Подавление помех от импульсных источников питания. О борьбе с импульсными помехами

Подавитель импульсных помех для Р399А.

На протяжении последних нескольких месяцев с включением уличного освещения мне практически стало незвоможно работать в эфире из-за наличия сильных помех от ламп типа ДРЛ. Аппарат у меня не импортный, а трансиверизированный Р399А который применяется в качестве базового блока для УКВ (“Гиацинт” используется в качестве опорного генератора в синтезаторах ВЧ подставок для приставок). Пойдя в отпуск, решил как-то побороться с возникшей проблемой и в течение недели был сконструирован предлагаемый вниманию “Подавитель импульсных помех (ПИП)”.

Принципиальная схема устройства представлена на рис.1. ПИП состоит из двух узлов: пикового детектора и узла подавления импульсов. Включается устройство между вторым смесителем и УПЧ (тракт 215 кГц).

Схема пикового детектора с некоторыми доработками была позаимствована из журнала “Ham Radio, 2, 1973, W2EGH”, в частности были добавлены цепочки D1, R6, S1 и D2, R7, S2, а узел подавителя выполнен по схеме управляемого аттенюатора R16, C18, Q4, введение которого, кроме прочего, несколько улучшило динамический диапазон АРУ приёмника. Применение обычных для этих устройств LC линий задержки выявленного преимущества не дало. Вероятно по причине их узкополосности из-за низкой ПЧ и как следствие “растяжки” импульса помехи. Применение на входе пикового детектора широкополосного усилителя на транзисторе КТ610А обусловлено необходимостью получения неискажённого сигнала на выходе с амплитудой до 20в и соответственно минимального воздействия на длительность и форму исходного импульса помехи. Применение дополнительной АРУ в усилителе только ухудшало его работу, а вот введение цепочки D2, R7 автоматически блокирует работу ПИП при наличии мощного полезного сигнала (проверено до +60 дБ по реальному сигналу с эфира при полном усилении R1). S1 – “Глубокое подавление” позволяет устранять даже мелкие помехи только при очень низких уровнях полезного сигнала (проверено при приёме ЕМЕ станций в моде JT65B), при силе сигнала с S2 и более происходит накладка продетектированной огибающей на сигнал. Качество декодирования в режиме FSK441 реально пока не проверялось.

Схема ПИП пока находится в стадии доработок, но, тем не менее, она уже сейчас может оказать хорошую услугу для реальной работы в эфире тем, кто в этом нуждается. Также приветствуется любая доработка и публикация, улучшающая параметры устройства.

Информация приводимая в данной статье не потеряла актуальности и по сей день так как количество помех в крупных городах растет, а количество хорошей приемной аппаратуры имеется не у всех. Это позволит модернизировать самодельные аппараты и увеличить их помехозащищенность.

В последние годы усилия радиолюбителей - конструкторов связной техники были направлены главным образом на решение проблемы увеличения динамического диапазона ВЧ части приемной аппаратуры. Иными словами, рассматривалась ситуация, когда мощная помеха расположена вне полосы пропускания. Но часто приходится сталкиваться с тем, что помеха

проникает в канал приема и ее частотный спектр частично или полностью перекрывает его полосу.

В первом случае методы борьбы с этой помехой сводятся к сужению полосы пропускания до такой степени, чтобы действие помехи было ослаблено. Во втором - многое зависит от того, какая это помеха. Для коротковолновиков, проживающих в городах, неприятности зачастую доставляют помехи не от любительских радиостанций, а импульсные периодические, от системы зажигания двигателей внутреннего сгорания, тиристорного привода электродвигателей, неоновой рекламы, всевозможной промышленной и бытовой электроники, да и просто от неисправностей в электрических цепях.

Эффективным средством борьбы с такого рода помехами являются подавители импульсных помех (ПИП), называющиеся в иностранной радиолюбительской литературе Noise blanker. Принцип действия таких подавителей прост: на период действия импульсной помехи они закрывают тракт приема.

К сожалению, эффект от их применения в современных приемниках с узкополосными кварцевыми фильтрами невелик. Основная причина этого состоит в том, что аппараты имели широкую полосу пропускания, и АЧХ из тракта ПЧ была с пологими скатами, в современных же - полоса пропускания находится в пределах от 2,2 до 3 кГц в режиме SSB и 500...600 Гц в режиме CW, а

АЧХ имеет крутые скаты. При прохождении импульсной помехи длительностью 1 мкс через традиционный SSB фильтр, который является высокодобротной колебательной системой, возникающий на выходе отклик имеет уже длительность 5 мс .

