Подавление импульсных помех. Фильтр для подавления помех от питающей сети

Для предотвращения помех от электро - и радиоприборов необходимо снабдить их фильтром для подавления помех от питающей сети, расположенным внутри аппаратуры, что позволяет бороться с помехами в самом их источнике.

Если не удастся отыскать готовый фильтр, его можно сделать самостоятельно. Схема помехоподавляющего фильтра представлена на рисунке ниже:

Фильтр двухкаскадный. Первый каскад выполнен на основе продольного трансформатора (двухобмоточного дросселя) Т1, второй представляет собой высокочастотные дроссели L1 и L2. Обмотки трансформатора Т1 включены последовательно с линейными проводами питающей сети. По этой причине низкочастотные поля частотой 50 Гц в каждой обмотке имеют противоположные направления и взаимно компенсируют друг друга. При воздействии помехи на провода питания, обмотки трансформатора оказываются включенными последовательно, а их индуктивное сопротивление XL растет с увеличением частоты помех: XL = ωL = 2πfL, f - частота помех, L - индуктивность включенных последовательно обмоток трансформатора.

Сопротивление конденсаторов C1, С2, наоборот, уменьшается с ростом частоты (Хс =1/ωС =1/2πfC), следовательно, помехи и резкие скачки «закорачиваются» на входе и выходе фильтра. Такую же функцию выполняют конденсаторы СЗ и С4.

Дроссели LI, L2 представляют еще одно последовательное дополнительное сопротивление для высокочастотных помех, обеспечивая их дальнейшее ослабление. Резисторы R2, R3 уменьшают добротность L1, L2 для устранения резонансных явлений.

Резистор R1 обеспечивает быстрый разряд конденсаторов C1-С4 при отключении сетевого шнура от питающей сети и необходим для безопасного обращения с устройством.

Детали сетевого фильтра размещены на печатной плате, показанной на рисунке ниже:

Печатная плата рассчитана на установку промышленного продольного трансформатора от блоков персональных компьютеров. Можно изготовить трансформатор самостоятельно, выполнив его на ферритовом кольце проницаемостью 1000НН...3000НН диаметром 20...30 мм. Кромки кольца обрабатывают мелкозернистой шкуркой, после чего кольцо обматывают фторопластовой лентой. Обе обмотки наматывают в одном направлении проводом ПЭВ-2 диаметром 0,7 мм и имеют по 10...20 витков. Обмотки размещены строго симметрично на каждой половине кольца, зазор между выводами должен быть не менее 3...4 мм. Дроссели L2 и L3 также промышленного производства, намотаны на ферритовых сердечниках диаметром 3 мм и длиной 15 мм. Каждый дроссель содержит три слоя провода ПЭВ-2 диаметром 0,6 мм, длина намотки 10 мм. Чтобы витки не сползали, дроссель пропитан эпоксидным клеем. Параметры намоточных изделий выбраны из условия максимальной мощности фильтра до 500 Вт. При большей мощности размеры сердечников фильтра и диаметр проводов необходимо увеличить. Придется изменить и размеры печатной платы, однако всегда следует стремиться к компактному размещению элементов фильтра.

Жесткая функциональная зависимость между коэффициентами , импульсной помехи открывает возможности такого построения решающей схемы приемного устройства, при котором наличие импульсных помех не увеличивает или почти не увеличивает вероятность ошибочного приема сигнала. В идеализированном случае, когда импульсы представляются дельта-функциями, возможно полное подавление импульсной помехи. При реальных импульсах конечной длительности помеха может быть подавлена почти полностью при условии, что и что за время приема одного элемента сигнала число мешающих импульсов достаточно мало.

Рис. 8.4. Схема, иллюстрирующая принципиальную возможность компенсации импульсных помех.

Пусть на вход приемного устройства (рис. 8.4) поступают сигнал, занимающий условную полосу частот , и импульсная помеха. Воздействие на прием неизбежно существующей флюктуационной помехи сначала не будем учитывать. Подадим принимаемый сигнал с помехами на два перемножителя, на которые поступают опорные напряжения и , где - целое число, такое, что частота лежит вне полосы частот сигнала. Например, можно выбрать или, как сделано на рис. 8.4, . Выходное напряжение перемножителей интегрируется в интервале , в результате чего получаются напряжения, пропорциональные и , которые подаются на специальную схему, вычисляющую значения и . Эти данные позволяют восстановить мешающий импульс, если он достаточно точно аппроксимируется дельта-функцией. Поскольку на интегрирование затрачивается время , восстановленный импульс оказывается задержанным на это время по сравнению с импульсом, поступившим на вход приемного устройства. Если принимаемый сигнал пропустить через линию задержки на время и вычесть из него восстановленный мешающий импульс, можно, в принципе, получить сигнал, освобожденный от импульсной помехи.

Приведенная схема, конечно, очень сложна для практического осуществления и рассматривается здесь лишь как доказательство принципиальной возможности полного подавления импульсной помехи в случае идеальных дельта-импульсов.

