Рисунок 1
На рис.1 показано RC звено такого фильтра.
Его характеристики:
Fc = (6,28 RC)-1 - частота среза по уровню 3дб,
V2 = V1 (Xc/Z) - ослабление звена фильтра.
Рисунок 2
На рис.2 показано LC звено такого фильтра.
Его характеристики:
Fc = 1/(3,14 (LC) 1/2)- частота среза по уровню
3дб,
V2 = V1 (Xc/Z), - ослабление звена фильтра.
В схемах электронных устройств обычно применяются несколько звеньев
RC или LC Г-образных фильтров, поэтому они эффективно подавляют помеху в
цепях питания.
Рисунок 3
В качестве примера, на рис.3 показана примерная схема такого фильтра применяемого в радиоприемных устройствах. Здесь резисторы R1, R2, R3 Г-образного фильтра, выбираются не только исходя из эффективности подавления помех, но и из условия подачи на узлы 1 - 3 необходимого питающего напряжения. Такие фильтры применяются в аналоговой аппаратуре и от них зависит качество ее работы.
Немаловажный фактор! Применение этих фильтров не только существенно улучшает характеристики тракта, но грамотно спроектированный фильтр позволяет существенно продлить срок службы элементов питания портативных устройств. У которых при выработке ресурса начинает увеличиваться внутреннее сопротивление, что приводит к сильной зависимости от потребляемого тока напряжения питания устройства (на рис.3 - Е)
В высокочастотных цепях с рабочими частотами до 30 МГц, в
связи с потерями в резисторах RC Г-образных фильтров и их
низком сопротивлении (это приводит к ухудшению фильтрации)
вместо резисторов применяют дроссели. Причем на частотах до
20-30 МГц с ферримагнитными сердечниками, и без сердечников
- на более высоких частотах. Пример такого фильтра приведен
на рисунке 4.
Рисунок 4.
Эти фильтры обладают одной особенностью. Дросселя как любые
катушки индуктивности обладают индуктивной связью
(взаимоиндукцией) и в случае их расположения в цепочку при
близком расположении именно с помощью индуктивной связи
возможно появление канала распространения помехи с выхода
устройства на его вход.
Для того чтобы такого канала не возникало, надо принимать
специальные меры.
Это расположение дросселей во взаимно перпендикулярных
направлениях или экранирование узлов.
Обратите внимание, неграмотно спроектированные звенья такого фильтра могут резонировать, често создавать ситуацию когда помеха не только не подавляется, но и усиливается.
Все показанные выше фильтры предназначены для
фильтрации питающего напряжения поступающего к узлам
устройства.
Существует категория устройств, которую необходимо не только питать качественным напряжением, но поскольку эти устройства сами генерируют помеху, еще и защищать их от взаимного проникновения этой помехи по цепям питания. Это дискретные устройства.
Известна формула:
U=L (di/dt)
Согласно ей даже на одном вентиле логических
микросхемах TTL, где ток переключения составляет только 4
мА, (время переключения 10 нсек) и принятыми мерами индуктивность разводящих
проводников сведена к величине 0,5 10 -6 Гн
генерируемое напряжение помехи составляет 0,2в. При ее
высокочастотной границе около 100 МГц. Эта помеха
суммированная от нескольких корпусов приводила к
неустойчивости работы всего узла.
Решение проблемы не заставило себя ждать.
Разработчики на каждой плате (узле) дискретного (цифрового устройства) стали ставить один оксидный конденсатор и на 1-5 корпусов микросхем по керамическому конденсатору. Дополнительно к описанным в разделе 1 фильтрам. Это известное всем работающим с дискретной техникой решение.
О механизме генерации помехи сверх большими дискретными микросхемами можете почитать . Применяя разные меры по их минимизации с ними более или менее успешно боролись вплоть до процессоров Intel Pentium 166 - FV80502166. Главным результатом этой борьбы была стабильная работа процессора.
Что собой представлял этот процессор?
Частота -166 MHz, Частота шины - 66 MHz, Технологический
процесс
- 0.35 мкм, 3.3 миллиона транзисторов,
Мин/Стандарт/Макс мощность потребления - 2.1 / 5.4 / 15.3
Вт, TDP = 14.5 Вт, Год производства 1996.
Именно для снижения уровня помех генерируемых этим процессором Intel была вынуждена поставить на держатель кристалла первые восемь конденсаторов дополнительного фильтра.
Почему вдруг помехи возникли?
Они не возникли, они были всегда, даже на самых простых
дискретных микросхемах, как было показано выше. И до этого
процессора, их проблему решали снижая индуктивности линий
распределения питания (оптимизируя взаимное положение
процессора и источника питания и разводку на системной
плате), применяя оксидные конденсаторы в фильтре источника
питания процессора с меньшими индуктивностями. Но в конце
концов наступил момент когда ранее применявшиеся решения уже
не давали необходимого эффекта.
Что это за условия?
Все это позволило говорить новой категории, о мощности генерируемых помех. При сохранении помехи и воздействии ее на процессор и другие узлы системной платы появилось и чисто энергетическое ее воздействие. Порядок ее величины можно оценить в диапазоне от 3,8 Вт до 1,5 Вт.
С этого момента началась борьба с энергетической составляющей генерируемой помехи.
