеет значительно меньший уровень подавления частот в полосе до нескольких сотен килогерц.

Рис. 5

Кроме связанных катушек в составе фильтров ЭМП Epcos часто присутствует многозвенный (проходной) конденсатор. Собственная индуктивность такого конденсатора весьма мала. При этом он может компенсировать как противофазную, так и синфазную помехи.

Фирма Epcos предлагает фильтры ЭМП, рассчитанные на подавление помех в широком диапазоне высоких и сверхвысоких частот, начиная от частоты примерно 10 кГц вплоть до 40 ГГц и выше. При этом средняя ширина полосы частот подавления всех фильтров составляет около 1 МГц. Среди различных моделей фильтров ЭМП Epcos можно выделить, в частности, специальные, с заданным током утечки.

Параметры фильтра накладывают отпечаток на возможные области его применения. Область применения конкретного фильтра Epcos более точно можно определить из фирменного каталога и на сайте www.epcos.com в Интернете. Ниже перечислен ряд сфер (но не все возможные), где целесообразно применение фильтров ЭМП Epcos.

1. Модульные системы автоматизированного (плавного) пуска приводов электродвигателей («Активный терминал»/AFE) с помощью мощных полупроводниковых ключей (IGBT-транзисторов), управляемых постоянным напряжением. Ключи коммутируются постоянным напряжением с выхода преобразователей напряжения (переменное/постоянное). Например:

станки с ЧПУ;
лифты и т. п.

2. Преобразователи напряжения электрогенераторов (ветряных электростанций и т. п.).

3. Транспорт, например:

конверторные приводы современных городских рельсовых средств, в частности, трамваи;
метро, электропоезда и т. п.;
транспортные средства, требующие малого тока утечки (при сложной процедуре заземления), в частности троллейбусы и т. п.;
скоростные поезда (дальние).

4. Приводы сталепрокатных станов (помехи при мощной коммутации, а также регулировке скорости вращения приводов подачи листа).

5. Конвейерные (лентопротяжные) линии.

6. Фильтры для импульсных блоков питания и UPS.

7. Насосы.

8. Системы нагрева, вентиляции и кондиционирования (HVAC-системы).

9. Фильтры для подавления наводок сигналов в установках/шкафах с большой концентраций блоков электронного оборудования (при малом объеме пространства).

10. При использовании силовых кабелей в качестве проводников для связных коммуникаций (домашний Интернет, а также охранные системы с ограниченным числом проводов в кабеле ввода).

11. Фильтры для передачи данных и телефонных линий (ISDN и т. п.).

Примеры применения фильтров ЭМП

Домашний Интернет: передача данных внутри дома и между домом и силовой подстанцией (рис. 6). Подавление помех при использовании силовых кабелей в качестве проводников связных коммуникаций. В отсутствии фильтра ЭМП, радиоэлектронное оборудование абонента зашумлено наводками от сетевого напряжения.

Рис. 6

Приведенная на рис. 7 схема используется для преобразователей напряжения электрогенераторов. Сам преобразователь необходим из-за того, что параметры сигнала, например амплитуда напряжения, формируемого на выходе генератора, обычно не соответствуют параметрам сети. Фильтры же ЭМП защищают генератор (к примеру, ветряной электростанции) от проникновения высокочастотных помех из преобразователя напряжения.

Рис. 7

Модульные системы автоматизированного плавного пуска приводов электродвигателей «Активный терминал»/AFE (рис. 8).

Рис. 8

IGBT-транзисторы, активизируемые простым постоянным напряжением с выхода преобразователя, обеспечивают быстрое подключение или отключение приводов двигателей значительной мощности. На входе преобразователя - сетевое трехфазное синусоидальное напряжение, а на выходе - постоянное напряжение. Однако быстрая коммутация силовой цепи является источником высокочастотных помех. В результате проникновения помехи на вход, напряжение между фазами сети искажается (возникает помеха симметричного типа). Уровень асимметричной помехи также может быть значительным из-за протяженного кабеля от преобразователя напряжения до внешней сети. Фильтр8 ЭМП Epcos, установленный на входе преобразователя, компенсирует практически без остатка обе помехи, «развязывая» преобразователь и внешнюю сеть.

Муниципальный рельсовый транспорт (трамваи). Фильтр ЭМП устанавливается между преобразователем напряжения электродвигателя и питающей (контактной) линией (рис. 9).

