Подавление импульсных помех. Исследование подавителя импульсных помех

Шевкопляс Б.В. «Микропроцессорные структуры. Инженерные решения.» Москва, издательство «Радио», 1990 год. Глава 4

4.1. Подавление помех по первичной питающей сети

Форма сигнала переменного напряжения промышленной питающей сети (~"220 В, 50 Гц) в течение коротких промежутков времени может сильно отличаться от синусоидальной — возможны выбросы или «врезки», снижение амплитуды одной или нескольких полуволн и т. д. Причины возникновения таких искажений связаны обычно с резким изменением сетевой нагрузки, например при включении мощного электродвигателя, печи, сварочного аппарата. Поэтому следует по возможности осуществлять развязку от таких источников помех по сети (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Варианты подключения цифрового устройства к первичной питающей сети

Помимо указанной меры, возможно, потребуется введение сетевого фильтра на вводе питания устройства с целью подавления кратковременных помех. Резонансная частота фильтра может лежать в пределах 0,1,5—300 МГц; широкополосные фильтры обеспечивают подавление помех во всем указанном диапазоне.

На рис 4.2 приведен пример схемы сетевого фильтра Этот фильтр имеет габариты 30 XЗОХ20 мм и смонтирован непосредственно на колодке ввода сети в устройство. В фильтрах должны использоваться высокочастотные конденсаторы и индуктивности либо без сердечников, либо с высокочастотными сердечниками.

В некоторых случаях обязательным является введение электростатического экрана (обычной водопроводной трубы, соединенной с заземленным корпусом щита питания) для прокладки внутри него проводов первичной питающей сети. Как отмечается в , коротковолновый передатчик таксомоторного парка, расположенный на противоположной стороне улицы, способен при определенной взаимной ориентации наводить на отрезке провода сигналы амплитудой несколько сотен вольт. Этот же провод, помещенный в электростатический экран, будет надежно защищен от такого рода наводок.

Рис. 4.2. Пример схемы сетевого фильтра

Рассмотрим методы подавления сетевых помех непосредственно в блоке питания устройства. Если первичная и вторичная обмотки силового трансформатора расположены на одной и юй же катушке (рис. 4.3, а), то за счет емкостной связи между обмотками импульсные помехи могут проходить из первичной цепи во вторичную. Согласно рекомендуются четыре способа подавления таких помех (в порядке возрастания эффективности).

1. Первичная и вторичная обмотки силового трансформатора выполняются на разных катушках (рис. 4.3, б). Проходная емкость С уменьшается, однако снижается КПД, так как не весь магнитный поток из области первичной обмотки попадает в область вторичной обмотки из-за рассеяния через окружающее пространство.
2. Первичная и вторичная обмотки выполняются на одной и тон же катушке, но разделяются экраном из медной фольги толщиной не менее 0,2 мм. Экран не должен представлять собой короткозамкнутый виток. Он соединяется с корпусной землей устройства (рис. 4.3, в)
3. Первичная обмотка полностью заключается в экран, не являющийся короткозамкнутым витком. Экран заземляется (рис. 4.3, г).
4. Первичная и вторичная обмотки заключаются в индивидуальные экраны, между которыми прокладывается разделительный экран. Весь трансформатор заключается в металлический корпус (рис. 4.3,<Э). Экраны и корпус заземляются. Этот тип трансформатора в силу предельной защищенности от прохождения помех получил название «ультраизолятор».

При всех перечисленных способах подавления помех разводку сетевых проводов внутри устройства следует выполнять экранированным проводом, соединив экран с корпусной землей. Недопустима ук
ладка в один жгут сетевых и прочих (питающих платы, сигнальных и т. п.) проводов" даже в случае экранирования тех и других.

Рекомендуется параллельно первичной обмотке силового трансформатора в непосредственной близости от выводов обмотки установить конденсатор емкостью примерно 0,1 мкФ и последовательно с ним — токоограничивающий резистор сопротивлением порядка 100 Ом. Это позволяет «замыкать» энергию, накопленную в сердечнике силового трансформатора, в момент размыкания сетевого выключателя.

Рис. 4.3. Варианты защиты силового трансформатора от передачи импульсных помех из сети во вторичную цепь (и обратно):
а—защита отсутствует; б — разнесение первичной и вторичной обмоток; в— прокладка экрана между обмотками; г — полная экранировка первичной обмотки; д — полная экранировка всех элементов трансформатора

Рис. 4.4. Упрощенная схема блока питания (а) и диаграммы (б, в), поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя.

