Подавитель импульсных помех для Р399А. Фильтр подавления высокочастотных импульсных электромагнитных помех, излучения. Устранение. Теория. Схема. Конструкция. Применение. Изготовление

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
	~120 В 60 Гц	~250 В 50 Гц		«проводник-корпус»	«проводник-проводник»
VB	0,4	0,7	0,1…30	2250	1450	~250	1…30
EB	0,21	0,36

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
				«проводник-корпус»	«проводник-проводник»
ET	0,3	0,5	0,01…30	2250	1450	~250	3…20
VT	0,75 (1,2)	1,2 (2,0)

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
	~120 В 60 Гц	~250 В 50 Гц		«проводник-корпус»	«проводник-проводник»
VK	0,5	1,0	0,1…30	2250	1450	~250	1…60
EK	0,21	0,36

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
	~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)		«проводник-корпус»	«проводник-проводник»
3; 6; 10	0,21	0,43	0,1…30	2250	1450	~250	3…30
15; 20; 30	0,73	1,52

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.

Фильтр подавления электромагнитных помех (10+)

Фильтр высокочастотных электромагнитных помех

Причина возникновения высокочастотных импульсных помех банальна. Скорость света не бесконечна, и электромагнитное поле распространяется со скоростью света. Когда у нас есть устройство, как-то преобразующее сетевое напряжение путем частых переключений, мы ожидаем, что в проводах питания, идущих к сети, будут возникать пульсации токов, направленных навстречу друг другу. По одному проводу ток втекает в прибор, по другому - вытекает. Но все совсем не так. За счет конечности скорости распространения поля импульс втекающего тока сдвинут по фазе относительно вытекающего. Таким образом, на некоторой частоте высокочастотные токи в сетевых проводах текут сонаправленно, синфазно.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости , чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!

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?

Специальность 221600

Cанкт-Петербург

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение принципа работы и опре­деление эффективности подавителя импульсных широкоспектральных помех.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Основными методами защиты радиоприемных устройств от импульс­ных широкоспектральных помех являются:

а) внеприемные - применение узконаправленных антенн, вынесение ан­тенны из зоны действия импульсных помех и подавление помех в месте их возникновения;

б) схемные - различные способы обработки смеси полезный сигнал - импульсная помеха с целью ослабления мешающего воздействия.

Одним из эффективных схемных способов борьбы с импульсными по­мехами является применение схемы широкая полоса - амплитудный ограни­читель - узкая полоса (схема ШОУ). Такая схема часто используется в радио­связи.

В настоящей работе исследуется схема ШОУ для двух случаев:

а) полезный сигнал представляет собой видеоимпульсы;

б) полезный сигнал является непрерывным радиосигналом с амплитуд­ной модуляцией.

Структурные схемы для этих случаев представлены на рис. 1 а и 1б со­ответственно. В первом случае схема ШОУ расположена после амплитудного детектора АД, во втором - в тракте радиочастоты до АД.

Схема ШОУ, представленная на рис. 1а, включает последовательно со­единенные широкополосный видеоусилитель, амплитудный ограничитель и узкополосный видеоусилитель. На вход схемы: с детектора поступает смесь сигнал - помеха (рис.2а), причем длительность сигнала намного превышает длительность помехи (tc>>tп), а амплитуда помехи существенно больше ам­плитуды сигнала (Uп>>Uc). Широкополосный усилитель предназначен для усиления входной смеси до уровня, обеспечивающего нормальную работу ограничителя. Полоса пропускания усилительного тракта до ограничителя выбирается такой, чтобы избежать существенного увеличения длительности импульса помехи (рис.2б). Порог ограничения немного выше уровня полез­ного сигнала, поэтому после ограничения уровни сигнала и помехи становят­ся почти равными (рис. 2в). Узкополосный видеоусилитель (или фильтр) вы­полняет роль интегратора, постоянная времени которого согласована с дли­тельностью сигнала и намного превышает длительность помехи. Ввиду того, что tc>>tп, сигнал на выходе фильтра успевает вырасти до своего амплитуд­ного значения, а помеха - нет (рис. 2г). Таким образом, отношение сиг­нал/помеха на выходе схемы ШОУ резко возрастает.

