В настоящее время в большинстве электронных устройств источников постоянного напряжения используются встроенные или внешние импульсные блоки питания (ИБП). Основной принцип работы (ИБП) заключается в том, что сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется, далее преобразуется в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое затем понижается или повышается трансформатором до необходимых значений, далее выпрямляется, фильтруется и стабилизируется посредством обратной связи (ОС).

Широкое распространение (ИБП) обусловлено несколькими причинами: небольшим весом, малыми габаритами, высоким КПД, низкой стоимостью, широким диапазоном питающего сетевого напряжения и частоты, высокой степенью стабилизации выходного напряжения и т.д.

К недостаткам (ИБП) можно отнести то, что все они без исключения являются источниками интенсивных электромагнитных помех (ЭПМ), это связано с принципом работы схемы преобразователя, т.к. сигналы в (ИБП) представляют собой периодическую последовательность импульсов. Спектры таких сигналов занимают диапазон частот шириной до нескольких мегагерц. Помехи могут распространяться в виде токов, текущих в проводящих элементах, контуре заземления и самой земле (кондуктивные помехи ) и в виде электромагнитных полей в непроводящих средах (индуктивные помехи ).

Так же сами (ИБП) довольно восприимчивы к влиянию внешних (ЭПМ). В этой связи возникает необходимость, как подавлять помехи, которые они генерируют и наводят в питающую сеть, так и защищать их от внешних помех, проникающих из питающей сети. Для этой цели (ИБП) в обязательном порядке должен иметь сетевой фильтр подавления (ЭПМ), или как его еще называют EMI - фильтр (рис. 1).

Рис.1 Встроенный сетевой фильтр подавления электромагнитных помех.

Надо отметить, что такой фильтр будет работать как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. ослабит как входящие, так и исходящие помехи.

Кондуктивная помеха по питающей сети имеет две составляющих – противофазную и синфазную.

Это напряжение помехи между шинами питания, фазой (L ) и нулем (N ) питающей сети. Ток противофазной помехи, наведенный на оба провода питающей сети, протекает по ним в противоположных направлениях (рис.2).

Противофазные напряжения помех непосредственно накладываются на напряжение питания питающей сети, воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как управляющие сигналы в устройствах, и тем самым вызывать ложное срабатывание.

Синфазная (асимметричная, несимметричная) составляющая помехи - это напряжение помехи между шинами питания питающей сети и корпусом устройства (заземлением), т.е. между фазой (L) и землей (GND ) , нулем (N) и землей (GND ) . Ток синфазной помехи протекает по шинам питающей сети в одном направлении (рис.3).

Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, вызванной токами в земле (аварийными, при замыканиях высоковольтных линий на землю, рабочими или токами молнии), а так же магнитными полями. Синфазные напряжения помех воздействуют на изоляцию проводов относительно земли и могут вести к электрическим пробоям. Так же может происходить частичное или полное преобразование синфазной помехи в противофазную.

Кроме сетевого фильтра входные цепи (ИБП) должны иметь защиту от короткого замыкания (Предохранитель ), импульсных бросков напряжения в питающей сети (Варистор и Супрессор ), ограничитель броска тока при включении (ИБП) в питающую сеть (Термистор ), а так же иметь защиту от внешних воздействий, например грозы или высоковольтного электрического пробоя (). На (рис. 4) показана схема многозвенного сетевого фильтра, обеспечивающего качественное подавление синфазных и дифференциальных помех с элементами защиты входных цепей (ИБП).

Рис.4 Схема многозвенного сетевого фильтра подавления (ЭПМ), с элементами защиты входных цепей (ИБП).

Схема фильтра реализована на основе двух фильтров нижних частот (ФНЧ) путем каскадного соединения (Г-образных) или (Т-образных) звеньев. Назначение элементов схемы сетевого фильтра следующее:

С Y 1, CY 2 - конденсаторы Y типа предназначены для подавления синфазной составляющей помехи. Выбор величины емкости конденсаторов CY, в первую очередь, определяется значением безопасного для человека тока заземления, величина которого для оборудования общего назначения составляет не более 2мА, а для медицинского не более 0,1мА. Емкость СY конденсаторов варьируется от 470пФ до 10000пФ, на рабочее напряжение 3кВ. Какая бы не была емкость СY конденсаторов, полностью убрать помехи невозможно, можно только их уменьшить. Для однофазной питающей сети с номинальным напряжением до 250В используются конденсаторы класса Y2 , которые выдерживают импульсы до 5кВ. Увеличение емкости конденсаторов CY улучшает фильтрацию синфазных помех, но увеличивает ток утечки.

