Emc фильтр как сделать схема
| Теги статьи: | Добавить тег |
Сетевой фильтр с защитой от перенапряжения и индикацией подключения фазы
Автор: Bear2011
Опубликовано 21.08.2014
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2014»
Первым делом хочу поздравить уважаемого Кота и пожелать ему хорошего (электро)питания
Заняться разработкой сетевого фильтра меня заставила лень – надоели сбои в работе контроллеров уличных светофоров. Доказывать что-либо работникам энергетической компании затруднительно, в большинстве своем и бесполезно, только зря потеряешь время. Собственно это даже не разработка, а компиляция материалов и различных схем, которых существует огромное количество. Большинство схемных решений мной взято уже готовыми – я лишь объединил их в попытке создать приемлемый для себя вариант. Сразу же отказался от микроконтроллерных систем – чем сложнее устройство, тем больше вероятность его выхода из строя, а если учесть количество светофоров, то можно получить обратный вариант – только вместо контроллеров пришлось бы чинить «контроллер для контроля электропитания», да и руководству излишние расходы не понравятся. Точно также отказался от защиты на аналоговых элементах, в связи с трудоемкостью их настройки ввиду разбросов параметров. В общем, взяв на вооружение известный принцип Оккама «сущность не стоит преумножать без необходимости» создал свой вариант, который и хочу представить в несколько переработанном виде, чтобы можно было использовать в быту. Надежность и долговечность самой защиты обеспечивается пассивными мерами (применение элементов с запасом по напряжению и току), а также некоторыми простыми схемотехническими решениями, которые давно известны, но не всегда используются (особенно в дешевых китайских поделках). Также хорошо известно, что эффективность защиты во многом зависит от качества заземления, поэтому было решено добавить в схему индикатор подключения фазы, который одновременно позволяет судить о исправности заземления.
Схема устройства
Устройство выполнено многоступенчатым для повышения характеристик
Предохранители F1,F2 и разрядник F3 обеспечивают защиту от повышенного напряжения или высоковольтных выбросов большой длительности. Кратковременные импульсы не способные вызвать срабатывание разрядника поглощаются варисторами VR1-VR3 и защитными диодами VD3, VD4
Фильтр сетевых помех выполнен двухкаскадным для большей эффективности. Катушки L1.1 – L1.2 и конденсаторы С1-С4 обеспечивают фильтрацию самых высокочастотных помех, а L2 и остальные конденсаторы, помех частотой ниже 200 кГц. Диаметр провода ля намотки катушек зависит от максимального тока (суммы токов) всех потребителей, которые будут подключены к данному устройству. Большинство сетевых фильтров рассчитаны на максимальную нагрузку 1 кВт, я рассчитывал исходя именно из этой цифры. При желании диаметр провода можно пересчитать под любую нагрузку по формуле
d=1.13√(I/j)
Где:
D – диаметр провода, мм;
I – максимальный действующий ток, А;
J – максимальная допустимая плотность тока А/мм2 (В данном случае можно принять любую из интервала 6-10 А/мм2)
Катушки L1 выполнены нихромовым проводом и одновременно играют роль токоограничительных резисторов. Это позволяет продлить жизнь варисторам и улучшить их работу при подавление крактовременных импульсов. Эти импульсы варисторы «пропускают через себя» ток при этом может достигать сотни ампер. Конечно токоограничительные резисторы не панацея и рекомендации заменять варисторы при малейшем внешнем проявлении деградации (потемнении) справедливы, но часто ли рядовой пользователь заглядывает внутрь, тем более в высоковольтную часть? Я думаю, большинство сталкивалось с «валенками» в радиаторах и вентиляторах компьютера. А уж лезть в высоковольтные цепи многие просто побояться.