Оценим выигрыш в соотношении сигнал/помеха при использовании схемы ШОУ. На входе схемы присутствуют сигнал с амплитудой Uc и дли­тельностью tc и помеха с прямоугольной огибающей (Uп, tп). Роль интегри­рующей выполняет RC - цепь первого порядка с переходной характеристикой вида

h (t )=1- exp (- t п / t RC ) (1)

где tRC = RC - постоянная времени фильтра.

Из теории известно, что длительность нарастания сигнала до уровня 0.9 Uc для такой цепи определяется соотношением

tн =2.3 t RC (2)

Уровень помехи на выходе амплитудного ограничителя Uп = Uогр, где Uогр - порог ограничения, а уровень полезного сигнала и помехи на выходе схемы соответственно

Uc вых =0,9 UcK (3)

U пвых = U огр К (4)

где К - коэффициент усиления схемы. Отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе схемы ШОУ

h вых =(Uc / U п )вых=0,9* U с /(U огр ) (5)

Выигрыш от использования схемы определяется соотношением

(6)

или, с учетом (5),

q 1 =0.9* U п /(U огр (1/)) (7)

Так как t п << t RC и t с =2,3 t RC , то

q 1 =(0.9* U п / U огр )*( t с /2,3 t п ) » 0.4( U п / U огр )*( t с / t п ) (8)

При выключенной схеме ШОУ (ограничитель отключен) уровень по­мехи на выходе

U пвых = U п K (9)

При этом отношение сигнал/помеха на выходе

h вых =(Uc / U п )вых=0,9* U с /(U п ) (10)

а выигрыш, получаемый за счет "узкополосности" выходного фильтра, согласованного по полосе с полезным сигналом, равен

q 2=[ h вых / h вх ]ШОУвыкл=0,9/ (11)

Относительный выигрыш, получаемый при использовании схемы ШОУ, определяется как соотношение

n = q 1/ q 2 (12)

После подстановки (7) и (11) в (12) и, учитывая соотношения

n << t RC и t с =2,3 t RC , , имеем

n = q 1/ q 2 = U п / U огр (13)

В схеме ШОУ (рис. 16) широкополосным усилителем являются резо­нансные каскады усилителя промежуточной частоты (УПЧ) с полосой про­пускания много шире ширины спектра полезного сигнала. УПЧ расположен до ограничителя. В качестве интегратора используется каскад УПЧ после ог­раничителя, причем полоса пропускания этого каскада согласована с шири­ной спектра полезного сигнала. Чтобы избежать ухудшения помехоустойчи­вости приемника из-за расширения полосы пропускания каскадов УПЧ до ог­раничителя, схему ШОУ располагают как можно ближе ко входу приемника.

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Структурная схема лабораторной установки для исследования подави­теля помех представлена на рис. 3. В состав лабораторной установки входят:

1. Генератор стандартных сигналов (ГСС);

2. Осциллограф;

3. Лабораторный макет подавителя помех.

Структурная схема установки приведена на рис. 4. Схема содержит имитатор смеси сигналов и помех и схему ШОУ. Амплитудно-модулированное колебание (АМК) от ГСС подается на вход имитатора смеси сигнала и импульсной помехи. АМК имеет следующие параметры:

а) амплитуда Um = 100 мВ;

б) несущая частота fo == 100КГц;

в) частота модуляции fm = 1 КГц. Имитатор вырабатывает следующие сигналы:

Sam - полезное АМК;

Sи - импульсный полезный сигнал;

Sп - импульсная помеха прямоугольной формы;

Spп - радиоимпульсная помеха с прямоугольной формой огибающей.