Это и привело к тому, что были разработаны подавители импульсных помех, размыкающие сигнальный тракт до фильтра основной селекции. Их преимущества настолько очевидны, что ПИП стал обязательным узлом современного KB трансивера. Необходимость его установки диктовала даже определенное

построение РЧ тракта. В частности, некоторые ограничения на его построение оказывает то, что время задержки импульсной помехи в ПИП должно быть не больше времени прохождения помехи по сигнальному тракту до ключевого каскада. В противном случае помеха успеет пройти ключевой каскад до появления , управляющего коммутацией импульса. Типичная структурная схема включения ПИП в тракт приема KB трансивера изображена на рис. 1.

Импульсный сигнал помехи, поступивший на вход подавителя помех, усиливается в узле А2, а затем детектируется импульсным детектором U2. Регулировка порога срабатывания детектора позволяет оптимизировать работу подавителя. Остроконечные импульсы с выхода узла U2 включают формирователь прямоугольных импульсов G1, управляющих работой ключевого каскада S1, находящегося в сигнальном тракте приемного устройства. На рис. 2 показана одна из первых опубликованных схем ПИП .

Собственно подавитель импульсных помех выполнен на транзисторах VT2-VT4 и диодах VD1-VD3. Каскад на VT2 является усилителем ПЧ. На диоде VD1 собран импульсный детектор. Каскад на транзисторе VT3 вместе с диодами VD2, VD3 формирует прямоугольные импульсы, которые управляют электронным ключом на транзисторе VT4.

Прохождение в сигнальном тракте в данном случае прерывается из-за того, что выход каскада на транзисторе VT1 (усилитель ПЧ) во время срабатывания ПИП оказывается замкнутым (по высокой частоте) на общий провод.

При всей простоте узел, собранный по схеме на рис. 2, работает хорошо. Изменив данные колебательного контура, этот ПИП можно применять в приемниках с промежуточной частотой от 0,5 до 9 МГц.

Транзисторы, указанные на схеме, можно заменить на любые из серий КП306 (VT1, VT2) и КПЗ0З (VT3, VT4). Вместо диодов 1N9I4 можно применить любые из серии КД522, вместо 1N34A из серии Д311.

Каскад, в котором происходит прерывание сигнала, является важным элементом ПИП и во многом определяет качество его работы. Затухание сигнала при прохождении через этот каскад не должно превышать 3 дБ и в то же время, когда сигнальный тракт размыкается - достигать 80 дБ и более. Кроме того, управляющие коммутацией импульсы, которые поступают на этот каскад, имеют амплитуду несколько вольт и не должны проникать в сигнальный тракт, |де уровень полезного сигнала может исчисляться микровольтами. К этому необходимо еще добавить следующее: так как ПИП устанавливают до фильтра основной се лекции, он должен выдерживать сигналы большого уровня, не вызывать нелинейных эффектов.

Эту проблему удачно решил G3PDM

[l]. Разработанный им для подавителя помех ключевой каскад (рис. 3), выполнен на полевом транзисторе VT1. Сопротивление между его истоком и стоком, в зависимости от приложенного к затвору управляющего напряжения, меняется от 100 Ом до нескольких мегаом. Коммутирующие импульсы здесь могут проникать в сигнальный тракт через емкость затвор - исток (ее значение 5...30 пФ). Для нейтрализации ее действия управляющий импульс в противофазе подают в выходную цепь каскада через конденсатор СЗ, подстройкой которого удается почти полностью устранить коммутационные помехи. При изготовлении каскада транзистор 2N3823 можно заме нить на КПЗ0ЗА, 2N4289 на КТ361А.

Неудовлетворенность качеством работы ключевого каска да в традиционных ПИП по служила причиной дальнейших поисков. W5QJR предложил в KB приемниках с двойным пре образованием частоты управляющий импульс подавать не на ключевой каскад, а на второй гетеродин . Если в тракте первой и второй ПЧ у станов лены достаточно узкополосные фильтры, то увод частоты второго гетеродина на несколько килогерц приведет к тому, что сигнал и помеха уже не попадут в полосу пропускания второго фильтра, т. е. сигнальный тракт будет разомкнут. Так как часто ту уводят всего на несколько килогерц, то сохраняется нормальная работа гетеродина, отсутствуют нестационарные переходные процессы, а с ними и коммутационные помехи.