В двух словах, к чему приводят помехи генерируемые процессором (подробнее )?
Помехи генерируемые процессором, в отличии от простой дискретной логики, имеют большую мощность, в неблагоприятных случаях она может достигать 0,5 мощности потребляемой процессором. Практически зарегистрированная мощность составляла 0,25 P процессора. Их воздействие имеет как тепловую составляющую (на элементы процессора, системной платы) так и электромагнитную. Последняя в виде помехи распространяющейся по линиям распределения питания процессора и системной платы. Не смотря на все меньшие токи переключения, их мощность и максимальная частота растут, первое обусловлено ростом числа транзисторов помехи генерируемые при переключении которых суммируются, а второе их быстродействием. А все вместе - синхронным режимом работы процессора.
Возвращаемся к фильтрам.
Учитывая специфику генерируемой помехи,
f мах.пом =1/t фр
их (помех) максимальная частота выше тактовой частоты процессора. Поэтому фильтроваться существующими фильтрами имеющимися в цепи питания они не могут, по причине других задач стоящих перед этими фильтрами. Вот и начали множится, с этого времени, дополнительные конденсаторы на держателе процессора и под ним. Их комбинации меняются даже если просто увеличивают тактовую частоту процессора.
Но это только частное решение, не обеспечивающее стабильность работы компьютера. Признаки этого плохая разгоняемость процессора и нагрев оксидных конденсаторов фильтра в цепи питания процессора.
И так, первый опыт подавления помехи генерируемой процессором - установка дополнительных конденсаторов.
Более сложные решение в разные времена применяли AMD и Intel.
AMD вводит новое понятие - «электромагнитной интерференции на кристалле». Ее влияние снимает введением дополнительного медного слоя и дополнительных фильтрующих конденсаторов на кристалл процессора Thoroughbreg ревизии B , что привело к увеличению фактической тактовой частоты от 14,4% до 26%, при увеличении тепловыделения на 7,9% и увеличении площади кристалла на 5%. При этом за счет увеличения физической тактовой частоты шины до 166 МГц реальная производительность возросла от 17,6% до 27,2% при сохранении всех прочих характеристик и структуры процессора.
Intel на процессоре Xeon применяет схему фильтрации описанную в
"Intel® Xeon™ Processor Multi-Processor Platform Design Guide"
, Intel
, 2002 г. (25039702.pdf
). Приведем ее в
более наглядном виде на рис. 5
Рисунок 5.
Рисунок 6.
На рисунке 6 хорошо видны конденсаторы на панели процессора, это C3, С8 и С4, С9.
С1, по данным описания, стоит на процессоре и как написано там имеет индуктивность равную НУЛЮ?
На первый взгляд фильтр должен работать, X L13 на частоте генерируемой помехи 13-15 ГГц имеет незначительную величину по сравнению с ESR .
Но!
Берем известную формулу:
F= 1/ 2π(LC) -1\2
И получаем резонансную частоту цепочки L13 C9 (без учета ESL C9) около 26 МГц, что означает, на частотах выше резонансной цепочка представляет собой индуктивность. Это звено работает только до приблизительно 24 МГц. А с учетом ESL эта частота, в лучшем случае, снижается до 7,9 МГц! Вот это фильтр!
Вернемся к C1.
Можно согласиться с авторами "Проектных требований" - индуктивность плоского конденсатора стремится к нулю, но она не может быть меньше индуктивности обкладок конденсатора. Поскольку она имеет линейные размеры, а всякий проводник имеющий линейные размеры имеет свои L и C. Самое главное, что разводка (тоководы) от C1 к ядру и другим узлам процессора имеет индуктивность хоть и меньше одного из 150 проводников, включенных параллельно и образующих L13, но в любом случае в несколько раз больше ее.
По моим прикидкам резонансная частота С1 с внутренними индуктивностями тоководов на кристалле составляет от 12 до 20 МГц.
Это тоже называют фильтром!
Данный фильтр работает, но в весьма ограниченном диапазоне частот.
Как работают конденсаторы в фильтрах и ограничения накладываемые на их применение конструкцией кратко описано в статье "Свойства конденсатора и их влияние на его применение" .
Решение проблемы не только помехоустойчивости, но и снижения мощности генерируемых помех и их теплового воздействия на элементы процессора на основе патента №2231899 . рассмотрим далее в части 2.
А. Сорокин
Для чего нужны сетевые фильтры? Почему их установка спасает бытовые электронные приборы? Насколько необходим этот прибор в сети переменного тока? И, вообще, сетевой фильтр – что это такое? Эти вопросы сегодня волнуют многих обывателей, которые столкнулись с проблемой некорректной работы бытовых приборов и даже полным отключением их в некоторых ситуациях. Поэтому поговорим об этом приборе и разберемся в его функциональности, заодно ответим на вопрос, зачем нужен сетевой фильтр?
Из школьного курса физики известно, что ток переменного типа в сети дома является синусоидальным. То есть, сила тока и его напряжение меняются по синусоиде, где центральная ось, вокруг которой происходят колебания, это время. Эти колебания симметричные. Так вот за 1 секунду разница значений напряжения попадает в предел от +310 В до -310 В. И этих колебания за секунду происходит 50 раз, что и является напряжением 220 В. 50 колебаний измеряются герцами. Кстати, в зарубежных сетях этот показатель равен 60 герцам.