Устройство собрано на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5…2 мм. При разработке печатной платы специально не «мельчил» и не ставил целью добиться минимальных размеров. На печатной плате со стороны деталей установлена перегородка из двухстороннего стеклотекстолита которая играет роль экрана между каскадами фильтра
Катушки L1.1 – L1.2 имеют индуктивность около 160 мкГн и выполнены на кольце 28*16*7.5 из феррита М2000НМ и имеют по 12 витков нихромового провода диаметром 0.85-1 мм. Намотка ведется с небольшим шагом для уменьшения межвитковой емкости. Катушки наматываются на противополжоных сторонах кольца с зазором между выводами 3-5 мм. Так как нихром плохо паяется, на печатной плате предусмотрена возможность крепления выводов при помощи винтов М3. Катушки желательно устанавливать на плату через теплоизолирующую прокладку. Индуктивность катушек L2.1 – L2.2 700 мкГн. Они выполнены на кольце из пермаллоя марки МП140 КП36*25*7.5 и содержат по 70 витков провода ПЭВ диаметром 0.85-1 мм. Намотка также выполняется на противоположных сторонах кольца виток к витку. Желательно убедиться в минимальном разбросе индуктивностей обеих катушек (симметричности) для обеспечения максимальной эффективности при подавлении синфазных помех.
Разрядник – трехэлектродный Т83-А420 можно заменить двумя двухэлектродными с напряжением срабатывания 420-430В (на печатной плате предусмотрена подобная замена). Варисторы S20K420 можно заменить любыми с рассеиваемой энергией 60-150 Дж и классификационным напряжением 420-430В. Симметричный защитный диод 1.5КЕ440СА можно заменить двумя такими же однополярными (без индекса СА). Двухцветный светодиод – любой с общим катодом (я использовал из отжившего пишущего CD-RW), следует только подобрать резисторы R1,R2 для обеспечения номинального тока. Его также можно заменить на два обычных, только индикация исправности заземления становиться не очень удобной.
Подключение к сети нужно осуществлять проводами соответствующего сечения (в зависимости от нагрузки). Ну а чтобы окончательно перекрыть путь помехам на сетевой провод возле самого фильтра желательно поставить ферритовый цилиндр, например снятый с интерфейсного кабеля старого ЭЛТ монитора. У себя в продаже я не нашел, а резать USB-кабель не хотелось
Так как рассеиваемая элементами в сетевом фильтре энергия импульсных помех выделяется в виде тепла температура некоторых элементов может достигать 200 градусов. Поэтому фильтр лучше поместить в корпус из негорючих материалов, а еще лучше – в металлический это создаст дополнительную экранировку.
Убираем помехи: промышленные фильтры для одно- и трехфазных сетей
Импульсные источники питания, тиристорные регуляторы, коммутаторы, мощные радиопередатчики, электродвигатели, подстанции, любые электроразряды вблизи линии электропередач (молнии, сварочные аппараты, и т.д.) генерируют узкополосные и широкополосные помехи различной природы и спектрального состава. Это затрудняет функционирование слаботочной чувствительной аппаратуры, вносит искажения в результаты измерений, вызывает сбои и даже выход из строя как узлов приборов, так и целых комплексов оборудования.
По характеру возникновения помехи подразделяют на противофазные и синфазные. Первые образуются как паразитное напряжение между прямым и обратным проводами сети. Они возникают, например, при большой паразитной емкости между полупроводниковым элементом и землей и при быстрых изменениях сигнала с большой амплитудой напряжения. Ток противофазной помехи в сигнальных проводах совпадает по направлению с током полезного сигнала. Напряжение синфазной помехи возникает как разность потенциалов между фазным проводом, обратным проводом (так называемая масса или нейтральный провод) и землей (корпус прибора, радиатор и т.п.). Ток синфазной помехи имеет одинаковое направление в прямом и обратном проводах сети.
В симметричных электрических цепях (незаземленные цепи и цепи с заземленной средней точкой) противофазная помеха проявляется в виде симметричных напряжений (на нагрузке) и называется симметричной, в иностранной литературе она называется «помехой дифференциального типа» (differential mode interference). Синфазная помеха в симметричной цепи называется асимметричной или «помехой общего типа» (common mode interference).
Симметричные помехи в линии обычно преобладают на частотах до нескольких сотен кГц. На частотах же выше 1 МГц преобладают асимметричные помехи.
Довольно простым случаем являются узкополосные помехи, устранение которых сводится к фильтрации основной (несущей) частоты помехи и ее гармоник. Гораздо более сложный случай — высокочастотные импульсные помехи, спектр которых занимает диапазон до десятков МГц. Борьба с такими помехами представляет собой довольно сложную задачу.