С X 1, CX 2, CX 3-к онденсаторы X типа предназначены для подавления противофазной составляющей помехи. Задача СХ конденсаторов не пропускать помехи из внешней питающей сети в (ИБП), а так же не выпускать помехи, созданные самим (ИБП) во внешнюю питающую сеть.

Сопротивление конденсаторов CX уменьшается с ростом частоты, следовательно, помехи и резкие скачки напряжения шунтируются (закорачиваются) на входе и выходе сетевого фильтра. Емкость СX конденсаторов варьируется от 0,1мкФ до 1мкФ и зависит от мощности (ИБП). Какая бы не была емкость СХ конденсаторов, полностью убрать помехи невозможно, можно только их уменьшить. Для однофазной питающей сети с номинальным напряжением до 250В используются конденсаторы класса Х2 , которые выдерживают импульсы до 2,5кВ. К конденсаторам типа СХ предъявляются высокие требования по безопасности. Они должны выдерживать максимально возможные всплески напряжения в питающей сети, не должны загораться и поддерживать горение. Увеличение емкости конденсатора CX улучшает фильтрацию дифференциальных помех, но приводит к увеличению реактивного тока.

L Y 1- синфазный дроссель используются для подавления синфазных помех. Он выполнен на тороидальном ферритовом сердечнике с достаточно высокой магнитной проницаемостью (μ) и имеет две идентичные обмотки (рис. 5).

Рис.5 Схема синфазного дросселя.

В случае появления синфазных токов помех, магнитные потоки обоих обмоток складываются, т.к. обмотки дросселя оказываются включенными последовательно с шинами питания фазой (L) и нулем (N) питающей сети. Входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов помех и значительному снижению амплитуды шумового сигнала. Индуктивное сопротивление XL растет с увеличением частоты синфазных помех: XL=2πfL, f-частота помех, L-индуктивность включенных последовательно обмоток дросселя.

Когда через обмотки протекают дифференциальные токи помех, они индуцируют низкочастотные магнитные поля, которые при таком включении имеют противоположные направления и взаимно компенсируют друг друга.

Таким образом, обмотки дросселя для синфазной составляющей помехи имеют большое индуктивное сопротивление, поскольку для синфазного тока они включены согласно. В то же время для противофазной составляющей помехи индуктивное сопротивление обмоток минимально, так как для противофазного тока они включены встречно.

Индуктивность синфазного дросселя LY определяется многими параметрами и лежит в диапазоне от 10мГн до 0,47мГн при токе потребления от 1A до 10A . Начальная магнитная проницаемость сердечника μ i = 6000-10000. Размеры ферритового сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов. Увеличение индуктивности синфазного дросселя улучшает фильтрацию, но приводит к увеличению активного сопротивления обмоток.

L X 1- Z –образный дроссель предназначен для подавления противофазных (дифференциальных) помех. Дроссель имеет две одинаковые обмотки намотанных сонаправленно, на тороидальном ферритовом сердечнике с зазором или магнитодиэлектрическом сердечнике из распыленного железа (Iron powder core) (рис. 6).

Рис.6 Схема Z –образного дросселя.

Индуктивность Z-образного дросселя LX зависит от многих параметров и лежит в диапазоне от 270мкГн до 47мкГн при токе потребления от 1А до 10A. Сердечник из распыленного железа может быть серии DT68-DT106. Размеры сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов.

L1, L 2 - ВЧ дроссели обеспечивают дальнейшее ослабление высокочастотных помех. Включаются последовательно с шинами питания фазой (L) и нулем (N) питающей сети на выходе сетевого фильтра. Содержат мало витков и выполняются на ферритовых кольцах с малым значением магнитной проницаемости μ. Их применение позволяет расширить диапазон частот эффективного подавления помех фильтром до 50-60МГц. Индуктивность ВЧ дросселей лежит в диапазоне 5-10 µH и зависит от частоты ослабления ВЧ помех. Размеры сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов.