Конечно, симметрия колебаний – это идеал, до которого нашим сетям далеко. Скачки, импульсы, искажение синусоиды по длине и высоте – это всего лишь малая часть того, что творится в наших сетях переменного тока. Конечный результат такой чехарды – выход из строя бытовой техники. Чаще всего от этого страдают телевизоры, компьютеры, музыкальные центры, радиотелефоны и прочие.
Что же является причинами искажения синусоиды?
То есть, получается так, что любое искажение синусоиды – это, по сути, комплекс других синусоид, которые имеют свою амплитуду и размеры. Оптимальный же вариант – это одна синусоида с определенной частотой волны и ее амплитудой. В данном случае частота должна быть 50 герц, а амплитуда 310 вольт. Все остальные амплитуды необходимо просто погасить.
Все помехи, о которых было описано выше, поддаются математическим объяснениям. Поэтому с ними легко справиться. Но есть и другие, которые не поддаются прогнозированию. Это так называемые импульсные помехи, а точнее сказать, броски напряжения, которые могут возникнуть в любой момент. Во-первых, они краткосрочные. Во-вторых, при их появлении резко вырастает напряжения до высоких величин, что негативно сказывается на техническом состоянии бытовой техники.
Импульсные помехи необходимо подавить. Именно для этого и используются сетевые фильтры.
Схема сетевого фильтра достаточно проста. Для того чтобы понять, как работает этот прибор, необходимо понять, как можно погасить скачкообразные помехи в сети. К примеру, резисторы. Сопротивление этих приборов не зависит от силы тока, который проходит через них. Но вот индуктивность и емкость прямо пропорциональны току. То есть, получается так, что чем выше сила тока и напряжение, тем больше вырастает сопротивление катушки индуктивности.
Это качество и применяется в фильтрах для подавления краткосрочных скачков напряжения с большой ее величиной. Для этого всего лишь необходимо установить две катушки индуктивности в фазный и нулевой проводник. Кстати, их индуктивность может располагаться в достаточно широком диапазоне от 60 до 200 мкГн.
Что касается резисторов, то их тоже можно устанавливать в сетевой фильтр для компьютера или телевизора.
Внимание! Нельзя в сетевых фильтрах использовать резисторы с большим сопротивлением. Это может повлиять на само напряжение, а точнее сказать, на его падание. Так что максимальное сопротивление резисторов – 1 Ом.
Специалисты считают, что среди всех предлагаемых моделей на сегодняшний день эффективными являются сетевые фильтры LC. Все дело в том, что в их конструкции кроме катушек индуктивности установлены и конденсаторы. Кстати, их емкость варьируется в пределах от 0,22 до 1,0 мкФ. При этом необходимо учитывать, что напряжение конденсатора должно быть почти в два раза выше напряжения сети. Это запас на случай высокого скачка.
Зачем такая сложная схема?
Возвращаемся к импульсным помехам. Их можно гасить с помощью специального полупроводникового элемента – варистора. По сути, это резистор, который в штатном режиме, то есть, при низком напряжении, обладает высоким сопротивлением и ток через себя не пропускает. Как только ток в сети поднимается до номинала (470 В) вариатора, он сбрасывает сопротивление и пропускает ток.
Итак, подведем итог. Сетевой фильтр для компьютера или другого бытового электронного прибора в своей конструкции должен содержать:
Внимание! Все элементы необходимо строго подбирать под нагрузку в сети. То есть, номинальный ток элементов подгоняется под потребляемую мощность бытового прибора. Это важно будет для тех, кто решил провести сборку сетевого фильтра своими руками.
Во-первых, начнем с того, что для таких бытовых приборов, как электрический чайник, плита, фен, утюг и прочие, то есть, для мощных агрегатов, скачки напряжения, а тем более импульсное искажение напряжения, не являются помехами. На их корректную работу они не влияют, и качество эксплуатации от этого не страдает. То есть, сетевые фильтры им не нужны.
А вот всем остальным приборам (телевизорам, компьютерам, музыкальным центрам и так далее) фильтр необходим. Правда, все перечисленные аппараты потребляют мизер энергии, так что небольшой прибор в несколько ампер будет достаточным.
Кстати, необходимо отметить, что основная масса используемых в быту фильтров, как таковыми не являются. Все дело в конструкции, в которой установлен всего лишь варистор, да небольшой контактный выключатель, он отключает сеть при высоких показателях напряжения. По сути, это обычная биметаллическая пластина. Сделать из этого прибора настоящий фильтр не проблема. Придется вооружиться паяльником и приобрести необходимые детали.
Внимание! Учтите, что катушки с большой емкостью, предназначенные для больших нагрузок, являются деталями громоздкими и дорогими. Поэтому их использовать в бытовых фильтрах нет необходимости.
Итак, вопрос, как выбрать сетевой фильтр, встречается достаточно часто. Поэтому есть необходимость разобрать основные критерии выбора и определить, какой сетевой фильтр лучше.