Устранить сильные комплексные помехи поможет только системный подход, включающий в себя перечень мер по подавлению нежелательных составляющих питающего напряжения и сигнальных цепей: экранирование, заземление, правильный монтаж питающих и сигнальных линий и, конечно же, фильтрацию. Огромное количество фильтрующих устройств различных конструкций, добротности, области применения и т.д. выпускаются и используются во всем мире.
В зависимости от типа помех и области применения, различаются и конструкции фильтров. Но, как правило, устройство представляет собой комбинацию LC-цепей, образующих фильтрующие каскады и фильтры П-типа.
Важной характеристикой сетевого фильтра является максимальный ток утечки. В силовых приложениях этот ток может достигать опасной для человека величины. Исходя из значений тока утечки, фильтры классифицируются по уровням безопасности: применения, допускающие контакт человека с корпусом устройства и применения, где контакт с корпусом нежелателен. Важно помнить, что корпус фильтра требует обязательного заземления.
Компания TE-Connectivity, основываясь на более чем 50-летнем опыте компании Corcom в проектировании и разработке электромагнитных и радиочастотных фильтров, предлагает широчайший спектр устройств для применения в различных отраслях промышленности и узлах аппаратуры. На российском рынке представлен ряд популярных серий от этого производителя.
Фильтры общего назначения серии B
Фильтры серии В (рисунок 1) — надежные и компактные фильтры по доступной цене. Большой диапазон рабочих токов, хорошая добротность и богатый выбор типов присоединения обеспечивают широкую область применения этих устройств.
Рис. 1. Внешний вид фильтров серии B
Серия B включает в себя две модификации — VB и EB, технические характеристики которых приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии B
Электрическая схема фильтра приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Электрическая схема фильтра серии B
Ослабление сигнала помехи в дБ приведено на рисунке 3.
Рис. 3. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии B
Фильтры серии T
Фильтры этой серии (рисунок 4) — высокопроизводительные радиочастотные фильтры для силовых цепей импульсных источников питания. Преимуществами серии являются превосходное подавление противофазных и синфазных помех, компактные размеры. Малые токи утечки позволяют применять серию T в устройствах с низким энергопотреблением.
Рис. 4. Внешний вид фильтра серии Т
Серия включает две модификации — ET и VT, технические характеристики которых приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии T
120 В 60 Гц для токов 3; 6; 10 А (15; 20 А)
Электрическая схема фильтра серии T приведена на рисунке 5.
Рис. 5. Электрическая схема фильтра серии T
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 6.
Рис. 6. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии T
Фильтры серии К
Фильтры серии К (рисунок 7) — силовые фильтры радиочастотного диапазона общего назначения. Они ориентированы на применение в силовых цепях с высокоомной нагрузкой. Отлично подходят для случаев, когда на линию наводится импульсная, непрерывная и/или пульсирующая помеха радиочастотного диапазона. Модели с индексом EK соответствуют требованиям стандартов для применения в портативных устройствах, медицинском оборудовании.
Рис. 7. Внешний вид сетевых фильтров серии К
Фильтры с индексом С оснащены дросселем между корпусом и заземляющим проводом. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии К приведены в таблице 3.
Таблица 3. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии К
Электрическая схема фильтра серии К приведена на рисунке 8.
Рис. 8. Электрическая схема фильтра серии К
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 9.
Рис. 9. Ослабление помехи фильтрами серии K
Фильтры серии EMC
Фильтры этой серии (рисунок 10) — компактные и эффективные двухступенчатые силовые фильтры радиочастотного диапазона. Обладают рядом преимуществ: высоким коэффициентом ослабления синфазных помех в области низких частот, высоким коэффициентом ослабления противофазных помех, компактными размерами. Серия EMC ориентирована на применение в устройствах с импульсными источниками питания.
Рис. 10. Внешний вид фильтров серии EMC
Основные технические характеристики приведены в таблице 4.
Таблица 4. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии EMC
120 В 60 Гц для токов 3; 6; 10 А (15; 20 А)
Электрическая схема фильтра серии EMC приведена на рисунке 11.
Рис. 11. Электрическая схема двухступенчатых фильтров серии EMC
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 12.
Рис. 12. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии EMC
Фильтры серии EDP
Фильтры серии EDP (рисунок 13) — радиочастотные фильтры общего назначения для монтажа на печатные платы. Обладают миниатюрными габаритами и улучшенной фильтрацией синфазных помех при низкой себестоимости и малых токах утечки.