Блок питания является тем большим источником импульсных помех по сети, чем больше емкость конденсатора С

Отметим, что с увеличением емкости С фильтра (рис. 4.4, а) блока питания нашего устройства увеличивается вероятность сбоев соседних устройств, так как потребление энергии от сети нашим устройством все в большей степени приобретает характер ударов. Действительно, напряжение и на выходе выпрямителя растет в те интервалы времени, когда энергия отбирается от сети (рис. 4.4, б). Эти интервалы на рис. 4.4 заштрихованы.

С увеличением емкости конденсатора С периоды его заряда становятся все меньшими (рис. 4.4, в), а ток, отбираемый в импульсе от сети,—все большим. Таким образом, внешне «безобидное» устройство может создавать в сети помехи, «не уступающие» помехам от сварочного аппарата.

4.2. Правила заземления, обеспечивающие защиту от помех по «земле»

В устройствах, выполненных в виде конструктивно-законченных блоков, существуют по крайней мере два типа шин «земли»—корпусная и схемная. Корпусная шина согласно требованиям техники безопасности в обязательном порядке подключается к шине заземления, проложенной в помещении. Схемная шина (относительно которой отсчитываются уровни напряжения сигналов) не должна быть соединена с корпусной внутри блока—для нее должен быть выведен отдельный зажим, изолированный от корпуса.

Рис. 4.5. Неправильное и правильное заземление цифровых устройств. Показана шина земли, которая обычно имеется в помещении

На рис. 4.5 показаны варианты неправильного и правильного заземления группы устройств, которые связаны между собой информационными линиями. (эти линии не показаны). Схемные шины «земли» объединяются индивидуальными проводами в точке А, а корпусные—в точке В, по возможности приближенной к точке А. Точка А может не подключаться к шине заземления в помещения, однако это создает неудобства, например при работе с осциллографом, у которого «земля» пробника соединена с корпусом.

При неправильном заземлении (см. рис. 4.5) импульсные напряжения, порождаемые уравнивающими токами по земляной шине, будут фактически приложены к входам приемных магистральных элементов, что может вызвать их ложное срабатывание. Следует отметить, что выбор наилучшего варианта заземления зависит от конкретных «местных» условий и зачастую проводится после серии тщательных экспериментов. Однако общее правило (см. рис. 4.5) всегда остается в силе.

4.3. Подавление помех по цепям вторичного электропитания

Из-за конечной индуктивности шин питания и земли импульсные токи вызывают появление импульсных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности, которые приложены между выводами питания и земли микросхем. Если шины питания и земли выполнены тонкими печатными или иными проводниками, а высокочастотные развязывающие конденсаторы либо вовсе отсутствуют, либо их число недостаточно, то при одновременном переключении нескольких ТТЛ-микросхем на «дальнем» конце печатной платы амплитуда импульсных помех по питанию (выбросов напряжения, действующих между выводом питания и земли микросхемы) может составить 2 В и более. Поэтому при проектировании печатной платы необходимо выполнять следующие рекомендации.

1. Шины питания и земли должны обладать минимальной индуктивностью. Для этого они выполняются в виде решетчатых структур, покрывающих всю площадь печатной платы. Недопустимо подключение микросхем ТТЛ к шине, представляющей собой «отросток», поскольку по мере приближения к его концу индуктивность цепей подвода питания накапливается. Шины питания и земли должны по возможности покрывать всю свободную площадь печатной платы. С особым вниманием следует подходить к проектированию накопительных матриц динамической памяти на микросхемах К565РУ5, РУ7 и др. Матрица должна представлять собой квадрат, чтобы адресные и управляющие линии имели минимальную длину. Каждая микросхема должна находиться в индивидуальной ячейке решетчатой структуры, образованной шинами питания и земли (две независимые решетки). Шины питания и земли накопительной матрицы не должны нагружаться «чужими» токами, текущими от адресных формирователей, усилителей сигналов управления и т, п.
2. Подключение внешних шин питания и земли к плате через разъем должно производиться через несколько контактов, равномерно расположенных по длине разъема, для того чтобы вход в решетчатые структуры шин питания и земли производился сразу из нескольких точек.
3. Подавление помех по питанию должно осуществляться вблизи мест их возникновения. Поэтому вблизи выводов питания каждой микросхемы ТТЛ должен быть расположен высокочастотный конденсатор емкостью не менее 0,02 мкФ. Это также в особой степени относится к упомянутым микросхемам динамической памяти. Для фильтрации низкочастотных помех необходимо использовать электролитические конденсаторы, например, емкостью 100 мкФ, При использовании микросхем динамической памяти электролитические конденсаторы устанавливаются, например, по углам накопительной матрицы или в другом месте, но вблизи этих микросхем.