Выбор сетевого фильтра также зависит от того, где он будет использоваться. То есть, дома, в офисе или на производстве. Если говорить о домашних моделях, то это компактные устройства с пятью розетками. Некоторые производители устанавливают и общий выключатель, и отдельные выключатели к каждой розетке, что очень удобно. Есть фильтры и с шестью розетками, в которых шестая – это розетка под нестандартные адаптеры.
Итак, в этой статье было рассмотрено несколько вопросов, которые касались сетевых фильтров. И основной из них – что такое сетевой фильтр? Конечно, для многих обывателей теоретическая часть, наверное, была не интересна. Хотя некоторые позиции являются основополагающими, и знать их надо. А вот вопрос, как выбрать сетевой фильтр – самый важный для обычных потребителей. Поэтому возьмите его на вооружение, когда пойдете в магазин. И последнее. Сетевые фильтры – простая необходимость. Отказываться от этих приборов не стоит.
Похожие записи:
Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.
| 1. Ёмкость | 2. Г-образный | 3. Т-образный | 4. П-образный |
 |
 |
 |
Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой ёмкости, шунтирующего нагрузку (сопротивление нагрузки). Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие: 1 / (ωС)
Во время действия синусоидального сигнала, когда напряжение на диоде выпрямителя прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к максимальному. Когда напряжение на выходе диодного выпрямителя оказывается меньше напряжения заряда конденсатора, конденсатор разряжается через нагрузку R н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается по мере разряда конденсатора через нагрузку. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.
Чем больше емкость С и сопротивление нагрузки R н , тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе среднее значение выходного напряжения U ср к максимальному значению синусоиды U max . Если нагрузку вообще отключить, то в режиме холостого хода на конденсаторе получится постоянное напряжение равное U max , без всяких пульсаций.
Работа простейшего сглаживающего фильтра на конденсаторе в цепи однополупериодного выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:
Красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающего конденсатора, а синим – при его наличии.
Если пульсации должны быть малыми, или сопротивление нагрузки R н мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т.е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится использовать более сложный сглаживающий фильтр.
Работа сглаживающего Г-образного фильтра на конденсаторе и дросселе в цепи двухполупериодного мостового выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:
Как и в примере с однополупериодным выпрямителем, красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающих элементов (конденсатора и дросселя), а синим – при их наличии.
Логично следует, что чем больше ёмкости и индуктивности фильтров, и чем больше в нём реактивных элементов (сложнее фильтр), тем меньше коэффициент пульсаций такого выпрямителя.
В качестве сглаживающих конденсаторов используются электролитические конденсаторы. Чем больше ёмкость, тем лучше. Кроме того, для надёжности, конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в полтора-два раза превышающее выходное напряжение диодного моста.
К описанному в статье, следует добавить важную информацию, используемую для конструирования источников (блоков) питания постоянного тока:
1. Любой p-n переход, любого полупроводникового прибора, в том числе диода имеет характеристику – падение напряжения на переходе. Это напряжение обычно указывают в справочниках. Для германиевых диодов оно может быть от 0,3 вольт до 0,5 вольт, а для кремниевых диодов – от 0,6 вольт до 1,5 вольт.
Это значит, что если мы возьмём трансформатор с выходным напряжением 6,3 вольта, выпрямим его однофазным двухполярным мостовым выпрямителем (диодным мостом) у которого на каждом диоде по справочнику падает по 1 вольту (U пр. = 1 В), то на выходе выпрямителя мы получим всего лишь 4,3 вольта. Напряжение в 2 вольта «потеряется» на 2-х диодах по пути прохождения тока. Начинающие радиолюбители обычно этого не учитывают, потому и недоумевают, почему на выходе маленькое напряжение.
2. Переменный электрический ток измеряется приборами, которые, как правило, показывают его среднее значение, а не максимальное. Максимальное значение переменного напряжения это – значение электрического напряжения соответствующее его максимальному значению синусоиды.
Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению: U ср = U max / π = 0,318 * U max
Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению: U ср = 2 U max / π = 0,636 * U max
Значение среднего напряжения - 0,636 за счёт особенностей конструкции измерительных приборов округляется и принимается равной 0,7.
3. Исходя из изложенного выше, можно сделать вывод, который справедлив в том случае, когда нагрузка на блок питания маленькая. Обратите внимание на рисунки ниже.
Выходное напряжение выпрямителей с фильтром питания:
а) с большой нагрузкой:
б) с маленькой нагрузкой:
Эти рисунки поясняют, что при малой нагрузке выходное напряжение выпрямителя с фильтром питания равно максимальной амплитуде синусоиды поступающей на выпрямитель, за вычетом падения напряжения на диодах.
Рассмотрим случай со средним переменным напряжением на выходе трансформатора, измеренным мультиметром равным 6,3 вольта , и нагрузкой (сопротивлением нагрузки) равной 200 Ом .
Выходное напряжение c мостового выпрямителя будет определено следующим образом:
Максимальное напряжение на выходе трансформатора:
U max = U изм / 0,7 = 6,3в / 0,7 = 9 вольт
Максимальное выходное напряжение на выходе выпрямителя:
U вых. = U max – U VD1 – U VD2 = 9 – 1 – 1 = 7 вольт
Емкость сглаживающего конденсатора выбираем из условия:
1 / (2*π*f*С) н
, откуда 1 / (2*π*f *R н )Подставим данные:
1/(2*3,14*50*200) = 1,59*10 -5 (Фарад) = 15,9 мкФ
Учитывая условие, при котором емкость конденсатора должна быть намного больше полученному по приведенному условию, выбираем конденсатор ёмкостью более чем в пять раз больше расчётного значения - 100 мкФ*16 вольт .