Рис. 13. Внешний вид сетевых фильтров серии EDP
Основные электрические параметры сетевых фильтров серии представлены в таблице 5.
Таблица 5. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии EDP
120 В 60 Гц для токов 3; 6; 10 А (15; 20 А)
Электрическая схема фильтра серии EDP приведена на рисунке 14.
Рис. 14. Электрическая схема сетевых фильтров серии EDP
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 15.
Рис. 15. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии EMC
Фильтры серии FC
Однофазный сетевой фильтр для частотных преобразователей применим в условиях повышенных электромагнитных помех, защищает программируемые логические контроллеры (ПЛК) от негативных воздействий со стороны питающей сети переменного тока (рисунок 16).
Рис. 16. Внешний вид фильтра серии FC
Особая конструкция соединительных клемм обеспечивает безопасность подключения и эксплуатации. Серия нашла широкое применение в области промышленной автоматики. Основные технические характеристики приведены в таблице 6.
Таблица 6. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии FC
120 В 60 Гц для токов 3; 6; 10 А (15; 20 А)
Электрическая схема фильтра серии FC приведена на рисунке 17.
Рис. 17. Электрическая схема сетевых фильтров серии FC
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 18.
Рис. 18. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии FC
Фильтры серии AYO
Компактные трехфазные слаботочные сетевые фильтры предназначены для фильтрации сетевых помех в трехфазных общепромышленных сетях с нейтральным проводом (рисунок 19).
Рис. 19. Внешний вид трехфазного сетевого фильтра серии AYO
Особенностью силовых фильтров серии AYO является наличие цепей фильтрации как силовых линий, так и нейтрали. Характеризуются малыми токами утечки, небольшими габаритными размерами, что позволяет использовать их в компактной аппаратуре. Фильтр обеспечивает эффективное подавление помех в широком диапазоне частот от 100 кГц. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии AYO рассмотрены в таблице 7.
Таблица 7. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии AYO
120 В 60 Гц для токов 3; 6; 10 А (15; 20 А)
Электрическая схема фильтра серии AYO приведена на рисунке 20.
Рис. 20. Электрическая схема трехфазного сетевого фильтра серии AYO
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 21.
Рис. 21. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии AYO
При выборе сетевого фильтра необходимо учитывать его рабочее напряжение, номинальный ток и полосу рабочих частот. Показателем эффективности является коэффициент ослабления помехи как отношение сигнала помехи на входе фильтра к его уровню на выходе.
Характерная рабочая температура для всех рассмотренных серий лежит в пределах -10…40°С. При температуре окружающей среды выше 40°С максимально допустимый рабочий ток рассчитывается по формуле:
Компания КОМПЭЛ поддерживает на складе наиболее востребованные модели рассмотренных сетевых фильтров производства компании TE Connectivity. Эти позиции и их краткие характеристики показаны в таблице 8.
Таблица 8. Складские позиции КОМПЭЛ
| Наименование | Серия | Количество фаз нагрузки | Номинальное напряжение фильтра, В | Номинальный ток, А | Размеры ДхШхВ, мм |
|---|---|---|---|---|---|
| 1EB1 | B | 1 | 250 | 1 | 57х64х17 |
| 5EB1 | B | 1 | 250 | 5 | 66х64х19 |
| 6ET1 | T | 1 | 250 | 6 | 90х85х46 |
| 10ET1 | T | 1 | 250 | 10 | 119х113х45 |
| 15VT1 | T | 1 | 250 | 15 | 138х100х55 |
| 15VT6 | T | 1 | 250 | 15 | 151х100х55 |
| 10VK6 | K | 1 | 250 | 10 | 87х71х29 |
| 20VK6 | K | 1 | 250 | 20 | 87х85х38 |
| 40VK6 | K | 1 | 250 | 40 | 135х106х38 |
| 3EMC1 | EMC | 1 | 250 | 3 | 85х70х29 |
| 10EMC1 | EMC | 1 | 250 | 10 | 97х85х38 |
| 15EMC1 | EMC | 1 | 250 | 15 | 126х113х45 |
| 20EMC1 | EMC | 1 | 250 | 20 | 126х113х45 |
| 3EDP | EDP | 1 | 250 | 3 | 36х31х24 |
| 6EDP | EDP | 1 | 250 | 6 | 36х31х24 |
| 10EDP | EDP | 1 | 250 | 10 | 36х31х24 |
| 6AYO1 | AYO | 3 | 440 | 6 | 85х85х38 |
| 10AYO1 | AYO | 3 | 440 | 10 | 85х85х38 |
| 20AYO1 | AYO | 3 | 440 | 20 | 85х85х38 |
| 6FC10 | FC | 1 | 250 | 6 | 116х78х45 |
| 12FC10 | FC | 1 | 250 | 12 | 139х100х55 |
| 16FC10 | FC | 1 | 250 | 16 | 139х100х55 |
Заключение
Все сетевые фильтры производства TE Connectivity соответствуют стандартам UL, имеют сертификацию CSA и рекомендации по применению VDE, что свидетельствует о безопасности, эффективности и качестве изделий.