Согласно вместо высокочастотных конденсаторов применяют специальные шины питания BUS-BAR, САР-BUS, которые прокладывают под линейками микросхем или между ними, не нарушая обычной автоматизированной технологии установки элементов на плату с последующей пайкой «волной». Эти шины представляют собой распределенные конденсаторы с погонной емкостью примерно 0,02 мкФ/см. При той же суммарной емкости, что и при использовании дискретных конденсаторов, шины обеспечивают значительно лучшее подавление помех при более высокой плотности монтажа.

Рис. 4.6. Варианты подключения плат П1—ПЗ к блоку питания

На рис. 4.6 приведены рекомендации по подключению устройств, выполненных на печатных платах П1—ПЗ, к выходу блока питания. Сильноточное устройство, выполненное на плате ПЗ, создает на шинах питания и земли больше помех, поэтому его следует физически приблизить к блоку питания, а еще лучше обеспечить его питание с помощью индивидуальных шин.

4.4. Правила работы с согласованными линиями связи

На рис. 4.7 показана форма сигналов, передаваемых по кабелю, в зависимости от соотношения сопротивления нагрузочного резистора R и волнового сопротивления кабеля р. Сигналы передаются без искажений при R=р. Волновое сопротивление конкретного типа коаксиального кабеля известно (например, 50, 75, 100 Ом). Волновое сопротивление плоских кабелей и витых пар обычно близко 110— 130 Ом; точное его значение может быть получено экспериментально подбором резистора К, при подключении которого искажения минимальны (см. рис. 4.7). При проведении эксперимента не следует использовать, проволочные переменные сопротивления, так как они имеют большую индуктивность и могут внести искажения формы сигнала.

Линия связи типа «открытый коллектор» (рис. 4.8). Для передачи каждого магистрального сигнала с длительностью фронта около 10 нс при расстояниях, превышающих 30 см, используется отдельная витая пара или выделяется одна пара жил в плоском кабеле. В пассивном состоянии все передатчики выключены. При срабатывании любого передатчика или группы передатчиков напряжение на линии снижается от уровня, превышающего 3 В, примерно до 0,4 В.

При длине линии 15м и при правильном ее согласовании длительность переходных процессов в ней не превышает 75нс. Линия реализует функцию Монтажное ИЛИ по отношению к сигналам, представленным низкими уровнями напряжения.

Рис. 4.7. Передача сигналов по кабелю. О—генератор импульсов напряжения

Линия связи типа «открытый эмиттер» (рис. 4,9"). В данном примере показан вариант линии, использующей плоский кабель. Сигнальные провода чередуются с земляными. В идеальном случае каждый сигнальный провод окаймляется с обеих сторон «своими» земляными проводами, однако в этом, как правило, нет особой необходимости. На рис, 4.9 с каждым сигнальным проводом соседствует «своя» и «чужая» земля, что обычно вполне допустимо. Плоский кабель и набор витых пар—по сути почти одно и то же, и все-таки второе предпочтительно в условиях повышенного уровня внешних помех. Линия типа «открытый эмиттер» реализует функцию Монтажное ИЛИ по отношению к сигналам, представленным высокими уровнями напряжения. Временные характеристики приблизительно соответствуют характеристикам линии с «открытым коллектором».

Линия связи типа «дифференциальная пара» (рис. 4.10). Линия применяется для однонаправленной передачи сигналов и характеризуется повышенной помехоустойчивостью, так как приемник реагирует на разность сигналов, а наводимая извне помеха действует на оба провода примерно одинаково. Длина линии практически ограничивается омическим сопротивлением проводов и может достигать нескольких сотен метров.

Рис, 4.8. Линия связи типа «открытый коллектор»

Рис. 4.9. Линия связи типа «открытый эмиттер»

Рис. 4.10. Линия связи типа «дифференциальная пара»

Во всех рассмотренных линиях должны использоваться приемники с высоким входным сопротивлением, малой входной емкостью и предпочтительно с гистерезисной передаточной характеристикой для увеличения помехозащищенности.