Схема, состоящая из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра является источником нестабилизированного питания. От таких источников можно питать любые устройства, потребляющие слабый ток, не критичные к наличию пульсаций и нестабильности питающего напряжения. Для максимального подавления пульсаций и стабилизации питающего напряжения применяют
Сетевые фильтры стали неотъемлемым обязательным аксессуаром оргтехники и некоторой бытовой техники и приборов. Вообще сетевой фильтр , прежде всего, должен представлять собой устройство, которое призвано защищать цепи питания компьютеров, периферии и другой электронной аппаратуры от ВЧ и импульсных помех, скачков напряжения, возникающих в результате коммутации и работы промышленного оборудования. Это основные задачи устройств, носящих название сетевой фильтр. Как бы он ни выглядел, в какой бы корпус его ни запихал производитель, какой бы прочей эргономичности не придумали, главное, чтобы все это внешнее изящество не затмило основных задач. А сегодня можно наблюдать, к сожалению, совершенно иную картину. Производители подобных устройств не задумываются об их функциях, берут простейшую электрическую схему сетевого фильтра , состоящую из двух дросселей и двух конденсаторов, суммарная стоимость которых копейки и камуфлирует это под красивый дизайн. Для примера:
Причем стоимость такого аксессуара под названием сетевой фильтр немаленькая. В итоге, мы покупаем обычный сетевой удлинитель в красивой обертке. При всем этом показатель цены, что якобы, чем дороже, тем лучше и качественней, в данной ситуации значения не имеет. Этим введением мы хотим показать и раскрыть суть вопроса о сетевых фильтрах. Отчасти это ещё и ответ на комментарий уважаемого радиолюбителя в публикации простейшей схемы сетевого фильтра . Конечно, мы согласны, что начинка очень даже влияет на стоимость. Но всё дело в нерадивых производителях сетевых фильтров, которые не хотят «заморачиваться» над их содержимым, не пытаются разрабатывать принципиально новые электрические схемы для улучшения эффективности. Поэтому многие опытные радиолюбители для ежедневных нужд проектируют схемы сетевых фильтров сами. И качество получается на высоте, и надёжность, и собираются в основном из подручных радиокомпонентов, что сводит затраты к минимуму, и приобретается дополнительный радиотехнический опыт. Также стоит заметить, что в большинстве случаев схемы сетевых фильтров входят в состав более сложных схем сетевых стабилизаторов напряжения , о которых мы неоднократно упоминали на страницах радиолюбительского сайта .
Сегодня мы опубликуем несколько электрических схем и их описаний, по которым вам не составит особого труда изготовить сетевой фильтр своими руками, по функциональности и характеристикам превосходящий покупной. На рисунке ниже приведена электрическая схема сетевого фильтра , предназначенного для защиты питаемого устройства от внешних помех (за это отвечает цепочка C3C4C5C7L1) и импульсных выбросов сети (варистор R5 с характеристическим напряжением 275 вольт). Приведенная схема также защищает сеть от помех, создаваемых питаемым устройством.
Дроссель L1 имеет индуктивность магнитосвязанных встречно включенных электрически изолированных половинок 5,6 мГн. Светодиод D4 светится в рабочем состоянии, а D2 – только при перегорании плавкого предохранителя F1. По сути, схема этого сетевого фильтра является модернизированным вариантом простейшей электрической схемы устройства.
Собранный по следующей схеме универсальный фильтр не пропускает высокочастотные сетевые помехи как в питающий прибор, так и обратно в электрическую сеть.
В фильтре используются конденсаторы С1…С4, С9…С12 - КПБ - 0,022 мкФ - 500 вольт, С5…С8, С13, С14 - КТП-3 - 0,015 мкФ - 500 вольт (керамические, красного цвета, с резьбой М8 - 0,75). Неоновая лампочка VL1 служит обычным индикатором работы. Дроссели Др1 и Др1′ намотаны обычным двойным сетевым проводом в изоляции на семи, сложенных вместе плоских ферритовых стержнях для магнитной антенны. Общее сечение магнитопровода 4,2 см2. Стержни плотно уложены друг на друга и обмотаны тремя слоями лакоткани. Поверх нее намотана обмотка, содержащая 7 витков провода. Получившийся элемент больше похож на проходной трансформатор, чем на дроссель. Дроссели Др2, Др2′ (на керамических стержнях диаметром 12 мм и длиной 115 мм до полного заполнения), Др3 и Др3′ (бескаркасные, содержат по 9 витков, намотаны с шагом для уменьшения межвитковой емкости и лучшей защиты от самых высокочастотных наводок на оправке диаметром 10 мм и длиной 41 мм) намотаны проводом ПЭВ-2 диаметром 1,5 мм. Максимальный ток для дросселей равен: Imax=d2 * плотность тока(4…6) / 1,28 = 1,52*4,5/1,28=7,91 ампер. Отсюда мощность равна P=220*7,91=1740 ватт. Конструктивно, что показано ниже на рисунке, сетевой фильтр собран в трех экранированных секциях, которые помещаются в металлический корпус 190х190х70 мм. Дроссели, находящиеся в соседних секциях, соединяются через проходные конденсаторы, установленные на вертикальных перегородках. Крепятся дроссели с помощью стоек из оргстекла толщиной 10 мм, в которых просверливают отверстия нужного диаметра.