Следует еще раз отметить, что борьба с помехами — это комплекс мер. Применение одних только фильтров не гарантирует успеха, но является одним из эффективных способов подавления или значительного снижения наводимых и излучаемых помех для улучшения электромагнитной совместимости оборудования. Следует также помнить, что применимость конкретной модели фильтра для конечной задачи можно оценить только экспериментально. Наличие складских позиций у компании КОМПЭЛ дает возможность получить образцы и оценить их эффективность в кратчайшие сроки.
Литература
2. Corcom Product Guide, General purpose RFI filters for high impedance loads at low current B Series, TE Connectivity, 1654001, 06/2011, p. 15
3. Corcom Product Guide, PC board mountable general purpose RFI filters EBP, EDP & EOP series, TE Connectivity, 1654001, 06/2011, p. 21
4. Corcom Product Guide, Compact and cost-effective dual stage RFI power line filters EMC Series, TE Connectivity, 1654001, 06/2011, p. 24
5. Corcom Product Guide, Single phase power line filter for frequency converters FC Series, 1654001, 06/2011, p. 30
6. Corcom Product Guide, General purpose RFI power line filters — ideal for high-impedance loads K Series, 1654001, 06/2011, p. 49
7. Corcom Product Guide, High performance RFI power line filters for switching power supplies T Series, 1654001, 06/2011, p. 80
8. Corcom Product Guide, Compact low-current 3-phase WYE RFI filters AYO Series, 1654001, 06/2011, p. 111.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: passiv.vesti@compel.ru
Сетевые и сигнальные EMI/RFI-фильтры от TE Connectivity. От платы до промышленной установки
Компания TE Connectivity занимает лидирующие позиции в мире по разработке и производству сетевых фильтров для эффективного подавления электромагнитных и радиочастотных помех в электронике и промышленности. Модельный ряд включает в себя более 70 серий устройств для фильтрации как цепей питания от внешних и внутренних источников, так и сигнальных цепей в широчайшей сфере применений.
Фильтры имеют следующие варианты конструктивного исполнения: миниатюрные для установки на печатную плату; корпусные различных размеров и типов присоединения питающих линий и линий нагрузки; в виде готовых разъемов питания и коммуникационных разъемов сетевого и телефонного оборудования; индустриальные, выполненные в виде готовых промышленных шкафов.
Сетевые фильтры выпускаются для AC и DC приложений, одно- и трехфазных сетей, перекрывают диапазон рабочих токов 1…1200 А и напряжений 120/250/480 VAC, 48…130 VDC. Все устройства характеризуются низким падением напряжения — не более 1% от рабочего. Ток утечки, в зависимости от мощности и конструкции фильтра, составляет 0,2…8,0 мА. Усредненный частотный диапазон по сериям — 10 кГц…30 МГц. Серия AQ рассчитана на более широкий диапазон частот: 10 кГц…1 ГГц. Расширяя области применения своих устройств, TE Connectivity выпускает фильтры для цепей нагрузки с низким и высоким импедансом. Например, высокоимпедансные фильтры серий EP, H, Q, R и V для низкоимпедансных нагрузок и низкоимпедансные серии B, EC, ED, EF, G, K, N, Q, S, SK, T, W, X, Y и Z для высокоимпедансных нагрузок.