Физическая реализация магистрали (рис. 4. II), Каждое устройство, подключаемое к магистрали, содержит два разъема. Схема, подобная приведенной на рис. 4.11, рассматривалась ранее (см. рис. 3.3), поэтому остановимся лишь на правилах, которые нужно соблюдать при проектировании согласующих блоков (СБ).

Передача магистральных сигналов через разъемы. Наилучшие варианты распайки разъемов показаны на рис. .4.12. Фронт бегущего по магистрали импульса в этих случаях почти «не чувствует» разъема, так как вносимая в кабельную линию неоднородность незначительна. При этом, однако, требуется занять 50 % используемых контактов под земли.

Если это условие по каким-либо причинам невыполнимо, то можно в ущерб помехозащищенности принять второй, более экономичный но числу контактов вариант распайки разъемов, показанный на рис. 4.13. Этот вариант часто используется на практике. Земли витых пар (или земли плоского кабеля) собираются на металлические планки по возможности большего сечения, например 5 мм2.

Распайка этих земель ведется равномерно по длине планки, по мере распайки соответствующих сигнальных проводов. Обе планки объединяются через разъем с помощью ряда перемычек минимальной длины и максимального сечения, причем перемычки располагаются равномерно по длине планок. Каждая земляная перемычка должна соответствовать не более чем четырем сигнальным линиям, но общее число перемычек не должно быть меньше трех (одна в центре и две по краям).

Рис. 4.13. Допустимый вариант передачи сигналов через разъем. Н-=5 мм2—сечение планки, 5^0,5 мм2—сечение земляного провода

Рис. 4.14. Варианты выполнения ответвлений от магистрали

Выполнение ответвлений от магистрали. На рис. 4.14 показаны варианты неправильного и правильного выполнения ответвления от магистрали. Прослежен путь одной линии, земляной провод показан условно. Первый вариант (типичная ошибка начинающих схемотехников!) характеризуется расщеплением на две части энергии волны,

Рис. 4.15. Варианты подключения приемников к магистрали
приходящей с линии А. Одна часть идет на заряд линии В, другая— на заряд линии С. После заряда линии С «полноценная» волна начинает распространяться по линии В, пытаясь догнать ушедшую ранее волну с половинной энергией. Фронт сигнала, таким образом, имеет ступенчатую форму.

При правильном выполнении ответвления отрезки линий А, С и В оказываются включенными последовательно, поэтому волна практически не расщепляется и фронты сигналов не искажаются. Передатчики и приемники, расположенные на плате, должны быть максимально приближены к ее краю для уменьшения неоднородности, вносимой в точку объединения отрезков линий В и С.

Для развязки пучков приемников от магистрали можно использовать одно или двунаправленные приемопередатчики (см. рис. 3.18. 3.19). При разветвлении линии на несколько направлений для каждого следует выделить отдельный передатчик (рис. 4.15, в).

Для передачи по линии лучше использовать не прямоугольные, а трапецеидальные импульсы . Сигналы с пологими фронтами, как отмечалось, распространяются вдоль линии с меньшими искажениями. В принципе в отсутствие внешних помех для любой сколь угодно длинной и даже несогласованной линии можно подобрать настолько медленную скорость нарастания сигнала, что передаваемый и принимаемый сигналы будут отличаться на сколь угодно малую величину.

Для получения трапецеидальных импульсов передатчик выполняется в виде дифференциального усилителя с интегрирующей цепью обратной связи. На входе магистрального приемника, выполненного также в виде дифференциального усилителя, устанавливается интегрирующая цепь для фильтрации высокочастотных помех.

При передаче сигналов в пределах платы, когда число приемников велико,часто используют «последовательное согласование». Оно состоит в том, что последовательно с выходом передатчика, в непосредственной близости от этого выхода, включается резистор сопротивлением 20—50 Ом. Это позволяет погасить колебательные процессы на фронтах сигналов. Такой прием часто используют при передаче сигналов управления (КА5, САЗ, \УЕ) от усилителей к БИС динамической памяти.

4.5. О защитных свойствах кабелей

На рис. 4.16,а показана простейшая схема передачи сигналов по коаксиальному кабелю, которая в ряде случаев может считаться вполне удовлетворительной. Ее основной недостаток состоит в том, что при наличии импульсных уравнивающих токов между корпусными землями (уравнивание потенциалов — основная функция системы корпусных земель) часть этих токов 1 может течь по оплетке кабеля и вызывать падение напряжения (в основном из-за индуктивности оплетки), которое в конечном счете действует на нагрузку К.