Ниже будут рассмотрены практически осуществимые методы полного или почти полного подавления импульсных помех. Однако прежде чем приступать к их описанию, полезно на примере идеализированной схемы рис. 8.4 уяснить некоторые общие закономерности, характерные для всех таких методов. Начнем с учета недостатков этой схемы и принципиальных возможностей их устранения.

Прежде всего, заметим, что схема рис. 8.4 позволяет скомпенсировать мешающий импульс только в том случае, если на протяжении длительности элемента сигнала он является единственным. Этот недостаток можно в значительной степени устранить путем усложнения схемы. Одна из возможностей заключается в том, что вместо разложения сигнала с помехой в ряд Фурье в интервале длительностью применяется разложение в интервале , где - некоторое целое число. При этом в отличие от схемы рис. 8.4, опорное напряжение должно иметь частоту, кратную не , а и по-прежнему лежащую вне полосы частот сигнала; интегрирование должно производиться за время , и на такое же время должна рассчитываться линия задержки. При этом могут быть скомпенсированы все мешающие импульсы, если в каждом из интервалов имеется не более одного импульса.

Другая возможность подавления мешающих импульсов, расположенных произвольно на протяжении элемента сигнала, заключается в использовании пар опорных напряжений и при различных с частотами, лежащими вне полосы частот сигнала. Это позволяет определить значений , которые могут быть подставлены в уравнении (8.34) для вычисления неизвестных и . Вычисление в принципе может быть произведено электронной схемой, и компенсация осуществляется так же, как на рис. 8.4.

Оба эти варианта позволяют скомпенсировать не более чем некоторое число мешающих импульсов, на которое рассчитана схема. Очевидно, создать схему, способную скомпенсировать любое сколь угодно большое число импульсов, принципиально невозможно, так как с увеличением импульсная помеха приближается к нормальному белому шуму.

Вернемся к схеме рис. 8.4, предназначенной для компенсации одиночных мешающих импульсов, и учтем влияние неизбежно присутствующей флюктуационной помехи. Её действие, как легко видеть, сказывается в том, что на схему вычисления параметров и поступают не коэффициенты и мешающего импульса, а суммы и , где и - коэффициенты при частоте разложения в ряд Фурье флюктуационной помехи на интервале . В результате этого параметры и будут вычислены неточно и полной компенсации мешающего импульса не произойдет. Более того, если на протяжении данного элемента сигнала мешающий импульс на вход приемника не поступает, компенсирующий импульс все равно будет сформирован под воздействием соответствующей составляющей флюктуационной помехи и прибавится с обратным знаком к сигналу. Поскольку коэффициенты ряда Фурье белого шума взаимно независимы, это не приведет к компенсации шума, а, наоборот, увеличит его спектральную плотность.

Таким образом, можно сказать, что схема рис. 8.4, осуществляя компенсацию импульсной помехи, как бы увеличивает интенсивность флюктуационной помехи. Впрочем, это увеличение спектральной плотности флюктуационной помехи обычно невелико по сравнению с .

Для уменьшения указанного недостатка можно прибегнуть к усложнению схемы, применив некоторое количество устройств для вычисления параметров и использующих различные частоты . Усреднив полученные значения этих параметров, можно повысить точность формирования компенсирующего импульса и свести увеличение интенсивности флюктуационной помехи к ничтожной величине. Если при этом нужно иметь возможность компенсировать импульсов, то потребуется пар опорных напряжений, перемножителей и интеграторов и схем, каждая из которых вычисляет параметры , с последующим усреднением по всем схемам.

Таким образом, компенсация импульсной помехи осуществляется тем более эффективно, чем более широкая полоса частот используется для анализа колебаний на входе приемного устройства. Этот вывод, как мы увидим из последующих примеров, является общим для всех известных методов подавления импульсных помех. Основанием для этого может служить тот факт, что главным отличием ряда (8.23) от аналогичного ряда для флюктуационной помехи является жесткая связь между коэффициентами . Используя наличие этой связи, которая, в частности, проявляется в малой длительности мешающего импульса, можно тем или иным методом обнаружить, проанализировать и устранить импульсную помеху. Естественно, что это возможно осуществить тем легче и полнее, чем большее количество коэффициентов ряда Фурье подвергнется анализу, т. е. чем более широкая полоса частот принимается во внимание в процессе приема.

Заметим, что все сказанное является справедливым лишь до тех пор, пока в расширенной полосе частот отсутствуют сосредоточенные помехи. В противном случае к коэффициентам , используемым для вычисления параметров и прибавятся составляющие сосредоточенной помехи и компенсирующий импульс окажется резко искаженным. В результате вместо компенсации импульсной помехи произойдет увеличение вероятности ошибки под действием сосредоточенной помехи, лежащей вне полосы частот, занимаемой сигналом.