Рис. 9

В заключение можно констатировать широкие и разнообразные возможности фильтров ЭМП фирмы Epcos для решения задач ЭМС силовых ТС.

В импульсных источниках питания помехи возникают при переключении ключевых элементов. Эти помехи наводятся на кабель питания, подключенный к сети переменного тока. Поэтому необходимо принимать меры для их подавления.

Типовое решение сетевого фильтра электромагнитных помех для импульсного источника питания

Для подавления помех, проникающих через кабель питания в первичную цепь из импульсного источника питания, применяется приведенная на рисунке 9 схема.

Рисунок 9 - Подавления помех, проникающих через кабель

Дифференциальные и синфазные помехи

Помехи бывают двух типов: дифференциальные и синфазные. Ток дифференциальной помехи, наведенный на оба провода линии питания, протекает по ним в противоположных направлениях, как показано на рисунке 10. Ток синфазной помехи протекает по всем линиям в одном направлении, смотреть рисунок 11.

Рисунок 10 - Дифференциальная помеха

Рисунок 11 - Синфазная помеха

Функциональное назначение элементов сетевого фильтра

На рисунках, представленных ниже, приведены примеры использования различных элементов фильтра и графики, иллюстрирующие эффект от их применения. Приведенные графики показывают изменение интенсивности дифференциальных и синфазных помех импульсного источника питания относительно уровня индустриальных помех. На рисунке 12 представлены графики сигналов в отсутствие фильтра на входе импульсного источника питания. Как видно из графика, уровень дифференциальных и синфазных помех достаточно высок. Рисунок 13 иллюстрирует пример использования фильтрующего X-конденсатора. На графике видно заметное снижение уровня дифференциальных помех.

На рисунке 14 представлены результаты совместного использования X-конденсаторов и Y-конденсаторов. График наглядно показывает эффективное подавление как синфазных, таки дифференциальных помех. Применение X-конденсаторов и Y-конденсаторов в комбинации с синфазным дросселем (дросселем для подавления синфазных помех) показано на рисунке 15. График отражает дальнейшее снижение уровня и дифференциальных, и синфазных помех. Это происходит потому, что реальный синфазный дроссель имеет некоторую дифференциальную индуктивность.

Рисунок 12 - Без фильтра

Рисунок 13 - С использованием Х-конденсатора

Рисунок 14 - С использованием Х-конденсатора и Y-конденсатора

Рисунок 15 - С использованием Х-конденсатора, Y-конденсатора и синфазного дросселя

Пример подавления помех в мобильном телефоне

Источники излучаемых помех

Помехи, создаваемые блоком обработки сигналов, проходят в ВЧ блок, что приводит к значительному ухудшению чувствительности. Блок обработки сигналов мобильного телефона, который обычно построен на ИС обработки сигналов в основной полосе частот, управляет различными сигналами, такими как речевой сигнал и сигнал для ЖК-дисплея. ИС обработки сигналов является источником значительных помех, поскольку работает на высокой частоте и к ней подсоединены множество линий передачи данных. При прохождении помех по линиям передачи данных или шинам питания/GND из блока обработки сигналов в ВЧ блок происходит ухудшение его чувствительности, в результате увеличивается частота появления ошибочных битов (Bit Error Rate - BER).

Компоненты для подавления помех в мобильных телефонах

Для улучшения параметра BER (Bit Error Rate), то есть уменьшения процента принятых ошибочных битов, необходимо подавить помехи, проникающие из блока обработки сигналов в ВЧ блок. Для этого следует установить EMI-фильтры на всех шинах, соединяющих данные блоки. Кроме того, важно также экранировать блок обработки сигналов, поскольку излучаемый им уровень помех в последних моделях мобильных телефонов значительно возрос.

Установка фильтров на шине управления дисплеем

Шина управления ЖК-дисплеем содержит множество линий передачи сигналов, переключающихся одновременно, что вызывает значительное увеличение импульсного тока, протекающего в цепях земли (GND) и питания. Поэтому необходимо ограничивать ток, протекающий по сигнальным линиям. Обычно для этого используются матрицы ферритовых чип-бусин серии BLA31 и чип-фильтры EMIFIL® серии NFA31G с резистором. Если по конструктивным причинам применение указанных компонентов невозможно, то для подавления помех, проходящих через гибкий кабель ЖК-дисплея, следует использовать EMC-абсорберы серии EA.