Более того, в этом смысле схема, приведенная на рис. 4.16, а, оказывается предпочтительной, и с увеличением числа точек соприкосновения оплетки кабеля с корпусной землей улучшаются возможности отекания наведенных зарядов с оплетки. Использование кабеля с дополнительной оплеткой (рис. 4.16, в) позволяет защититься как от емкостных наводок, так и от уравнивающих токов, которые в этом случае текут по внешней оплетке и практически не влияют на сигнальную цепь.

Включение кабеля с дополнительной оплеткой по схеме, показанной на рис. 4.16, г, позволяет улучшить частотные свойства линии путем уменьшения ее погонной емкости. В идеальном случае потенциал любого элементарного участка центральной жилы совпадает с потенциалом элементарного цилиндра внутренней оплетки, окружающего этот участок.

Линии такого типа используются в локальных сетях ЭВМ для повышения скорости передачи информации. Внешняя оплетка кабеля является частью сигнальной цепи, и поэтому данная схема с точки зрения защищенности от внешних помех эквивалентна схеме, показанной на рис. 4.16,6.

Рис. 4.16. Варианты использования кабелей

Ни медная, ни алюминиевая оплетка простого коаксиального кабеля не защищает его от воздействия низкочастотных магнитных полей. Эти поля наводят ЭДС как на отрезке оплетки, так и на соответствующем отрезке центральной жилы.

Хотя эти ЭДС и одноименны по знаку, они не компенсируют друг друга по величине из-за разной геометрии соответствующих проводников — центральной жилы и оплетки. Разностная ЭДС в конечном счете прикладывается к нагрузке К. Дополнительная оплетка (рис. 4.16, в, г) также не способна предотвратить проникновение магнитного поля низкой частоты в ее внутреннюю область

Защиту от низкочастотных магнитных полей обеспечивает кабель, содержащий витую пару проводов, заключенную в оплетку (рис. 4.16, д). В этом случае ЭДС, наводимые внешним магнитным полем на составляющих витую пару проводах, полностью компенсируют друг друга как по знаку, так и по абсолютной величине.

Это тем более справедливо, чем меньше шаг свивания проводов по сравнению с зоной действия поля и чем более тщательно (симметрично) выполнена скрутка. Недостатком такой линии является ее сравнительно низкий частотный «потолок»—порядка 15 МГц — из-за больших потерь энергии полезного сигнала на более высоких частотах.

Схема, представленная на рис. 4.16, е, обеспечивает наилучшую защиту от всех видов помех (емкостные наводки, уравнивающие токи, низкочастотные магнитные поля, высокочастотные электромагнитные поля).

Внутреннюю оплетку рекомендуется соединять с «радиотехнической» или «истинной» (в прямом смысле—заземленной) землей, а внешнюю — с «системной» (схемной или корпусной) землей. При отсутствии «истинной» земли можно воспользоваться схемой включения, показанной на рис. 4.16, ж.

Внешняя оплетка соединяется с системной землей на обоих концах, а внутренняя — только со стороны источника. В тех случаях, когда нет необходимости в защите от низкочастотных магнитных полей и есть возможность передавать информацию без использования парафазных сигналов, один из проводов витой пары может служить сигнальным проводом, а второй —экраном. В этих случаях схемы, приведенные на рис. 4.16, в,ж, можно рассматривать как коаксиальные кабели с тремя экранами — земляным проводом витой пары, внутренней и внешней оплетками кабеля.

4.6. Использование оптронных развязок для подавления помех

Если устройства системы разнесены на значительное расстояние, например на 500 м, то трудно рассчитывать на то, что их земли всегда имеют один и тот же потенциал. Как отмечалось, уравнивающие токи по земляным проводникам создают импульсные помехи на этих проводниках за счет их индуктивности. Эти помехи в конечном счете прикладываются к входам приемников и могут вызвать их ложное срабатывание.

Использование линий типа «дифференциальная пара» (см. § 4.4) позволяет подавлять лишь синфазные помехи и поэтому не всегда лает положительные результаты. На рис. 4.17 показаны схемы оптронных развязок между двумя удаленными друг от друга устройствами.

Рис. 4.17. Схемы оптронных развязок между удаленными друг от друга устройствами:
а — с активным приемником, б — с активным передатчиком

Схема с «активным приемником» (рис. 4.17, а) содержит передающий оптрон VI и приемный оптрон V2. При подаче импульсных сигналов на вход Х светодиод оптрона VI периодически излучает свет, в результате выходной транзистор этого оптрона периодически насыщается и сопротивление между точками а и b падает от нескольких сотен килоом до нескольких десятков ом.