Итак, с этим универсальным фильтром все, надеемся, понятно. Защита включает в себя и НЧ, и СЧ, и, наконец, ВЧ фильтрацию.
Первая примитивная схема – Pilot L с максимальным током до 10 ампер.
Вторая схема более эффективная, от этого и соответствующее название сетевого фильтра производителем – Pilot Pro, максимальный ток которого также 10 ампер; но по существу тоже примитивная.
На последнем рисунке изображена электрическая схема фильтра APC E25-GR. Она идентична схеме Pilot Pro. Главное отличие в том, что вместо конденсатора 1 мкФ x 250 В установлен конденсатор 0,33 мкФ x 275 В и в качестве сердечника у катушек вместо воздуха используется ферритовый стержень. У каждой катушки свой. Оси катушек расположены под углом 90 градусов.
Также стоит сказать, что непосредственно в схемах самих блоков питания компьютера есть, хоть и примитивные, но все-таки сетевые фильтры , схемы которых как раз и копируют большинство нерадивых производителей.
Итак, кроме рассмотренной нами ранее универсальной (а пока только она, как вы, наверно, поняли, заслуживала внимания) мы вплотную подошли к эксклюзивной схеме сетевого фильтра. Функциональную схему работы устройства можно отразить на следующих диаграммах. Т.е. на них показано прохождение переменного тока через функциональные узлы и блоки фильтра, сглаживание посторонних разнородных помех и выделение на выход «чистого» напряжения.
Более детально это можно представить так:
Для реализации поставленных задач отлично справляются сетевые фильтры, собранные по схемам ниже:
Последний рассчитан для питания не только аналоговых приборов, но и цифровой техники.
В схемах можно применять варисторы типа CNR14D221 (S14K140) 220В, 60 Дж или JVR-14N221K (S14K140) 220В или FNR-14K221 220В, 40 Дж. В качестве катушек-дросселей можно применить вот такие уже готовые –
А вообще, если вы приобрели или собрали сетевой фильтр своими руками , проверить его эффективность можно, подключив к одной розетке, например, системный блок и радиоприёмник. Но до этого стоит проверить их «совместимость» без фильтра. Если при применении сетевого фильтра уровень помех, доносящихся из динамика радиоприемника, становится заметно меньше или вообще пропадает, то устройство выполняет свои непосредственные задачи. И напоследок. Если вы все-таки покупаете готовый сетевой фильтр, то обращайте внимание на устройства, прошедшие испытания по ГОСТ Р 53362-2009, который заменяет предыдущий ГОСТ Р 50745-99.
Еще давным-давно я заметил, что когда включается/выключается холодильник на кухне, в колонках стереосистемы звучит неприятный щелчок. Проблема решилась установкой конденсаторов в розетки - с этого началась моя "дружба" с сетевыми фильтрами.
В наши дни электрическая сеть 220 вольт сильно загрязнена множеством помех и кратковременных всплесков напряжения, которые проникают из сети и мешают аппаратуре нормально работать. Для борьбы с сетевыми помехами применяются фильтры. Дешевые фильтры на самом деле фильтрами не являются, а дорогие (навроде вполне приличного фильтра "Pilot") - слишком дороги, ведь обычно их требуется несколько штук (у меня дома их штук восемь, включенных постоянно). Поэтому хороший вариант - купить дешевый фильтр и переделать его.
В принципе, для доработки можно использовать и обычный удлинитель, но обычно в удлинителе нет свободного места для тех деталей, которые в него нужно будет вставить. А вот в удлинителе с выключателем (тоже полезная вещь) свободное место есть.
Мне недавно срочно понадобился такой вот фильтр, я купил в ближайшем киоске удлинитель и доработал его. На все (включая приобретение и фотографирование) ушло меньше чем полдня. Вот герой нашего рассказа:
Такие устройства на самом деле сетевым фильтром не являются. Там внутри находится только лишь варистор, ограничивающий кратковременные высоковольтные импульсы, которые иногда присутствуют в сети (немного про варисторы см. Маломощный блок питания). Вот и вся его фильтрация. Некоторые устройства (в том числе и мое) имеют токовый размыкатель, который должен по идее размыкаться при протекании большого тока (никогда не проверял, как они работают). В этом случае на корпусе есть кнопочка, которую нужно нажать, чтобы снова замкнуть размыкатель, если он сработал.
Разбираем удлинитель и смотрим что у него внутри:
Теперь встраиваем внутрь фильтр, и готово. Вот схемы того, что было, и что будет (выключатель с лампочкой подсветки на схемах не показан):
На исходной схеме: Sc - токовый размыкатель, V1 - варистор типа 471 (числом кодируется максимальное напряжение, а от диаметра зависит максимальная энергия подавляемого импульса; диаметр 6...10 мм - самое то), надписью "Удлинитель" как раз и помечены эти самые контактные пластины.