Улучшение экранирования

Обычно на внутреннюю поверхность пластикового корпуса мобильного телефона наносят токопроводящее покрытие. При расширении функциональности мобильного телефона уровень помех от блока обработки сигналов также увеличивается. Поэтому необходимо экранировать блок обработки сигналов с такой же тщательностью, как и ВЧ блок. При разработке корпуса мобильного телефона, для снижения импеданса на высокой частоте нужно стараться обеспечить как можно большую площадь контакта между частями корпуса. Для улучшения экранирования, в блоке обработки сигналов, где это, возможно, следует применять металлические экранирующие элементы или EMC-абсорберы.

В последние годы ваш HiFi или даже High-End аудио комплекс всё меньше радует детальностью, сочностью и прозрачностью звучания? Вы подумываете обновить всю систему? Или вы уже подыскиваете качественный сетевой фильтр ? Если последнее - вы на верном пути 😉

Посчитаем?

В этом веке количество источников электромагнитных помех в наших домах растёт по экспоненте. Оглядитесь, попробуйте посчитать, сколько на вид безобидных лёгких и маленьких зарядных устройств, экономичных ламп, "электронных трансформаторов" для галогенок, компьютеров, принтеров, и прочей электроники с питанием от сети и/или всевозможными "зарядниками" пришло в ваш дом за последнее десятилетие? Пальцев не хватило, даже вместе с ногами, женой и... то-то! 🙂

Сегодня пожалуй 95% источников сетевого питания построены на базе высокочастотного преобразователя и не используют старые громоздкие и тяжёлые, гудящие трансформаторы на 50 (60) Герц. Ура, партия зелёных торжествует: большинство таких преобразователей весьма экономичны, компактны и... каждый такой импульсный блок питания а ) свистит на частоте преобразования и гармониках и б ) создаёт броски зарядного тока во входном выпрямителе (весьма широкополосная помеха - и прямиком в сеть).

В по-настоящему качественных (и дорогих) импульсных источниках питания с помехами борются весьма успешно, но всё равно недостаточно, чтобы весь производимый ими электромусор остался незаметным для чувствительных ушей меломана. Да что там меломаны... У нас в доме старый добрый 39-мегагерцовый радио-телефон. Постепенно он начал гудеть и жужжать так, что я серьёзно собирался сменить аппарат. Но пользуемся мы им относительно редко и проблема однажды решилась сама собою, когда я в погоне за красивым звуком повырубал к чертям все импульсные блоки питания вкупе с компьютерами в доме. После того эксперимента, кстати, и появились у нас вот эти .

Так что же покупить?

В этой статье я не подскажу, какой сетевой фильтр надо покупать. Причины две: за разумные деньги я не встречал адекватных фильтров; а те фильтры, что я мог бы порекомендовать - стоили совершенно несообразно, да и места занимали много больше, чем выполняемая ими функция того требует. Тем не менее решение существует: для умелых рук - собирать фильтры самому, и я постараюсь разъяснить его работу настолько, что любой, кто дружен с паяльником, сможет снабдить свою аппаратуру адекватной защитой от электромагнитных помех, проникающих из питающей сети. Если же вы не имеете возможности, либо желания дышать канифолью - покажите статью товарищу, который сможет вам помочь.

Грамотные производители должны были всё предусмотреть!

Фиг-вам! (изба такая индейская (с) кот Матроскин)

Открываем CD-проигрыватель, купленный в своё время за шесть сотен "зелёных". И что мы видим: рудиментарный сетевой фильтр тут имеется, но увы, лишь нарисованный шелкографией на плате, на дросселе и конденсаторах сэкономили. Вполне допускаю, что в их комнатах прослушивания, с идеальной фильтрацией питания, фильтр тот был и не нужен - не услышали "гуру" разницы от отсутствия фильтра. Ну и внесли "рацуху" - пошёл аппарат в массы голенький и беззащитный супротиву нового поколения электронных домов...

За работу!