Коммуникационные разъемы со встроенными сигнальными фильтрами выпускаются в экранированном, спаренном и низкопрофильном исполнении.
Каждый фильтр производства TE Connectivity подвергается двойному тестированию: на этапе сборки и уже в виде готового изделия. Вся продукция соответствуют международным стандартам качества и безопасности.
Убираем помехи: промышленные фильтры для одно- и трехфазных сетей
Импульсные источники питания, тиристорные регуляторы, коммутаторы, мощные радиопередатчики, электродвигатели, подстанции, любые электроразряды вблизи линии электропередач (молнии, сварочные аппараты, и т.д.) генерируют узкополосные и широкополосные помехи различной природы и спектрального состава. Это затрудняет функционирование слаботочной чувствительной аппаратуры, вносит искажения в результаты измерений, вызывает сбои и даже выход из строя как узлов приборов, так и целых комплексов оборудования.
По характеру возникновения помехи подразделяют на противофазные и синфазные. Первые образуются как паразитное напряжение между прямым и обратным проводами сети. Они возникают, например, при большой паразитной емкости между полупроводниковым элементом и землей и при быстрых изменениях сигнала с большой амплитудой напряжения. Ток противофазной помехи в сигнальных проводах совпадает по направлению с током полезного сигнала. Напряжение синфазной помехи возникает как разность потенциалов между фазным проводом, обратным проводом (так называемая масса или нейтральный провод) и землей (корпус прибора, радиатор и т.п.). Ток синфазной помехи имеет одинаковое направление в прямом и обратном проводах сети.
В симметричных электрических цепях (незаземленные цепи и цепи с заземленной средней точкой) противофазная помеха проявляется в виде симметричных напряжений (на нагрузке) и называется симметричной, в иностранной литературе она называется «помехой дифференциального типа» (differential mode interference). Синфазная помеха в симметричной цепи называется асимметричной или «помехой общего типа» (common mode interference).
Симметричные помехи в линии обычно преобладают на частотах до нескольких сотен кГц. На частотах же выше 1 МГц преобладают асимметричные помехи.
Довольно простым случаем являются узкополосные помехи, устранение которых сводится к фильтрации основной (несущей) частоты помехи и ее гармоник. Гораздо более сложный случай — высокочастотные импульсные помехи, спектр которых занимает диапазон до десятков МГц. Борьба с такими помехами представляет собой довольно сложную задачу.
Устранить сильные комплексные помехи поможет только системный подход, включающий в себя перечень мер по подавлению нежелательных составляющих питающего напряжения и сигнальных цепей: экранирование, заземление, правильный монтаж питающих и сигнальных линий и, конечно же, фильтрацию. Огромное количество фильтрующих устройств различных конструкций, добротности, области применения и т.д. выпускаются и используются во всем мире.
В зависимости от типа помех и области применения, различаются и конструкции фильтров. Но, как правило, устройство представляет собой комбинацию LC-цепей, образующих фильтрующие каскады и фильтры П-типа.
Важной характеристикой сетевого фильтра является максимальный ток утечки. В силовых приложениях этот ток может достигать опасной для человека величины. Исходя из значений тока утечки, фильтры классифицируются по уровням безопасности: применения, допускающие контакт человека с корпусом устройства и применения, где контакт с корпусом нежелателен. Важно помнить, что корпус фильтра требует обязательного заземления.
Компания TE-Connectivity, основываясь на более чем 50-летнем опыте компании Corcom в проектировании и разработке электромагнитных и радиочастотных фильтров, предлагает широчайший спектр устройств для применения в различных отраслях промышленности и узлах аппаратуры. На российском рынке представлен ряд популярных серий от этого производителя.
Фильтры общего назначения серии B
Фильтры серии В (рисунок 1) — надежные и компактные фильтры по доступной цене. Большой диапазон рабочих токов, хорошая добротность и богатый выбор типов присоединения обеспечивают широкую область применения этих устройств.
Рис. 1. Внешний вид фильтров серии B
Серия B включает в себя две модификации — VB и EB, технические характеристики которых приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии B
Электрическая схема фильтра приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Электрическая схема фильтра серии B
Ослабление сигнала помехи в дБ приведено на рисунке 3.