СИНХР - синхроимпульс осциллографа. На передней панели лабораторного макета предусмотрена возможность включения имитируемых сигналов и помех тумблерами "Сигнал вкл" и "По­меха вкл" соответственно. Полезный импульсный сигнал смешивается с им­пульсной помехой в сумматоре å1, а непрерывный полезный сигнал с AM и радиоимпульсная помеха - в сумматоре å2. Смесь полезного сигнала с поме­хой поступает на две схемы ШОУ, предназначенных для работы, как на ви­деочастоте, так и на радиочастоте. Переключение схем осуществляется пере­ключателем "Saм-Sи", расположенном на передней панели макета. Первая схема содержит широкополосный видеоусилитель (ШВУ), ограничитель, на диодах VD1, VD2 и узкополосный фильтр (УФ1), реализованный RC-цепочкой. Вторая схема содержит широкополосный усилитель, ограничи­тель, узкополосный фильтр (УФ2) и детектор АМК. УФ2 представляет собой колебательный контур L1 Ск1 Ск2, полоса пропускания которого согласована с

шириной спектра АМК. Ограничитель включается тумблером "ВКЛ ПП". Переключатель контрольных точек на три положения (1, 2, 3) позволяет при помощи осциллографа наблюдать сигналы на входе схемы ШОУ, на входе ограничителя и на выходе схемы.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Ознакомиться с принципом работы подавителя помех и составом ис­пользуемой аппаратуры.

3.2. Исследование подавителя помех при наличии импульсного полезного сигнала.

3.2.1. Подготовка к работе:

Установить на выходе ГСС сигнал со следующими параметрами:

а) амплитуда - 100 мВ;

б) частота - 100 КГц;

в) глубина модуляции - 30 %.

Включить макет, установить переключатель "Sам-Sи" в положение Sи, переключатели "Помеха вкл", "Сигнал вкл" - в положение включено, переключатель контрольных точек - в положение 1.

3.2.2. Измерения:

Измерить при помощи осциллографа параметры сигнала и помехи на входе схемы (амплитуды сигнала Uc и помехи Uп; длительность сигна­ла tс и помехи tп);

Вычислить отношение сигнал/помеха по напряжению на входе схемы;

Наблюдать сигнал в контрольных точках схемы при включенном и вы­ключенном подавителе помех, отключая ограничитель тумблером "Вкл ПП";

Измерить отношение сигнал/помеха на выходе схемы при включенном и выключенном подавителе помех;

По результатам измерений определить относительный выигрыш и сравнить с расчетным;

Зарисовать осциллограммы в контрольных точках схемы при включен­ном и выключенном подавителе.

3.3.Исследование подавителя помех при приеме непрерывного сигнала сAM.

3.3.1. Подготовка к работе:

Установить переключатели в следующие положения:

a)"Sам-Sи"-Sам

б) "Сигнал вкл" - включено;

в) "Помеха вкл" - выключено;

г) контрольных точек - 3;

изменяя частоту генератора в пределах 100кГц, добиться мак­симального сигнала на выходе детектора. Наблюдение вести по экра­ну осциллографа.

3.3.2 Измерения:

Наблюдать сигнал в контрольных точках схемы при включенном и вы­ключенном подавителе помех, отключая ограничитель тумблером "Вкл ПП",

Измерить отношение сигнал/помеха на входе схемы (контрольная точка 1);

Измерить отношение сигнал/помеха на выходе схемы (контрольная точка 3) при включенном и выключенном подавителе;

Примечание, уровни полезного сигнала и помех на входе и выходе схемы измеря­ются раздельно (включение сигнала и помехи осуществляется тумблерами "сигнал вкл" и "помеха вкл");

По результатам измерений определить выигрыш в отношении сиг­нал помеха при использовании схемы ШОУ и относительный выиг­рыш.

структурная схема исследуемого подавителя помех;

осциллограммы сигналов в контрольных точках схемы;

расчет ожидаемого выигрыша в отношении сигнал/помеха при приеме видеосигналов;

экспериментальные данные об эффективности подавителя помех для видео и радиосигналов.

ЛИТЕРАТУРА

Защита от радиопомех. , и др.; Под ред. М.: Сов. радио, 1976

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.