В доработанном варианте добавляется RLC фильтр. Правда хороший фильтр сделать не удастся - все же мало места, да и для него нужно подбирать детали. Именно так делают "Пилоты" - сначала проектируют схему, а потом под нее уже делают корпус. Но тем не менее, такой вот фильтр, собранный из подручных материалов, работает достаточно хорошо.
Пройдемся по элементам. Катушки L1 и L2 вместе с конденсаторами С1 и С2 образуют LC фильтр. Сопротивление катушек на высоких частотах большое, а вот на низких - маленькое. Поэтому, чтобы и низкочастотные помехи хоть немного подавить, последовательно с катушками включены резисторы R1, R2. Резистор R3 разряжает конденсаторы при отключении от сети, иначе, заряженные конденсаторы могут нехило стукнуть током. Конденсатор С2 включен с другой стороны контактных пластин для того, чтобы создать "распределенную" емкость, чтобы индуктивность и сопротивление пластин не ухудшало фильтрацию. На самом деле, в нашем случае разницы, где включен С2 никак не заметно слишком уж маленькая индуктивность и сопротивление контактных пластин. Но все равно приятно, что мы об этом позаботились! И, кроме того, именно в том конце корпуса есть свободное место, куда можно поставить этот конденсатор.
Иногда возникают споры о размещении резисторов R1 и R2. Как их включать - до варистора, или после, как у меня? На самом деле это зависит от нашей цели. До
варистора, резисторы нужно включать, если мы хотим улучшить работу варистора при подавлении кратковременных высоковольтных (до нескольких тысяч вольт) импульсов. Эти импульсы варистор "пропускает через себя", ток через варистор достигает сотен ампер, и практически все напряжение импульса падает на сопротивлении проводов и контактов.
Сопротивление проводов довольно маленькое (это ведь чем лучше сеть, тем меньше сопротивление), и ток очень большой. Поэтому при большом токе на варисторе получается довольно большое напряжение (левый рисунок). Если же на пути тока поставить резисторы R1 и R2, то их сопротивление (совместно 1...2 Ома) заметно больше сопротивления проводов, и ток будет гораздо меньше (но все равно сотня-другая ампер!). А раз ток меньше, то и напряжение на варисторе меньше (правый рисунок).
Казалось бы, правый вариант намного лучше! Не совсем. Дело в том, что эти импульсы кратковременны, и большинство приборов их "не замечает" (они нередки в сети, вы их замечали?). Для чего же варистор? На всякий пожарный случай. Мало ли что. 100 раз импульс не подействует, а на 101-й придет импульс побольше, и спалит блок питания, или еще что. Так вот, если этот кратковременный импульс в 3000 вольт не всегда заметен, есть ли разница, останется от него 300 вольт, или 600? (Внимание! цифры 300 и 600 я взял "от фонаря"! На самом деле все это очень сильно зависит и от конкретной сети, и от конкретного варистора и от конкретного импульса! Но принцип верный!)
Почему же я включил резисторы после варистора? Чтобы максимально отделить от варистора конденсаторы. Конденсатор, включенный параллельно варистору, совсем даже ему не помогает (иногда мешает, иногда - нет). Кроме того, при ограничении варистором вражеских импульсов, образуется куча высокочастотных помех, у которых напряжение хоть и не высокое, но кому они нужны? Включив резисторы после варистора, я минимизировал прохождение помех на выход фильтра - ведь у меня получилось две ступени фильтрации - с высоковольтной гадостью справляется варистор, а с остальной - катушки с конденсаторами, которым резисторы очень даже помогают.
Вывод. Если у вас очень "грязная" сеть, в которую часто включают сварочные аппараты, ставьте резисторы до варистора. Если нет - ставьте их после. Возникает вопрос: а почему бы не включить две пары резисторов - одну до варистора. а другую после варистора? По одной простой причине - резисторы греются. Две пары резисторов увеличивают нагрев вдвое. А там и расплавится что-нибудь, или вообще загорится! А ставить резисторы маленького сопротивления (чтобы меньше грелись) - тоже не выход, они будут хуже работать.
Итак, берем детали
Когда все обратно собрали - на вид ничего не изменилось, но начинка уже совсем другая. Чтобы окончательно перекрыть путь помехам, на сетевой провод возле самого удлинителя ставим ферритовую шайбу (удобнее всего разрезную на защелках):
Об этом поподробнее. В отличие от нормальной передачи энергии, когда по одному проводу ток приходит в нагрузку, а по другому возвращается обратно в источник, высокочастотная (ВЧ) помеха может распространяться сразу по двум проводам. Например, при ударе молнии вблизи электрических проводов, в них возникает ток, который идет сразу по обоим проводам в устройство, и, пройдя сквозь него, через емкость между корпусом и землей замыкается на землю.
Т.е. оба сетевых провода для помехи - это как два параллельных прямых провода (или как антенна), а земля - обратный провод. Внутри устройства, ток ВЧ помехи может воздействовать на разные цепи и мешать им жить. Нацепив ферритовое кольцо на сетевой провод, мы увеличиваем его (провода) индуктивность, а значит и сопротивление на высоких частотах. Поэтому ток помехи станет меньше.