Рис. 3. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии B
Секрет качественного радиосигнала
Несмотря на то, что в настоящее время число радиостанций в большинстве населённых пунктов нашей необъятной страны существует просто неимоверное количество, качество принимаемого сигнала иногда желает лучшего. Причины, вызывающие ухудшение качества приёма радиоволны можно условно разделить на два вида:
| Причины | Параметры причин |
| Объективные | Это причины, от которых зависим мы, и которые мы изменить не в силах. То есть такие как холмистость местности, погодные условия, высоковольтные провода и т. п. |
| Субъективные | Это те причины, исправление и устранение которых нам по силам. То есть это качество тюнера автомагнитолы, принимающая антенна и радиопомехи, создаваемые непосредственно электрооборудованием самого автомобиля. |
Фильтры серии T
Фильтры этой серии (рисунок 4) — высокопроизводительные радиочастотные фильтры для силовых цепей импульсных источников питания. Преимуществами серии являются превосходное подавление противофазных и синфазных помех, компактные размеры. Малые токи утечки позволяют применять серию T в устройствах с низким энергопотреблением.
Рис. 4. Внешний вид фильтра серии Т
Серия включает две модификации — ET и VT, технические характеристики которых приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии T
Электрическая схема фильтра серии T приведена на рисунке 5.
Рис. 5. Электрическая схема фильтра серии T
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 6.
Рис. 6. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии T
Выводы
Как и прежде, входные фильтры независимо от уровня переменной составляющей являются необходимым средством для успешной сертификации конечных изделий на соответствие требованиям к электромагнитной совместимости (ЭМС). Для самостоятельного расчета такого входного фильтра можно использовать достаточно простые формулы. Грамотный подход к проектированию фильтра с учетом его импедансов и импульсного преобразователя позволяет избежать возникновения паразитных колебаний, а также обеспечивает стабильность контура управления и самого импульсного преобразователя.
Поскольку целенаправленный выбор компонентов фильтра закладывает основы для его оптимальной конструкции, входной фильтр, созданный с учетом всех требований, гарантирует определенный успех при тестировании конечного оборудования на соответствие ЭМС. Разработчик конечного оборудования может при необходимости создать собственный импульсный преобразователь и с помощью несложной методики расчета, представленной в этой статье, скорректировать фильтр для решения конкретной задачи.
Литература
- Ranjith Bramanpalli. Input Filters — The Key to Successful EMC Validation.
- Алексей Чистяков. Некоторые особенности обмоток дросселей и трансформаторов для преобразователей//Электронные компоненты. 2021. № 1.
- Александр Герфер, Ранжит Браманпалли, Джокен Байер. Высокоточный расчет силового дросселя для энергоэффективных приложений // Электронные компоненты. 2021. № 10.
- Алексей Чистяков. Конденсаторы для источников питания и преобразователей // Электронные компоненты. 2021. № 10.
- ГОСТ CISPR 16-2-1-2015. Требования к аппаратуре для измерения радиопомех и помехоустойчивости и методы измерения. Часть 2–1. Методы измерения помех и помехоустойчивости. Измерения кондуктивных помех.
- ГОСТ CISPR 16-2-3-2016. Требования к аппаратуре для измерения радиопомех и помехоустойчивости и методы измерения. Часть 2–3. Методы измерения радиопомех и помехоустойчивости. Измерения излучаемых помех.
- ГОСТ 30805.22-2013 (CISPR 22:2006). Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование информационных технологий. Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений.
Фильтры серии К
Фильтры серии К (рисунок 7) — силовые фильтры радиочастотного диапазона общего назначения. Они ориентированы на применение в силовых цепях с высокоомной нагрузкой. Отлично подходят для случаев, когда на линию наводится импульсная, непрерывная и/или пульсирующая помеха радиочастотного диапазона. Модели с индексом EK соответствуют требованиям стандартов для применения в портативных устройствах, медицинском оборудовании.
Рис. 7. Внешний вид сетевых фильтров серии К
Фильтры с индексом С оснащены дросселем между корпусом и заземляющим проводом. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии К приведены в таблице 3.
Таблица 3. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии К
Электрическая схема фильтра серии К приведена на рисунке 8.
Рис. 8. Электрическая схема фильтра серии К
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 9.
Рис. 9. Ослабление помехи фильтрами серии K
А ещё лучше — можно?