Качество работы этого ПИП характеризует такой пример. При установке KB радиоприемника в автомашине прием без ПИП был невозможен, так как мощные импульсные помехи от системы зажигания полностью забивали сигналы любительских станций. При включении же ПИП помехи от системы зажигания практически не мешали приему. В подавителе помех конструкции W5QJR отдельный импульсный супергетеродинный приемник на частоту 38,8 МГц подключен к антенне основного приемника. Усиленный импульсный сигнал на частоте 10,7 МГц детектируется и поступает в узел задержки управляющего коммутацией импульса и регулировки его длительности. Часть схемы этого ПИП показана на рис. 4.

На диоде VD1 выполнен импульсный детектор. Каскады на транзисторах VTI-VT3 входят в узел формирования управляющих сигналов. Логические элементы DD1.1-DD1.4 формируют прямоугольные импульсы, поступающие на варикап, включенный в контур гетеродина, частоту которого уводят в сторону.

Резистором R13 регулируют время задержки управляющих импульсов, а резистором R14 - их длительность. Транзисторы VTI-VT3 могут быть любыми из серии КТ316, диод VD1 - любым из серии КД522, VD2 - Д814А; DD1 - К561ЛЕ5.

В связи с тем, что установка ПИП, разработанного W5QJR, возможна только в KB приемники, имеющие фиксированные первую и вторую ПЧ, то, естественно, что поиск наиболее приемлемого варианта подавителя импульсных помех продолжался. Этому в немалой степени способствовало появление на любительских KB диапазонах сильной периодической помехи, напоминающей стук дятла. Так как сила этой помехи зачастую походит до S9+20 дБ, то она доставляет много неприятностей коротковолновикам во всем мире.

Наблюдения за “дятлом” и измерение его параметров, приведенные VK1DN , показали, что в отличие от обычных импульсных помех (у них длительность импульса 0,5...1 мкс) эта помеха более продолжительная (15 мс), период повторения 10, иногда 16 и значительно реже 20 и 32 Гц, ее фронт и спад не так круты, а по амплитуде пришедшие в данный момент импульсы могут значительно отличаться от предыдущих.

Это приводит к тому, что не все поступающие на вход приемника импульсные помехи запускают ПИП

, и они беспрепятственно проникают в тракт приема. Зная количественные характеристики импульса “дятла”, нетрудно сделать вывод: чтобы улучшить работу подавителя помех, необходимо увеличить усиление в тракте приема импульсной помехи, а также удлинить управляющий коммутацией импульс до 15 мс.

На рис. 5 изображен ПИП , при разработке которого учтены приведенные выше соображения. Полезный сигнал с выхода смесителя поступает на усилитель ПЧ, собранный на полевых транзисторах VT2 и VT3, и далее через ключевой каскад на импульсных диодах VD1- VD4 подается на кварцевый фильтр.

С выхода смесителя через истоковый повторитель на транзисторе VT1 сигнал ПЧ ответвляется в тракт усиления импульсной помехи, в котором используется микросхема DA1, представляющая собой часть супергетеродинного AM приемника (до детектора).

Его преобразователь понижает частоту поступающего сигнала с 9 до 2 МГц. Продетектированный импульс помехи через истоковый повторитель на транзисторе VT5 приходит на узел запуска, собранный на транзисторе VT6.

Переменным резистором R14 регулируют в процессе работы, в зависимости от эфирной обстановки порог срабатывания ПИП. Микросхема DD1 формирует управляющий импульс, который через инвертирующий усилитель на транзисторе VT4 поступает на ключевой каскад. ПИП, описанный DJ2LR, может быть установлен в приемник, имеющий ПЧ от 3 до 40 МГц. При этом потребуется только использовать соответствующие контуры на входе микросхемы DA1. Критична в изготовлении лишь конструкция ключевого каскада. Он требует тщательной экранировки и симметричного расположения деталей для лучшей балансировки и развязки. При повторении узла в качестве элементов VT1, VT5 можно использовать транзисторы серии КПЗОЗ, VT2, VT3 - серии КП903, VT4 - серии КТ316, VT6 - серии КТ361. DA1 - К174ХА2, DD1 - К155АГЗ.