При включении выходного транзистора передающего оптрона ток от положительного полюса источника U2 проходит через светодиод оптрона V2, линию (точки а и b) и возвращается к отрицательному полюсу этого источника. Источник U2 выполняется изолированным от источника U3.

Если выходной транзистор передающего оптрона выключен, то ток по цепи источника U2 не протекает. Сигнал X" на выходе оптрона V2 близок нулю, если его светодиод включен, и близок +4 В, если этот светодиод выключен. Таким образом, при Х==0 светодиоды передающего и приемного оптронов включены и, следовательно, Х"==0. При Х==1 оба светодиода выключены и Х"==1.

Оптронная развязка позволяет значительно повысить помехоустойчивость канала связи и обеспечить передачу информации на расстояния порядка сотен метров. Диоды, подключенные к передающему и приемному оптронам, служат для их защиты от обратных выбросов напряжения. Резисторная цепь, связанная с источником U2, служит для задания тока в линии и ограничения тока через светодиод приемного оптрона.

Ток в линии согласно интерфейсу ИРПС может быть выбран равным 20 или 40 мА. При выборе номиналов резисторов нужно учитывать омическое сопротивление линии связи. Схема с «активным передатчиком» (рис. 4.17, б) отличается от предыдущей тем, что источник питания линии U2 расположен на стороне передатчика. Это не дает никаких преимуществ — обе схемы по сути одинаковы и являются так называемыми «токовыми петлями».

Рекомендации, приведенные в этой главе, могут показаться начинающему схемотехнику слишком жесткими. Борьба с помехами представляется ему «сражением с ветряной мельницей», а отсутствие опыта работы по проектированию устройств повышенной сложности создает иллюзию того, что можно создать работоспособное устройство, не выполнив ни одной из приведенных рекомендаций.

Действительно, иногда возможно и такое. Известны даже случаи серийного выпуска таких устройств. Однако в неофициальных отзывах об их работе можно услышать много интересных нетехнических выражений, таких, как визит-эффект и некоторых других, более простых и понятных.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

, (8.35)

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

. (8.36)

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

, (8.37)

. (8.38)

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

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

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

Плотность распределения вероятностей импульсных помех во многих случаях хорошо аппроксимируется функцией

, (8.40)

.

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

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

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

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

В последние годы ваш HiFi или даже High-End аудио комплекс всё меньше радует детальностью, сочностью и прозрачностью звучания? Вы подумываете обновить всю систему? Или вы уже подыскиваете качественный сетевой фильтр ? Если последнее - вы на верном пути 😉

Посчитаем?

В этом веке количество источников электромагнитных помех в наших домах растёт по экспоненте. Оглядитесь, попробуйте посчитать, сколько на вид безобидных лёгких и маленьких зарядных устройств, экономичных ламп, "электронных трансформаторов" для галогенок, компьютеров, принтеров, и прочей электроники с питанием от сети и/или всевозможными "зарядниками" пришло в ваш дом за последнее десятилетие? Пальцев не хватило, даже вместе с ногами, женой и... то-то! 🙂

Сегодня пожалуй 95% источников сетевого питания построены на базе высокочастотного преобразователя и не используют старые громоздкие и тяжёлые, гудящие трансформаторы на 50 (60) Герц. Ура, партия зелёных торжествует: большинство таких преобразователей весьма экономичны, компактны и... каждый такой импульсный блок питания а ) свистит на частоте преобразования и гармониках и б ) создаёт броски зарядного тока во входном выпрямителе (весьма широкополосная помеха - и прямиком в сеть).

В по-настоящему качественных (и дорогих) импульсных источниках питания с помехами борются весьма успешно, но всё равно недостаточно, чтобы весь производимый ими электромусор остался незаметным для чувствительных ушей меломана. Да что там меломаны... У нас в доме старый добрый 39-мегагерцовый радио-телефон. Постепенно он начал гудеть и жужжать так, что я серьёзно собирался сменить аппарат. Но пользуемся мы им относительно редко и проблема однажды решилась сама собою, когда я в погоне за красивым звуком повырубал к чертям все импульсные блоки питания вкупе с компьютерами в доме. После того эксперимента, кстати, и появились у нас вот эти .

Так что же покупить?