R2, R 3 - резисторы уменьшают добротность L1, L2 для устранения резонансных явлений.

RK 1 – терморезистор (NTC термистор) предназначен для ограничения броска тока при включении (ИБП) в питающую сеть. Термистор - полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры. Термисторы бывают двух типов: с положительным и отрицательным температурным коэффициентом. У термистора с положительным коэффициентом при повышении температуры сопротивление возрастает, а с отрицательным коэффициентом - уменьшается. Их сокращённые названия на английском языке: PTC (positive temperature coefficient ) и NTC (negative temperature coefficient ).

Термистор включается последовательно с одной из шин питания фазой (L) или нулем (N) питающей сети. NTC термистор, при температуре окружающей среды, имеет сопротивление в несколько Ом. В момент включения (ИБП) в питающую сеть, конденсатор выпрямителя заряжается, поэтому представляет собой короткозамкнутую нагрузку. В цепи питания происходит бросок тока, но термистор поглощает его, превращая в тепло. Далее термистор разогревается, его сопротивление падает почти до десятых долей Ома и он не влияет на работу устройства. Происходит так называемый мягкий пуск.

Термистор является инерционным элементом. Фактически при кратковременном отключении питания и повторном пуске, термистор не работает как элемент защиты, т.к. полностью восстанавливает свои свойства только через 5-10 мин. Температура термистора в рабочем состоянии, когда его сопротивления близкого к нулю, может доходить до 250 градусов.

R1 – резистор обеспечивает быстрый разряд конденсаторов СX при отключении сетевого кабеля от питающей сети и необходим для безопасного обращения с устройством.

FV 1-разрядник предназначен для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях . Разрядник состоит из электродов с искровым промежутком между ними и дугогасительного устройства. Один из электродов присоединяется к защищаемой цепи, другой - заземляется. Когда к такому устройству прикладывается высокое импульсное напряжение со скоростью около 1 кВ/мкс, возникает разряд. Чем меньше скорость нарастания фронта, тем выше должно быть напряжение, "зажигающее" разряд. Через такое устройство может проходить импульсный ток до 100кА. Несмотря на отличную способность снижать напряжение, разрядник имеет время реакции от сотен наносекунд до единиц микросекунд, что в десятки раз медленнее по сравнению с варисторами. Применение данных устройств актуально, где есть опасность прямого удара молнии в провода питающей сети или высоковольтных источниках питания, где есть вероятность попадания высокого напряжения на шины (L) или (N) питающей сети.

RU 1 - варистор защищает цепи от импульсных бросков напряжения или увеличивает скорость срабатывания плавкого предохранителя. Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко изменяется при изменении приложенного напряжения выше номинального.

Варистор включается на входе сетевого фильтра параллельно входному сетевому напряжению 220В и фактически постоянно находится под этим напряжением, однако ток в этом состоянии через варистор очень мал т.к. его сопротивление в этом случае сотни МОм. В случае возникновения высоковольтного импульса напряжения способного вывести из строя (ИБП), варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление до десятков Ом, то есть шунтирует (закорачивает) цепь питания, ток в этом состоянии может достигать нескольких тысяч ампер, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла. Варистор не обладает инерцией, поэтому после поглощения импульса он мгновенно восстанавливает свои свойства.

Одного варистора может быть не достаточно в случае аварии на линии электроснабжения, когда вместо фазы и нуля по обоим проводам подали фазу. Для защиты от такого рода аварий целесообразно включать в схему нескольких варисторов, как показано на (рис.7).

Рис.7 Схема защитного треугольника на варисторах.

Эта схема из трех варисторов на входе сетевого фильтра надёжно блокирует проникновение импульса не только по фазовой цепи (L), но и по цепи нуля (N). Варистор RU1 подключается между фазой и нулевым проводником. Он осуществляет основную защиту. Два других RU2 и RU3 подключаются между фазой (L) и землей (Gnd), а так же между нулем (N) и землей (Gnd). Принцип работы RU2 аналогичен, описанному выше RU1. Варистор RU3 контролирует напряжение между нулем (N) и землей (Gnd). Если всё нормально, напряжения быть не должно или оно крайне мало (единицы вольт). В случае появления большого напряжения на проводе (N), как правило, фазы (L), варистор RU2 благополучно зашунтирует защищаемый блок.