В принципе, качественные фильтры промышленность выпускает. Только стОят они опять же дороговато. Этакие полностью экранированные коробочки со схемкой на боку. Катушечки там, конденсаторчики. Давайте же разберёмся, что там для чего, и соберём сами из доступных деталюх. Кстати, в пику аудиоманьякам я утверждаю, что грамотный сетевой фильтр в устройстве, собранный из качественных обычных (не аудиофильских) компонентов - гораздо эффективнее и "звучит" лучше, нежели любые самые эзотерические кабели питания, а так же и большинство "аудиофильских" же фильтров питания. Спорим? 😉

Скажи мне, кто твой враг

1) Дифференциальное напряжение помехи. Это такой "вредный" сигнал, который приходит вместе с "полезным" напряжением питания (или сигналом), его измеряют между двумя соединительными проводниками, "горячим" и "общим" проводами, или проще говоря - между двумя шинами питания.

2) Синфазное напряжение помехи. Этот сигнал измеряется между корпусом прибора (землей) и любым соединительным проводником. Особенность этой помехи в том, что она будет идентична на обоих проводах питания, т.е. в отличие от дифференциальной помехи её не поймать между проводами и она просачивается внутрь в обход обычных фильтров.

Блокировочный конденсатор

Конденсатор шунтирует дифференциальные ВЧ помехи и не пускает их дальше в аппарат. Надо не забыть разрядить его при выключении аппарата, а то взявшись нечаянно за вилку можно получить весьма ощутимую "мотивацию". Для этого ставим резистор, мирно греющийся в нормальном режиме работы. Ох не водить мне дружбы с "зелёными"...

Дроссель

Индуктивность (обыкновенный небольшой дроссель) формирует уже Г-образный LP фильтр с совместно с конденсатором. Конкретная частота среза фильтра нас не очень интересует. Дроссель потолще (лишь бы был рассчитан на _постоянный_ ток в несколько раз выше тока, потребляемого аппаратом), конденсатор побольше на напряжение не менее 310 вольт - и все довольны.

Синфазный трансформатор

Обмотки в таком трансформаторе идентичны и включены встречно, таким образом он беспрепятственно пропускает всё, что приходит как разница потенциалов между L и N. Иначе можно объяснить так: нормальный ток нагрузки создаёт встречные идентичные поля в сердечнике, которые взаимно компенсируются. Тогда зачем это всё - спросите вы?

Сердечник такого трансформатора остаётся неподмагниченным основной нагрузкой. Если же представить себе провода питания L и N вместе как один провод - то мы имеем немалую индуктивность на пути уже синфазной помехи, т.е. всего того, что наводится на обоих проводах одновременно. Провода же те, будь то обычный кабель питания за доллар, или экзотическое аудиофильское чудо - суть антенна, принимающая и станцию "Маяк", и всё, что излучают домашние электронные вонючки. Внутри же аудио агрегата нам и синфазная помеха ни к чему: через емкостную связь она может проникать в кишочки наших любимцев весьма агрессивно.

Два маленьких компаньона

Два маленьких конденсатора в компанию синфазному трансформатору. Они закорачивают на защитное заземление именно синфазную помеху и создают уже вкупе с синфазным трансформатором тоже своего рода Г-образный фильтр для синфазной помехи, не пускают её дальше в аппарат. Без них синфазная помеха, пусть и встретившая на своём пути немалое сопротивление нашего трансформатора - всё равно пойдёт искать свою жертву внутрь аппарата.

Антизвон

Антизвонная цепочка, или RC-цепь Цобеля. Несколько мистический зверёк, но очень полезный. Тут совместно с первичной обмоткой трансформатора в аппарате мы формируем колебательный контур с низкой добротностью, чтобы "поймать" то, что "выскочит" из первички при отключении питания. Искрогаситель. Защита остального фильтра и самого трансформатора от ЭДС самоиндукции при отключении в неудачный момент (при большом токе через первичку). Он так же вносит свою лепту в перевод ВЧ помех в тепло.

Не было бы конденсатора - такой низкоомный резистор просто взорвался бы от напряжения сети. Не было бы резистора - получили бы относительно высокодобротный контур совместно с первичкой и/или дросселем фильтра.

Другой взгляд: привносим чисто резистивную и весьма низкоомную составляющую импеданса нагрузки на ВЧ... Кто может объяснить лучше - милости прошу, помещу "в книжку" с сохранением авторства 😉

#ground_loop

Разрываем контур заземления

Резистор в параллель со встречно включенными диодами. В другой версии это мог бы быть дроссель. Включено это дело между защитным заземлением и корпусом прибора. Зачем, спросите вы - это, вроде, к фильтрации помех никакого отношения не имеет? Давайте разбираться.