Конструкция и детали
Схема очень непривередлива к деталям. Но все же некоторые правила нужно соблюдать. Разберем по порядку.
Варистор. Тип 471. Диаметр 6...10 мм. Это оптимально.
Резисторы R1, R2. Чем их сопротивление больше, тем лучше фильтрация, но больше нагрев и больше потери напряжения. С другой стороны, нагрев и падение напряжения тем больше, чем больше потребляемый ток (и мощность). Поэтому сопротивление резисторов выбираем в зависимости от суммарной мощности, потребляемой всеми теми устройствами, которые будут подключаться к фильтру:
Если планируется подключать более мощные потребители, то возможно, придется вообще отказаться от резисторов. С другой стороны, зачем делать фильтр, чтобы подключать к нему утюг?!
Резисторы используются мощностью 5 Вт. Можно взять и двухватные, но не стОит - они должны иметь запас по мощности на случай, если вдруг ток окажется больше, чем ожидалось (или помеха проскочит, где ее энергия выделится?..).
Дроссели L1 и L2. Это самый "труднодоставаемые" элементы. Но с другой стороны, поскольку вместе с ними работают резисторы, требования к дросселям снижаются. Требования такие:
Ферритовый сердечник
. Катушка без сердечника имеет слишком низкую индуктивность (при реальных габаритах), а стальной сердечник плохо работает на ВЧ.
Сердечник незамкнут, или с воздушным зазором - иначе сердечник может насытиться, и индуктивность сильно снизится.
Максимальный ток катушки (это ток, при котором индуктивность начинает снижаться из-за насыщения сердечника) не меньше, чем ток нагрузки.
Индуктивность дросселя не менее 10 мкГн. Чем больше, тем лучше (до 10 мГн).
Дроссели не имеют магнитной взаимосвязи.
Конденсаторы
С1, С2. Если С2 поставить не удается, то вполне можно ограничиться одним конденсатором. Поскольку они соединены параллельно, то вполне можно рассматривать их как один конденсатор с емкостью, равной сумме емкостей С1 и С2. Требования к конденсатору:
Конденсатор пленочный, типа К73-17 или аналогичный (импортные меньше по габаритам).
Емкость не меньше 0,22 мкФ. Больше 1 мкФ тоже не нужно.
Напряжение 630 вольт. Зачем столько? А это запас, ведь при помехах, напряжение повышается. Да и по правилам напряжение на конденсаторе должно быть меньше максимально допустимого.
Резистор R3. Его мощность 0,5 Вт, хотя на нем выделяется в 10 раз меньше. К этому резистору прикладывается 220 вольт, и он должен иметь довольно большие геометрические размеры (отсюда и 0,5 Вт), чтобы такое напряжение выдерживать. Сопротивление от 510 кОм до 1,5 МОм.
Вот и все. Можно пользоваться, и удачи в борьбе с помехами!
По просьбе читателей, я измерил насколько фильтр подавляет помехи. Это не очень хорошо получилось - высоковольтные импульсы мне дома сгенерировать сложно, и я этого не делал. А вот ВЧ помеху генератор выдал (маленькой амплитуды, но какая разница?). Вот два теста. Они могут быть не совем точными - величина подавления может быть несколько занижена. В качестве нагрузки в фильтр был включен паяльник.
Первый тест - подавление частоты 30 кГц. Эта частота часто используется в импульсных блоках питания (компьютерных, например), и этой частотй "засорена" сеть. Вот осциллограммы напряжения на входе и выходе:
Синий - вход, красный - выход. Масштабы одинаковы. Подавление раз в 8, что очень неплохо для простого фильтра, да еще сделанного из подручных материалов.
Второй тест - действительно высокочастотная помеха частотой 200 кГц:
Здесь выходное напряжение в 100 раз большем масштабе, чем входное. Подавление помехи примерно в 350 раз!!! Так что ВЧ помехи не пройдут.
Новенькое!
В продаже появились неплохие катушки:
Они намотаны довольно толстым проводом на ферритовом сердечнике, по форме напоминающем гантелю. Снаружи надета термоусадочная трубка. У этих катушек довольно большая индуктивность при приличном токе (и несколько типоразмеров - чем больше размер, тем больше произведение индуктивности на максимальный ток). Имея такие катушки, фильтры делать - одно удовольствие. Схема почти такая же, теперь катушки "мощные" и резисторы в цепь гашения помех не нужны:
Голубой - варистор, который и был в этом "фильтре"-удлиннителе; рядом с ним черные - катушки, по хорошему их надо размещать так, чтобы их оси были перпендикулярны, но я сначала сфотографировал, потом отогнул (нижнюю на фото) катушку, потом все закрутил, а уж потом вспомнил, что сфотографировал неправильно! Снова разбирать было лень, уж извиняйте! Желтый - это конденсатор. Насколько я с ними встречался - они все желтые.
Резистор, разряжающий конденсатор, здесь не установлен - в этот фильтр будет все время включено устройство, которое и разрядит конденсатор. А если один раз в жизни я этот фильтр сниму, то уж не забуду разрядить. Просто быо лень искать и паять резистор, но всем я категорически рекомендую в этом с меня пример не брать, и резистор устанавливать!
Вот и все! Очень просто и очень неплохо!