VD 1-защитный диод TVS (Transient Voltage Suppressor) или супрессор обеспечивает подфильтровку остаточных перенапряжений, которые пройдут через варисторы, без заметных выбросов на шину заземления. Так как емкость варисторов составляет не менее 1000пФ, то они не позволяют фильтровать высокочастотные выбросы выше 100МГц. В таких случаях лучшим решением является применение быстродействующего супрессор-диода. Принцип работы супрессора основан на ярко выраженной нелинейной вольтамперной характеристике. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа, то он перейдет в режим лавинного пробоя, т.е. импульс напряжения будет ограничен до нормальной величины, а излишки уйдут на землю (GND). Отличительной чертой супрессоров является очень короткое время реакции на превышение напряжения, скорость переключения лежит в пикосекундном диапазоне. Супрессоры выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двухполярным напряжением, а несимметричные только с напряжением одной полярности. В маркировке супрессора 1.5КЕ400СА зашифрованы основные его характеристики. 1,5- Мощность 1500Вт; 400-напряжение пробоя 440В; С-двунаправленный (без буквы однонаправленный); А- допустимое отклонение напряжения 5%. Симметричный защитный диод 1.5КЕ440СА можно заменить двумя такими же однополярными (без индекса СА), включенным встречно. Для надежной защиты сетевого фильтра и входных цепей (ИБП) супрессоры включаются по схеме защитного треугольника, как и варисторы (рис. 7).

Для защиты от внешних индуктивных помех применяют экранирование, как всего (ИБП), так и отдельно сетевого фильтра. Экранирование выполняется за счет использования металлического корпуса, с обязательным соединением с шиной заземления . Это препятствует распространению излучаемых электромагнитных помех за пределы корпуса (ИБП), а так же подавляет внешние электромагнитные помехи, воздействующие на (ИБП).

Применение высокоэффективных индуктивно-емкостных помехоподавляющих фильтров позволяет обезопасить оборудование от вредного влияния входящих помех, а так же снизить исходящие помехи, которые генерируются внутри самого оборудования. Использование фильтров подавления (ЭПМ) - одно из основных требований по электромагнитной совместимости современного оборудования.

Компания Лазер-блок является производителем высоковольтных блоков питания для лазерных станков с СО2 излучателями. В выпускаемых нами блоках питания для лазерных станков , или как их еще называют, блоки розжига для лазера , мы используем только высококачественные электронные компоненты, которые закупаем со всего мира, а так же используем и отечественные аналоги, которые славятся своим запасом прочности. Наши инженеры постоянно проводят исследования в лаборатории, внося корректировки в схемы.

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?

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.

Под импульсными наводками понимаются различные виды помех, создаваемых скачками постоянного или переменного напряжения или тока, происходящими в любых цепях и приборах. К импульсным наводкам относятся:

непосредственная наводка видеоимпульсов;

ударноевозбуждениевысокочастотных устройстввидеоимпульсами или прохождение через них спектра частотвидеоимпульсов, получающихсявспециальныхгенераторах, подсобных цепях различных устройстви телевизорах;

ударноевозбуждениевысокочастотных устройств, возникающее при работе коллекторных моторов, реле, выключателей, телефонных аппаратови другой контактнойаппаратуры;

ударноевозбуждениевысокочастотных устройстввидеоимпульсами, получающимися в результате детектирования импульсов высокой

частоты в перегруженных усилительных каскадах и в других нелинейных сопротивлениях.

Источники и пути прохождения таких наводок были рассмотрены в § 1-7, 1-8, 1-9, 1-10, 1-11, 1-12.

Первым этапом работы по подавлению импульсных наводок является выяснение конкретных их источников и путей связи с приемником наводок.

Для этого необходимо:

а) Поочередно выключать всевозможные цепи и части устройств до полного исчезновения помехи или ее уменьшения.

б) Уменьшать крутизну скачков, подключая сглаживающие фильтры к различным точкам, в которых наблюдаются скачки, добиваясь этим уменьшения наводки и измененияформынаводимогоимпульса.