Приводимые в данные измерений свидетельствуют о высоких параметрах созданного узла. Затухание сигнала в момент размыкания сигнального тракта превышает 80 дБ. Величина, характеризующая верхнюю границу динамического диапазона, равна +26 дБм. А самое главное, удалось полностью избавиться от импульсных помех, создаваемых “дятлом”, что позволило принимать даже очень слабые сигналы DX-станций. В статье делается вывод, что установка этого ПИП в приемные устройства высокого класса не приведет к ухудшению их динамического диапазона.

Измерения параметров импульсных помех от “дятла”, которые приводил VK1DN , показали, что эти колебания очень стабильны - с точностью до 10~5. Это позволяет запускать узел формирования управляющего импульса не приходящей помехой, а сигналом местного генератора. Он, естественно, должен быть высокостабильным и иметь возможность скорректировать выходной сигнал с учетом фазы приходящих сигналов.

На рис. 6 приведена часть схемы ПИП, разработанного VK1DN . Подстроечными резисторами R3 и R6 корректируют управляющий импульс, добиваясь наилучшего подавления помехи.

Так как формирование импульса запуска уже не зависит фактически от построения KB приемника, то VK1DN считает возможным каскад-коммутатор включить в НЧ тракт приемника. Несмотря на то, что при этом не удается полностью избавиться от помех и, кроме того, еще и “дышит” система АРУ, положительный эффект все-таки есть. В узле можно применить микросхему К555ТЛ2, транзистор серии КТ316, диоды серии КД522.

На рис. 7 показан ключевой каскад низкочастотного ПИП и узел его запуска. Так как VK1DN использует в качестве ключа полевой транзистор, то, естественно, что он столкнулся с проблемой “пролезания” управляющих импульсов в сигнальный тракт, о чем упоминалось в начале статьи. Решил он ее по-своему. Оказалось, что существенно снизить эти помехи можно, уменьшив крутизну фронта и спада управляющих импульсов.

Для этого на выходе буферного каскада на операционном усилителе DA1, разделяющем генератор этих импульсов от остальной части устройства, был установлен конденсатор С1 большой емкости - 33 мкФ. Он совместно с элементами С2 и VD1 формирует из прямоугольного импульса треугольный с амплитудой 9 В. Транзистор VT1 оказывается закрытым при напряжении на его базе 7В (для транзистора MPF102). В узле можно применить микросхему К140УД7, транзистор серии КПЗ0З, диод серии КД522.

Как считает VK1DN, цифровые каскады желательно питать от отдельного источника во избежание проникания помех в тракт НЧ. Управляющий сигнал на низкочастотный ПИП следует подавать с выхода элемента DD1.5, а на высокочастотный с транзистора VT1 (см. рис. 6). Это требуется делать для того, чтобы управляющий импульс имел нужную полярность.

Так как в первоисточнике отсутствует информация о том, как был выполнен ключевой каскад в ВЧ ПИП VK1DN, то при повторении или экспериментах на это следует обратить внимание.

С. Казаков

Литература:

2. Van Zant F. Solid state noise blanker.- QST, 1971, № 7, p. 20,

3. Hawker P. Technical topics.- Radio communication, 1978, № 12, p. 1025.

4. Nicholls D. Blankihg the woob-pecker.- Harn Radio, 1982, № 1, p. 20.

5. Ronde U. Increasing Receiver Dynamie Range.- QST, 1980, № 5, p. 16.

6. Nicholls D. Blanking the woobpecker.- Ham Radio, 1982, № 3, p. 22.

Импульсные источники питания, тиристорные регуляторы, коммутаторы, мощные радиопередатчики, электродвигатели, подстанции, любые электроразряды вблизи линии электропередач (молнии, сварочные аппараты, и т.д.) генерируют узкополосные и широкополосные помехи различной природы и спектрального состава. Это затрудняет функционирование слаботочной чувствительной аппаратуры, вносит искажения в результаты измерений, вызывает сбои и даже выход из строя как узлов приборов, так и целых комплексов оборудования.

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 называется «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 кГц. На частотах же выше 1 МГц преобладают асимметричные помехи.

Довольно простым случаем являются узкополосные помехи, устранение которых сводится к фильтрации основной (несущей) частоты помехи и ее гармоник. Гораздо более сложный случай — высокочастотные импульсные помехи, спектр которых занимает диапазон до десятков МГц. Борьба с такими помехами представляет собой довольно сложную задачу.