В этой статье я не подскажу, какой сетевой фильтр надо покупать. Причины две: за разумные деньги я не встречал адекватных фильтров; а те фильтры, что я мог бы порекомендовать - стоили совершенно несообразно, да и места занимали много больше, чем выполняемая ими функция того требует. Тем не менее решение существует: для умелых рук - собирать фильтры самому, и я постараюсь разъяснить его работу настолько, что любой, кто дружен с паяльником, сможет снабдить свою аппаратуру адекватной защитой от электромагнитных помех, проникающих из питающей сети. Если же вы не имеете возможности, либо желания дышать канифолью - покажите статью товарищу, который сможет вам помочь.

Грамотные производители должны были всё предусмотреть!

Фиг-вам! (изба такая индейская (с) кот Матроскин)

Открываем CD-проигрыватель, купленный в своё время за шесть сотен "зелёных". И что мы видим: рудиментарный сетевой фильтр тут имеется, но увы, лишь нарисованный шелкографией на плате, на дросселе и конденсаторах сэкономили. Вполне допускаю, что в их комнатах прослушивания, с идеальной фильтрацией питания, фильтр тот был и не нужен - не услышали "гуру" разницы от отсутствия фильтра. Ну и внесли "рацуху" - пошёл аппарат в массы голенький и беззащитный супротиву нового поколения электронных домов...

За работу!

В принципе, качественные фильтры промышленность выпускает. Только стОят они опять же дороговато. Этакие полностью экранированные коробочки со схемкой на боку. Катушечки там, конденсаторчики. Давайте же разберёмся, что там для чего, и соберём сами из доступных деталюх. Кстати, в пику аудиоманьякам я утверждаю, что грамотный сетевой фильтр в устройстве, собранный из качественных обычных (не аудиофильских) компонентов - гораздо эффективнее и "звучит" лучше, нежели любые самые эзотерические кабели питания, а так же и большинство "аудиофильских" же фильтров питания. Спорим? 😉

Скажи мне, кто твой враг

1) Дифференциальное напряжение помехи. Это такой "вредный" сигнал, который приходит вместе с "полезным" напряжением питания (или сигналом), его измеряют между двумя соединительными проводниками, "горячим" и "общим" проводами, или проще говоря - между двумя шинами питания.

2) Синфазное напряжение помехи. Этот сигнал измеряется между корпусом прибора (землей) и любым соединительным проводником. Особенность этой помехи в том, что она будет идентична на обоих проводах питания, т.е. в отличие от дифференциальной помехи её не поймать между проводами и она просачивается внутрь в обход обычных фильтров.

Блокировочный конденсатор

Конденсатор шунтирует дифференциальные ВЧ помехи и не пускает их дальше в аппарат. Надо не забыть разрядить его при выключении аппарата, а то взявшись нечаянно за вилку можно получить весьма ощутимую "мотивацию". Для этого ставим резистор, мирно греющийся в нормальном режиме работы. Ох не водить мне дружбы с "зелёными"...

Дроссель

Индуктивность (обыкновенный небольшой дроссель) формирует уже Г-образный LP фильтр с совместно с конденсатором. Конкретная частота среза фильтра нас не очень интересует. Дроссель потолще (лишь бы был рассчитан на _постоянный_ ток в несколько раз выше тока, потребляемого аппаратом), конденсатор побольше на напряжение не менее 310 вольт - и все довольны.

Синфазный трансформатор

Обмотки в таком трансформаторе идентичны и включены встречно, таким образом он беспрепятственно пропускает всё, что приходит как разница потенциалов между L и N. Иначе можно объяснить так: нормальный ток нагрузки создаёт встречные идентичные поля в сердечнике, которые взаимно компенсируются. Тогда зачем это всё - спросите вы?

Сердечник такого трансформатора остаётся неподмагниченным основной нагрузкой. Если же представить себе провода питания L и N вместе как один провод - то мы имеем немалую индуктивность на пути уже синфазной помехи, т.е. всего того, что наводится на обоих проводах одновременно. Провода же те, будь то обычный кабель питания за доллар, или экзотическое аудиофильское чудо - суть антенна, принимающая и станцию "Маяк", и всё, что излучают домашние электронные вонючки. Внутри же аудио агрегата нам и синфазная помеха ни к чему: через емкостную связь она может проникать в кишочки наших любимцев весьма агрессивно.