в) Увеличивать длительность импульсов в различных цепях, наблюдая, как они искажаются на выходе приемника наводки с тем, чтобы выяснить, не происходит ли их дифференцирование или интегрирование (если они поступают непосредственно на видеоусилитель) или разделение на два (если они проходят через усилитель высокой или промежуточной частоты и де-

тектор), рис. 1-18 и1-29.

г) Выключать в приемнике наводки последовательно, начиная от входа (антенны), различные каскады и другие цепи, добиваясь исчезновения наводки.

д) Шунтировать конденсатором большой емкости с короткими выводами различные цепи, по которым может передаваться наводка, и добиваться ее

уменьшения.

В результате первого этапа работы должна быть составлена четкая схема, хотя бы одного канала связи, по которому проходит помеха. При этом должны быть известны источник наводки, его выход, цепи связи, вход приемника, цепииметодыпрохожденияимпульсавприемникенаводки.

Вторым этапом работы является внесение в прибор изменений, необходимых для подавления наводки. При этом нужно иметь в виду, что в зависимости от характера импульсных наводок они подавляются следующими способами.

Для подавления наводки от видеоимпульсов и других скачков постоянного напряжения, поступающих непосредственно на видеоусилители, усилители низкой частоты и другие устройства без резонансных усилителей высокой частоты по одной из схем рис. 1-28, необходимо ввести дополнительные детали, ослабляющиесвязьмеждуисточником и приемником наводки

2. Наводка от стробирующих видеоимпульсов, подаваемых на усилители высокой частоты для управления усилением, получается вследствие резких скачков анодного тока управляемых ламп, приводящих к ударному возбуждению контуров усилителя. Для подавления такой наводки необходимо снижать крутизну краев стробирующих импульсов. Если такое сглаживание управляющего импульса недопустимо, то единственным способом подавления наводки будет применение в управляемых каскадах усилителя высокой частоты двухтактных схем сподачей стробимпульсанасреднюю точку сеточнойобмоткитрансформатора.

3. Все другие виды ударного возбуждения усилителей высокой частоты (радиоприемников) видеоимпульсами и любыми скачками постоянного напряжения возникают большей частью путем проникновения помех на входные цепи усилителя (антенну) вместе с полезными сигналами. Подавление таких наводок производится у источника в первую очередь включением фильтров в цепи питания источника наводки и экранированием в

нем сети питания, как разобрано в предыдущем параграфе.

В редких случаях близкого расположения источника подобной наводки с ее приемником (на расстояниях 1 м и менее), кроме фильтров, может понадобиться полное экранирование источника помещением его в металлический кожух (например, экранирование реле, находящегося у антенного ввода радиоприемника) или частичное экранирование внутренних элементов источника (например, экранирование графитового покрытия электроннолучевой трубки в телевизорах, рекомендуемое в литературе

туре.

4. При подавлении наводки высокочастотных импульсов, поступающих на усилитель высокой частоты, не настроенный на несущую частоту импульсов, необходимо, чтобы в элементах приемника наводки не происходило детектирования мешающих импульсов, т. е. чтобы приемник наводки не перегружался и работал в линейном режиме. Для этого нужно снижать напряжение помехи в цепи, находящейся перед первым нелинейным элементом приемника (лампой или полупроводниковым детектором). Избирательность преселектора, состоящего из одного или двух контуров, оказывается недостаточной при подаче на него высокочастотных импульсов большоймощности.

Если радиоприемник заново проектируется для совместной работы с мощными импульсными генераторами высокой частоты, то он должен быть снабжен специальным многоконтурным преселектром, обеспечивающим большое ослабление сигналов любых частот, кроме входящих в полосу пропускания приемника. Если же требуется приспособить готовый радиоприемник дляуказанной цели, то можно получить хороший результат, если добавить в вод антенны одноили двухячеечный фильтр, рассчитанный на ослабление несущей частоты мешающих импульсов.