Отсюда следует, что мероприятия по подавлению импульсных помех могут увеличить воздействие сосредоточенных помех, лежащих вне полосы частот сигнала. Этот недостаток проявляется в той или иной мере при всех методах подавления импульсных помех. Он обычно не может быть устранен полностью, и поэтому при построении схемы приемного устройства приходится принимать компромиссные решения, при которых импульсные помехи подавляются не полностью, но в значительной степени, а сосредоточенные помехи влияют на прием лишь не намного более чем в схеме, построенной без учета импульсных помех.

Обратим внимание на еще одну важную особенность схемы рис. 8.4, заключающуюся в использовании нелинейного устройства для вычисления параметров и . Это устройство должно быть нелинейным, что вытекает из нелинейного характера уравнений (8.25) или (8.34) относительно указанных параметров. Необходимость нелинейного устройства следует также из того, что коэффициенты ряда Фурье импульсной помехи взаимно не коррелированы и, следовательно, не связаны друг с другом какими-либо линейными зависимостями.

В реальных условиях мешающие импульсы не являются дельта-функциями. Обычно их можно рассматривать как результат прохождения дельта-функции через некоторую линейную цепь . В общем случае негауссовская помеха может быть описана, если для любого заданы -мерные функции распределения. Однако при сохранении импульсного характера помехи задача может быть упрощена. Пусть существует некоторое число , такое, что длительность мешающего импульса практически не превышает , где - по-прежнему длительность элемента сигнала. Если достаточно велико, то анализ элемента приходящего сигнала можно в первом приближении заменить анализом его значений отсчетов в дискретные моменты времени через интервалы . Значения помехи в этих точках можно считать независимыми, и поэтому для нахождения функции правдоподобия и построения правила решения достаточно знать одномерное распределение вероятностей помехи. Это сделано в работе , содержание которой вкратце заключается в следующем.

Пусть одномерная плотность распределения вероятностей помехи равна . Ограничиваясь значениями принимаемого сигнала в моменты времени , где , - целое число, можно представить функцию правдоподобия для сигнала в виде

, (8.35)

Для простоты ограничимся рассмотрением двоичной системы, тогда оптимальное правило приема по критерию максимального правдоподобия заключается в выборе решения о том, что передавался , если

. (8.36)

Обозначим и разложим каждое слагаемое (8.36) в ряд Тейлора вокруг . Это всегда возможно, если функция непрерывна, ограничена и всюду отлична от нуля, что мы будем предполагать. Тогда правило решения можно представить в виде

, (8.37)

. (8.38)

Функция может быть получена в результате прохождения принимаемого сигнала через безынерционный нелинейный четырехполюсник с характеристикой.

Таким образом, решающую схему можно представить в виде бесконечного числа ветвей, каждая из которых содержит нелинейный четырехполюсник (8.39) и пару фильтров, согласованных соответственно с и (рис. 8.5).

Ограничиваясь конечным числом ветвей в схеме рис. 8.5, получим субоптимальную решающую схему. В частности, если мощность сигнала мала по сравнению с мощностью помехи в анализируемой полосе частот (что, как правило, выполняется в широкополосном тракте приемника), можно ограничиться одной ветвью и получить субоптимальную схему, изображенную на рис. 8.6.

Плотность распределения вероятностей импульсных помех во многих случаях хорошо аппроксимируется функцией

, (8.40)

Рис. 8.6. Субоптимальная решающая схема для приема двоичных сигналов в канале с импульсными помехами.

В частном случае, когда , распределение (8.40) становится нормальным. Это имеет место, когда импульсы проходят через узкополосный фильтр и следуют друг за другом столь часто, что вызываемые ими реакции полностью прекрываются. При этом, как и следовало ожидать, нелинейный четырехполюсник в схеме рис. 8.6 вырождается в линейный. Более того, в схеме рис. 8.5 все остальные четырехполюсники, кроме первого, оказываются разорванными, так как из (8.39) при имеем . Таким образом, оптимальная решающая схема вырождается в котельниковскую.

В другом крайнем случае, полностью непрерывающихся импульсов, и характеристикой четырехполюсника в схеме рис. 8.6 будет . При получим четырехполюсник с характеристикой , т. е. идеальный ограничитель.

Как показано в , субоптимальная схема рис. 8.6 позволяет существенно подавить импульсную помеху. Это подавление тем значительнее, чем меньше . При происходит полное подавление импульсной помехи.

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:

1. Число проводов сети: 2, 3 (4).
2. Номинальное (сетевое) напряжение: 250 (220), 440 (380) В и др.
3. диапазон подавления помех (полоса частот заграждения);
4. уровень подавления помех (стандартный; с усиленным подавлением и т.п.);
5. номинальный ток, А;
6. тип помех, подавляемых фильтром:
   • общего типа;
   • дифференциального типа;
   • несимметричные помехи;
7. тип разъема;
8. тип корпуса;
9. 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 (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.

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.