Встречно включенные диоды успешно закоротят любую сильноточную утечку внутри корпуса прибора (коротыш какой, пробой) на защитное заземление. Тем самым мы соблюдаем требования техники безопасности: в случае аварии на корпусе прибора не должно появится опасного для жизни и здоровья человека напряжения. При этом диоды "разрывают" цепь для небольших напряжений.

Резистор создаёт путь для небольших токов. Если бы его не было, а внутренности прибора неплохо отвязаны от земли, то даже небольшие утечки создавали бы избыточный размах напряжения на корпусе относительно земли, и через емкостные связи это всё проникало бы в прибор.

Так для чего же всё-таки "отвязывать" защитную землю от корпуса? Дело в том, что на защитном заземлении могут наводиться напряжения: например той самой синфазной помехой, что мы отфильтровываем. Так же, увы, нередко встречается такая разводка сети, когда защитное заземление одновременно является и возвратным проводом для собственно напряжения сети. В этом случае даже на небольшом сопротивлении проводки немалый ток потребления создаёт ощутимое падение напряжения. Все эти факторы могут "разогнать" в нормальных условиях до десятков и даже сотен милливольт разницы потенциалов между защитными заземлениями разных агрегатов. Теперь, если мы передаём аудио-сигнал через соединения, заведённые одним проводом на корпус (RCA разъёмы "колокольчики", к сожалению так популярные в бытовом HiFi), то эта самая разность потенциалов между корпусами приборов будет напрямую замешана в сигнал.

Итого, отвязывая корпус прибора (а в большинстве случаев это значит - и сигнальную землю оного) от защитного заземления, мы тем самым ощутимо уменьшаем замешивание любых "чудачеств", что могут случиться в розетке - прямиком в сигнал. Конечно же, уважающий себя любитель качественного звуковоспроизведения будет использовать исключительно балансные соединения, иммунные к синфазной помехе. Только, увы, у меня ещё не все аппараты соединены исключительно балансными кабелями. А как с этим дело обстоит у вас, дорогой читатель? 😉

Собираем

Выключатель питания пристроен по принципу - где меньше искра будет. В остальном фильтр не сильно отличается от того, что ставят в дорогих компьютерных блоках питания. Кстати, оттуда же можно и детальками разжиться.

Тот фирменный аппарат, что я упомянул вначале статьи, тоже получил свою дозу фильтрации, подробности .

А ещё лучше - можно?

Можно! Экстремалы включают "встречно" огромные трансформаторы и фильтруют всё в низковольтной части. Результат несколько лучше, бюджет - на порядки выше.

Или возможно, вы захотите подарить своему лучшему другу - меломану недорогой подарок, за который он будет вам искренне благодарен? 😉 Взвесьте все за и против, и примите верное решение! .

This entry was posted in , by . Bookmark the .

Комментарии ВКонтакте

155 thoughts on “Сетевой фильтр для аудио — своими руками ”

Импульсные блоки питания в большинстве случаев создают основную электромагнитную "пелену" помех в полосе частот 1...100 МГц, т. е. во всех КВ-диапазонах и в начале УКВ. Дело осложняется и тем, что число таких блоков исчисляется сегодня десятками в одном жилище (компьютеры, мониторы, освещение, различные зарядные устройства и т. п.) и сотнями в одном доме - в ближней зоне КВ-антенны любительской радиостанции.

На рис. 1 приведена упрощённая схема импульсного блока питания. Точнее, узел преобразования напряжения показан предельно упрощённо, а вот цепи подавления помех, наоборот, полностью. И общий случай питания - от трёхпроводной (с отдельным проводом электротехнического заземления) розетки.

Рис. 1. Схема импульсного блока питания

Дроссели L1 и L2 подавляют синфазные помехи, идущие от блока питания и подключённого к нему устройства (например, трансивера с антенной) в сетевой провод и далее в линии электропитания. Обмотки дросселя L1 обычно имеют индуктивность около 30 мГн. Это основные элементы подавления помех в питающей сети. Поэтому они должны быть качественными и обладать высоким импедансом во всей подавляемой полосе, начиная от частоты переключения транзистора блока питания (десятки-сотни килогерц) до нескольких мегагерц.