Трудности в разработке такого фильтра заключаются в том, что он должен одновременно удовлетворять двум требованиям: не ухудшать показатели приемника и давать достаточно большое ослабление помехи. Если мешающие импульсы имеют весьма высокую несущую частоту, то достаточно незначительной емкостной связи внутри приемника между любыми проводами, входящими в приемник извне, и деталями высокочастотной части приемника, чтобы мешающий импульс поступил помимо преселектора или ан-

тенного фильтра. Поэтомув приемниках, работающих в таких условиях, необходимо иметь фильтрующие ячейки в местах ввода любых проводов, включая телефонный шнур в приемнике радиосвязи.

5. Уровень ударного возбуждения высокочастными импульсами весьма невысок (§ 1-10 и 1-11). Поэтому такая помеха поступает на приемник наводки только через антенный ввод на тех же частотах, что и полезные сигналы. Единственным способом подавления этой наводки является ограничение спектра частот, излучаемого импульсным генератором высокой частоты.

4-9. ПРИМЕНЕНИЕ ДВОЙНЫХ ЛАМП

Среди собранных в одном баллоне двойных ламп имеется большое число триодов (буква Н на втором месте условного обозначения) и несколько типов триод-пентодов (букваФ на втором месте условного обозначения). Конструкции отдельных типов двойных ламп выполнены различно. В некоторых типах ламп между частями лампы имеется экран с отдельным выводом, в других конструкциях экран соединен с одним из катодови

в третьих - экран отсутствует вовсе.

В технических условиях на двойные лампы большей частью оговаривается емкость между анодами или между анодом одной половины и сеткой другой половины. Величина этих емкостей колеблется в пределах 0,02- 0,5 пф в зависимости от типа лампы. Они являются звеном, связывающим цепи, в которые включены различные половины одной лампы. В технических условиях на некоторые типы двойных ламп величины связывающих емкостей не оговорены вовсе. При этом они могут быть довольно велики и могут изменяться от экземпляра к экземпляру в широких пределах.

Кроме емкостной связи, между отдельными частями двойной лампы может существовать связь за счет электронного потока, проникающего через щели и отверстия в конструкции лампы из одной половины на электроды другой половины. Этот вид связи техническими условиями не предусмотрен, хотя иногда и может оказаться недопустимым.

В результате разбора влияния обоих видов связи можно дать следующие рекомендации по применению двойных ламп. Лучше всего такие лампы работают в схемах с сильной связью обеих частей друг с другом: мультивибраторы, кипп-реле, триггеры, блокинг-генераторы с пусковой лампой, двухфазные и двухтактные усилители, преобразователи частоты, состоящие из смесителя и гетеродина, и т. д. Хорошо работают двойные лампы в двух соседних усилительных каскадах на не очень высоких частотах. При ис-

Применение двойных ламп в двух разных каналах радиоприбора в принципе нежелательно и к нему следует прибегать только в случаях крайней необходимости. При этом следует сравнить уровни переменных напряжений и мощностей в обоих совмещаемых элементах. Чем меньше отличаются друг от друга эти уровни, тем более вероятно, что применение двойной лампыпройдет безболезненно.

ными проводами также представляет собой СВЧ резонансный контур, настроенный емкостью сетка- катод.

Оба контура связаны через емкость сетка - экранирующая сетка Сg1,2 , играющую здесь роль проходной емкости.

Таким образом, схема цепей катода, эк- Рис. 4-23. Генерация усилительного ранирующей и управляющей сеток экви-каскада на СВЧ.

валентна схеме генератора на триоде со связью через внутриламповую проходную емкость. При благоприятном (с

возникаетгенерация.

Возникнув в промежуточных каскадах, эта генерация может явно не проявиться, а повлиять на такие обычно редко контролируемые параметры, как анодный ток отдельных ламп, линейность амплитудной характеристики т. д. Иногда эта же генерация, изменяя режим работы усилителя, может послужить причиной обратных связей по основной частоте. С уничтожением такой генерации одновременно пропадет искажение частотных характеристик усилителя.

роткихволн.

Такую же схему двухтактного генератора СВЧ легко увидеть в схеме катодного повторителя с параллельным выключением ламп, если учесть индуктивности и емкости соединительных проводов между анодами и между сетками.

Несколько легче обнаруживается генерация на СВЧ в мощных усилительных каскадах низкой частоты по свечению неоновой лампы. Для проведения такого эксперимента лампочку небольших размеров прикрепляют к

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