Устранить сильные комплексные помехи поможет только системный подход, включающий в себя перечень мер по подавлению нежелательных составляющих питающего напряжения и сигнальных цепей: экранирование, заземление, правильный монтаж питающих и сигнальных линий и, конечно же, фильтрацию. Огромное количество фильтрующих устройств различных конструкций, добротности, области применения и т.д. выпускаются и используются во всем мире.

В зависимости от типа помех и области применения, различаются и конструкции фильтров. Но, как правило, устройство представляет собой комбинацию LC-цепей, образующих фильтрующие каскады и фильтры П-типа.

Важной характеристикой сетевого фильтра является максимальный ток утечки. В силовых приложениях этот ток может достигать опасной для человека величины. Исходя из значений тока утечки, фильтры классифицируются по уровням безопасности: применения, допускающие контакт человека с корпусом устройства и применения, где контакт с корпусом нежелателен. Важно помнить, что корпус фильтра требует обязательного заземления.

Компания TE-Connectivity, основываясь на более чем 50-летнем опыте компании Corcom в проектировании и разработке электромагнитных и радиочастотных фильтров, предлагает широчайший спектр устройств для применения в различных отраслях промышленности и узлах аппаратуры. На российском рынке представлен ряд популярных серий от этого производителя.

Фильтры общего назначения серии B

Фильтры серии В (рисунок 1) — надежные и компактные фильтры по доступной цене. Большой диапазон рабочих токов, хорошая добротность и богатый выбор типов присоединения обеспечивают широкую область применения этих устройств.

Рис. 1.

Серия B включает в себя две модификации — VB и EB, технические характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии B

Наименование	Максимальный ток утечки, мА		Рабочий диапазон частот, МГц			Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А
Наименование	~120 В 60 Гц	~250 В 50 Гц	Рабочий диапазон частот, МГц	«проводник-корпус»	«проводник-проводник»	Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А
VB	0,4	0,7	0,1…30	2250	1450	~250	1…30
EB	0,21	0,36	0,1…30	2250	1450	~250	1…30

Электрическая схема фильтра приведена на рисунке 2.

Рис. 2.

Ослабление сигнала помехи в дБ приведено на рисунке 3.

Рис. 3.

Фильтры серии T

Фильтры этой серии (рисунок 4) — высокопроизводительные радиочастотные фильтры для силовых цепей импульсных источников питания. Преимуществами серии являются превосходное подавление противофазных и синфазных помех, компактные размеры. Малые токи утечки позволяют применять серию T в устройствах с низким энергопотреблением.

Рис. 4.

Серия включает две модификации — ET и VT, технические характеристики которых приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии T

Наименование	Максимальный ток утечки, мА		Рабочий диапазон частот, МГц	Электрическая прочность изоляции (в течение 1 минуты), В		Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А
Наименование			Рабочий диапазон частот, МГц	«проводник-корпус»	«проводник-проводник»	Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А
ET	0,3	0,5	0,01…30	2250	1450	~250	3…20
VT	0,75 (1,2)	1,2 (2,0)	0,01…30	2250	1450	~250	3…20

Электрическая схема фильтра серии T приведена на рисунке 5.

Рис. 5.

Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 6.

Рис. 6.

Фильтры серии К

Фильтры серии К (рисунок 7) — силовые фильтры радиочастотного диапазона общего назначения. Они ориентированы на применение в силовых цепях с высокоомной нагрузкой. Отлично подходят для случаев, когда на линию наводится импульсная, непрерывная и/или пульсирующая помеха радиочастотного диапазона. Модели с индексом EK соответствуют требованиям стандартов для применения в портативных устройствах, медицинском оборудовании.

Рис. 7.

Фильтры с индексом С оснащены дросселем между корпусом и заземляющим проводом. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии К приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии К

Наименование	Максимальный ток утечки, мА		Рабочий диапазон частот, МГц	Электрическая прочность изоляции (в течение 1 минуты), В		Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А
Наименование	~120 В 60 Гц	~250 В 50 Гц	Рабочий диапазон частот, МГц	«проводник-корпус»	«проводник-проводник»	Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А
VK	0,5	1,0	0,1…30	2250	1450	~250	1…60
EK	0,21	0,36	0,1…30	2250	1450	~250	1…60

Электрическая схема фильтра серии К приведена на рисунке 8.

Рис. 8.

Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 9.

Рис. 9.

Фильтры серии EMC

Фильтры этой серии (рисунок 10) — компактные и эффективные двухступенчатые силовые фильтры радиочастотного диапазона. Обладают рядом преимуществ: высоким коэффициентом ослабления синфазных помех в области низких частот, высоким коэффициентом ослабления противофазных помех, компактными размерами. Серия EMC ориентирована на применение в устройствах с импульсными источниками питания.

Рис. 10.

Основные технические характеристики приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии EMC

Номинальные токи фильтра, А	Максимальный ток утечки, мА		Рабочий диапазон частот, МГц	Электрическая прочность изоляции (в течение 1 минуты), В		Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А
Номинальные токи фильтра, А	~120 В 60 Гц для токов 3; 6; 10 А (15; 20 А)	~250 В 50 Гц для токов 3; 6; 10 А (15; 20 А)	Рабочий диапазон частот, МГц	«проводник-корпус»	«проводник-проводник»	Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А
3; 6; 10	0,21	0,43	0,1…30	2250	1450	~250	3…30
15; 20; 30	0,73	1,52	0,1…30	2250	1450	~250	3…30

Электрическая схема фильтра серии EMC приведена на рисунке 11.

Рис. 11.

Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 12.

Рис. 12.

Фильтры серии EDP

2. Corcom Product Guide, General purpose RFI filters for high impedance loads at low current B Series, TE Connectivity, 1654001, 06/2011, p. 15

3. Corcom Product Guide, PC board mountable general purpose RFI filters EBP, EDP & EOP series, TE Connectivity, 1654001, 06/2011, p. 21

4. Corcom Product Guide, Compact and cost-effective dual stage RFI power line filters EMC Series, TE Connectivity, 1654001, 06/2011, p. 24

5. Corcom Product Guide, Single phase power line filter for frequency converters FC Series, 1654001, 06/2011, p. 30

6. Corcom Product Guide, General purpose RFI power line filters — ideal for high-impedance loads K Series, 1654001, 06/2011, p. 49

7. Corcom Product Guide, High performance RFI power line filters for switching power supplies T Series, 1654001, 06/2011, p. 80

8. Corcom Product Guide, Compact low-current 3-phase WYE RFI filters AYO Series, 1654001, 06/2011, p. 111.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Сетевые и сигнальные EMI/RFI-фильтры от TE Connectivity. От платы до промышленной установки

Компания TE Connectivity занимает лидирующие позиции в мире по разработке и производству сетевых фильтров для эффективного подавления электромагнитных и радиочастотных помех в электронике и промышленности. Модельный ряд включает в себя более 70 серий устройств для фильтрации как цепей питания от внешних и внутренних источников, так и сигнальных цепей в широчайшей сфере применений.

Фильтры имеют следующие варианты конструктивного исполнения: миниатюрные для установки на печатную плату; корпусные различных размеров и типов присоединения питающих линий и линий нагрузки; в виде готовых разъемов питания и коммуникационных разъемов сетевого и телефонного оборудования; индустриальные, выполненные в виде готовых промышленных шкафов.

Сетевые фильтры выпускаются для AC и DC приложений, одно- и трехфазных сетей, перекрывают диапазон рабочих токов 1…1200 А и напряжений 120/250/480 VAC, 48…130 VDC. Все устройства характеризуются низким падением напряжения — не более 1% от рабочего. Ток утечки, в зависимости от мощности и конструкции фильтра, составляет 0,2…8,0 мА. Усредненный частотный диапазон по сериям — 10 кГц…30 МГц. Серия AQ рассчитана на более широкий диапазон частот: 10 кГц…1 ГГц. Расширяя области применения своих устройств, TE Connectivity выпускает фильтры для цепей нагрузки с низким и высоким импедансом. Например, высокоимпедансные фильтры серий EP, H, Q, R и V для низкоимпедансных нагрузок и низкоимпедансные серии B, EC, ED, EF, G, K, N, Q, S, SK, T, W, X, Y и Z для высокоимпедансных нагрузок.

Коммуникационные разъемы со встроенными сигнальными фильтрами выпускаются в экранированном, спаренном и низкопрофильном исполнении.

Каждый фильтр производства TE Connectivity подвергается двойному тестированию: на этапе сборки и уже в виде готового изделия. Вся продукция соответствуют международным стандартам качества и безопасности.

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.

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?