А в ответственных случаях (чувствительные приёмники и их антенны рядом) - до десятков-сотен мегагерц. Один дроссель это сделать не может. Поэтому в таких случаях последовательно с L1 и L2 включают такие же дроссели, но с индуктивностью в 50...500 раз меньшей, чем указано на рис. 1. Эти дополнительные дроссели должны иметь высокую собственную резонансную частоту, чтобы эффективно подавлять верхние частоты требуемой полосы.

Конденсатор С1 подавляет низкочастотные дифференциальные помехи, идущие от блока питания в сеть. Высокочастотные синфазные помехи подавляют керамические конденсаторы малой ёмкости С2 и С3, включённые параллельно С1.

Но это не единственная функция С2 и С3. Они также замыкают синфазную составляющую импульсов переключения на корпус устройства.

Разберёмся с этим подробнее. На стоке силового транзистора присутствуют прямоугольные импульсы с размахом около 300 В (выпрямленное и отфильтрованное напряжение сети) с частотой несколько десятков-сотен килогерц. Фронты этих импульсов короткие (меньше микросекунды). Во время этих фронтов ключевой транзистор находится в активном режиме и греется, поэтому фронты стараются сделать короче. Но это расширяет полосу создаваемых помех. И всё равно в мощных блоках питания транзистор нагревается. Для охлаждения его закрепляют на теплоотводе, в качестве которого в некоторых случаях используют металлический корпус блока питания (про экранирование не забываем). Транзистор изолируют от корпуса прокладкой. Ёмкость стока на корпус может достигать нескольких десятков пикофарад.

А теперь посмотрим, что у нас получилось: транзисторный генератор прямоугольных импульсов с размахом 300 В через конденсатор в несколько десятков пикофарад (конструктивный между стоком охлаждаемого транзистора и корпусом устройства на рис. 1 показан штриховыми линиями) подключён к корпусам и блока питания, и питаемого им устройства. Мы считаем, что это корпус с нулевым потенциалом, а на самом деле там протекает большой ВЧ-ток через конструктивную ёмкость теплоотвода. Это приведёт к появлению большого синфазного тока (а значит, и помех) на корпусах всех устройств, подключённых к нашему источнику питания.

Чтобы такого не было, установлены конденсаторы C2 и С3. Фронты импульсов со стока транзистора, просочившиеся через конструктивную ёмкость теплоотвода, через эти конденсаторы и диоды моста (точнее, через диод, открытый в данный момент) замыкаются на исток транзистора. Этот путь для них оказывается проще, чем синфазно растекаться по корпусам.

Конденсаторы С2-С4 оказываются включёнными между безопасными для человека цепями (выходами и корпусом источника) и силовой сетью 230 В. Для обеспечения безопасности людей номинальное напряжение этих конденсаторов делают очень высоким (несколько киловольт), а их конструкцию такой, чтобы в случае аварии они обрывались, а не замыкались. Конденсаторы, устанавливаемые на месте С2-С4, выпускаются как отдельный тип и называются Y-конденсаторами. Конденсаторы с маркировкой Y1 рассчитаны на импульсы напряжения до 8 кВ, Y2 - до 5 кВ.

С точки зрения подавления помех, ёмкость конденсаторов С2-С4 желательно иметь побольше. Но надо иметь в виду, что при двухпроводной сети (или обрыве провода заземления в трёхпроводной) выходы и корпус источника через конденсаторы С2-С4 оказываются соединёнными с сетевым фазным проводом. Поэтому их суммарная ёмкость должна выбираться так, чтобы ток частотой 50 Гц на корпус не превышал 0,5 мА (неприятно, но не смертельно). С учётом возможного максимального напряжения в сети, разброса, температурных уходов и старения получается не более 5000 пФ.

Рассмотрим теперь ошибки, допускаемые в фильтрации помех импульсных источников.

Иногда, для экономии, ставят только один из двух конденсаторов С2 или С3. Идея, на первый взгляд, кажется разумной: всё равно ведь они соединены параллельно через большую ёмкость конденсатора С1. Но на высоких частотах конденсаторы большой ёмкости совсем не являются коротким замыканием, а имеют заметный индуктивный импеданс. Поэтому такая экономия может привести к тому, что на десятках мегагерц (выше резонансной частоты С1, которая окажется невелика, поскольку это конденсатор большой ёмкости) заметно снизится подавление синфазного тока, протекающего на корпус.