Два маленьких компаньона

Два маленьких конденсатора в компанию синфазному трансформатору. Они закорачивают на защитное заземление именно синфазную помеху и создают уже вкупе с синфазным трансформатором тоже своего рода Г-образный фильтр для синфазной помехи, не пускают её дальше в аппарат. Без них синфазная помеха, пусть и встретившая на своём пути немалое сопротивление нашего трансформатора - всё равно пойдёт искать свою жертву внутрь аппарата.

Антизвон

Антизвонная цепочка, или RC-цепь Цобеля. Несколько мистический зверёк, но очень полезный. Тут совместно с первичной обмоткой трансформатора в аппарате мы формируем колебательный контур с низкой добротностью, чтобы "поймать" то, что "выскочит" из первички при отключении питания. Искрогаситель. Защита остального фильтра и самого трансформатора от ЭДС самоиндукции при отключении в неудачный момент (при большом токе через первичку). Он так же вносит свою лепту в перевод ВЧ помех в тепло.

Не было бы конденсатора - такой низкоомный резистор просто взорвался бы от напряжения сети. Не было бы резистора - получили бы относительно высокодобротный контур совместно с первичкой и/или дросселем фильтра.

Другой взгляд: привносим чисто резистивную и весьма низкоомную составляющую импеданса нагрузки на ВЧ... Кто может объяснить лучше - милости прошу, помещу "в книжку" с сохранением авторства 😉

#ground_loop

Разрываем контур заземления

Резистор в параллель со встречно включенными диодами. В другой версии это мог бы быть дроссель. Включено это дело между защитным заземлением и корпусом прибора. Зачем, спросите вы - это, вроде, к фильтрации помех никакого отношения не имеет? Давайте разбираться.

Встречно включенные диоды успешно закоротят любую сильноточную утечку внутри корпуса прибора (коротыш какой, пробой) на защитное заземление. Тем самым мы соблюдаем требования техники безопасности: в случае аварии на корпусе прибора не должно появится опасного для жизни и здоровья человека напряжения. При этом диоды "разрывают" цепь для небольших напряжений.

Резистор создаёт путь для небольших токов. Если бы его не было, а внутренности прибора неплохо отвязаны от земли, то даже небольшие утечки создавали бы избыточный размах напряжения на корпусе относительно земли, и через емкостные связи это всё проникало бы в прибор.

Так для чего же всё-таки "отвязывать" защитную землю от корпуса? Дело в том, что на защитном заземлении могут наводиться напряжения: например той самой синфазной помехой, что мы отфильтровываем. Так же, увы, нередко встречается такая разводка сети, когда защитное заземление одновременно является и возвратным проводом для собственно напряжения сети. В этом случае даже на небольшом сопротивлении проводки немалый ток потребления создаёт ощутимое падение напряжения. Все эти факторы могут "разогнать" в нормальных условиях до десятков и даже сотен милливольт разницы потенциалов между защитными заземлениями разных агрегатов. Теперь, если мы передаём аудио-сигнал через соединения, заведённые одним проводом на корпус (RCA разъёмы "колокольчики", к сожалению так популярные в бытовом HiFi), то эта самая разность потенциалов между корпусами приборов будет напрямую замешана в сигнал.

Итого, отвязывая корпус прибора (а в большинстве случаев это значит - и сигнальную землю оного) от защитного заземления, мы тем самым ощутимо уменьшаем замешивание любых "чудачеств", что могут случиться в розетке - прямиком в сигнал. Конечно же, уважающий себя любитель качественного звуковоспроизведения будет использовать исключительно балансные соединения, иммунные к синфазной помехе. Только, увы, у меня ещё не все аппараты соединены исключительно балансными кабелями. А как с этим дело обстоит у вас, дорогой читатель? 😉

Собираем

Выключатель питания пристроен по принципу - где меньше искра будет. В остальном фильтр не сильно отличается от того, что ставят в дорогих компьютерных блоках питания. Кстати, оттуда же можно и детальками разжиться.

Тот фирменный аппарат, что я упомянул вначале статьи, тоже получил свою дозу фильтрации, подробности .

А ещё лучше - можно?

Можно! Экстремалы включают "встречно" огромные трансформаторы и фильтруют всё в низковольтной части. Результат несколько лучше, бюджет - на порядки выше.

Или возможно, вы захотите подарить своему лучшему другу - меломану недорогой подарок, за который он будет вам искренне благодарен? 😉 Взвесьте все за и против, и примите верное решение! .

This entry was posted in , by . Bookmark the .

Комментарии ВКонтакте

155 thoughts on “Сетевой фильтр для аудио — своими руками ”

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?