Встречается отсутствие конденсатора С4 - или производитель решает, что можно С4 не устанавливать, так как в его трансформаторе ёмкость мала, или пытливый потребитель выкусывает, чтобы от источника не пощипывало током утечки 50 Гц через этот конденсатор. Внешними цепями эта проблема не лечится (хотя хороший внешний развязывающий дроссель по выходным цепям снижает остроту проблемы), надо ставить С4 на его законное место.

Отсутствие С2, С3 может быть допустимо, но только если выполняются все три следующих условия сразу: сеть двухпроводная, корпус блока питания не имеет контакта с корпусами питаемых устройств (пластмассовый, например), силовой транзистор установлен не на теплоотводе-корпусе. Если хотя бы одно из условий нарушено, С2 и С3 должны быть.

Установка перемычек вместо основного развязывающего дросселя L1 редко, но всё же встречается в дешёвых источниках плохих производителей. Экономят, видимо. Лечится это установкой нормального дросселя. В крайнем случае такой дроссель можно сделать, намотав сетевой шнур на большом ферритовом магнитопроводе.

Перемычка вместо L2 встречается, увы, часто, даже у приличных производителей. Видимо, полагают, что раз в двухпроводной сети этот дроссель не нужен (а там он действительно не требуется, току некуда течь), то без него можно обойтись и в трёхпроводной. Увы, нет, поскольку это открывает прямую дорогу в сеть для синфазных помех (и помех из сети на корпус). Исправляется установкой L2 в разрыв провода между разъёмом сети и платой. На худой конец допустим внешний дроссель на сетевом шнуре.

В завершение рассмотрим частую ошибку, которая относится не только к импульсным, но и ко всем блокам питания. Нередко слева (по рис. 1) от L1 устанавливают дополнительные конденсаторы, как показано на рис. 2. Они должны блокировать чужие помехи, идущие из сети в источник питания. Конденсатор С1 блокирует дифференциальные помехи и нам не мешает. А вот конденсаторы С2 и С3, замыкающие синфазные помехи в сетевых проводах на земляной провод, могут стать причиной соединения по ВЧ корпуса устройства и силовых (фазы и нуля) проводов сети. Это произойдёт, если среднюю точку С2 и С3 соединить с корпусом устройства, как показано штриховой линией красного цвета на рис. 2. Делать так нельзя (хотя печально, часто именно так и подключают). ВЧ синфазные помехи из сети пойдут через С2 и С3 на корпус устройства. И назад: синфазные токи устройства (например, трансивера с антенной) потекут в сеть. Правильное подключение средней точки С2 и С3 должно быть только к выводу заземления трёхпроводной розетки, но не к корпусу устройства, т. е. к левому выводу дросселя L2, как показано линией зелёного цвета на рис. 2.

Рис. 2. Схема блока питания

Если используется двухпроводная питающая сеть, то проверьте, нет ли в вашем блоке питания конденсаторов с проводов сети на корпус устройства. И если есть, удалите их, так как это прямая дорога для ВЧ синфазных токов из сети в ваше устройство и назад.

А если сеть трёхпроводная, то установите дроссель L2 между корпусом своего устройства и землёй сети (он разорвёт путь для синфазных токов между ними), а среднюю точку входных конденсаторов (С2, С3 по рис. 2) переместите на землю сети.

Сетевой фильтр, показанный на рис. 2 с конденсаторами С1-С3, является общим случаем для питания любых устройств, генерирующих радиочастотные помехи, например КВ-передатчиков.

Дата публикации: 16.07.2017

Мнения читателей

Перець / 16.03.2019 - 10:57
Нічого не запутано.На мал.1 С2 і С3 знаходяться після дросселя L1. А на мал.2 C2 і C3 знаходяться до дросселя L1. Тому і точка заземлення різна. P.S. Прізвище автора статті - Гончаренко, а не Гочарко.
Андрей / 15.05.2018 - 02:55
Запутанно как-то, на рис.1 С2,С3 идут на корпус прибора, а на рис.2 они идут землю. Как правильно?