Можно! Экстремалы включают «встречно» огромные трансформаторы и фильтруют всё в низковольтной части. Результат несколько лучше, бюджет — на порядки выше.
Так же мы опустили MOV (варисторы) «искрогасители» и прочие устройства защиты от импульсных перенапряжений. Этим как раз занимаются все подряд сетевые фильтры за десять баксов. Опять же можно из компьютерного БП вытащить и поставить на входе, сразу за предохранителем. Качества звука это не добавит, но может спасти аппарат в грозу. Так же варистор способен уберечь конденсаторы фильтра от деградации, хоть бы они и были «самовосстанавливающимися». Постепенная деградация фильтров связана с нефатальными пробоями, вызванными кратковременными бросками напряжения сети, неизбежными при наличии коммутируемой индуктивной нагрузки, и кстати, совсем не обязательно в самом защищаемом аппарате.
Если аппарат очень мощный — нелишним будет терморезистор или более сложная схема плавного старта, чтобы не поубивать проводку во всём доме в момент включения аппарата током заряда огромных банок фильтров питания…
Если знаете, как сделать ещё лучше — напишите в комментариях!
Фильтры серии EMC
Фильтры этой серии (рисунок 10) — компактные и эффективные двухступенчатые силовые фильтры радиочастотного диапазона. Обладают рядом преимуществ: высоким коэффициентом ослабления синфазных помех в области низких частот, высоким коэффициентом ослабления противофазных помех, компактными размерами. Серия EMC ориентирована на применение в устройствах с импульсными источниками питания.
Рис. 10. Внешний вид фильтров серии EMC
Основные технические характеристики приведены в таблице 4.
Таблица 4. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии EMC
Электрическая схема фильтра серии EMC приведена на рисунке 11.
Рис. 11. Электрическая схема двухступенчатых фильтров серии EMC
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 12.
Рис. 12. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии EMC
Фильтры серии EDP
Фильтры серии EDP (рисунок 13) — радиочастотные фильтры общего назначения для монтажа на печатные платы. Обладают миниатюрными габаритами и улучшенной фильтрацией синфазных помех при низкой себестоимости и малых токах утечки.
Рис. 13. Внешний вид сетевых фильтров серии EDP
Основные электрические параметры сетевых фильтров серии представлены в таблице 5.
Таблица 5. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии EDP
Электрическая схема фильтра серии EDP приведена на рисунке 14.
Рис. 14. Электрическая схема сетевых фильтров серии EDP
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 15.
Рис. 15. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии EMC
Фильтры серии FC
Однофазный сетевой фильтр для частотных преобразователей применим в условиях повышенных электромагнитных помех, защищает программируемые логические контроллеры (ПЛК) от негативных воздействий со стороны питающей сети переменного тока (рисунок 16).
Рис. 16. Внешний вид фильтра серии FC
Особая конструкция соединительных клемм обеспечивает безопасность подключения и эксплуатации. Серия нашла широкое применение в области промышленной автоматики. Основные технические характеристики приведены в таблице 6.
Таблица 6. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии FC
Электрическая схема фильтра серии FC приведена на рисунке 17.
Рис. 17. Электрическая схема сетевых фильтров серии FC
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 18.
Рис. 18. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии FC
Измерение напряжения шумов и помех в цепях питания и излучаемых радиопомех
Измерение напряжения шумов и помех выполняется в соответствии с основным стандартом IEC CISPR 16-2-1 [5]. В этом стандарте описываются типы измеряемых помех, оборудование, которое должно использоваться для разных измерений, и измерительная установка для настольных и напольных устройств. Уровень помех в проводах питающей сети оценивается в диапазоне частот 9 кГц…30 МГц. К измерительным приборам помимо приемника электромагнитных помех относятся схемы стабилизации полного сопротивления линии LISN (Line Impedance Stabilizing Network), пробники напряжения, токовые клещи и емкостные пробники напряжения. Длина кабеля между тестируемым устройством и LISN не должна превышать 80 см. Приемник электромагнитных помех оценивает асимметричное шумовое напряжение, которое разделяется в LISN для отдельных проводов кабеля.
Метод измерения излучаемых радиопомех с частотой выше 30 МГц описан в базовом стандарте IEC CISPR16-2-3 [6]. Измерительная среда представляет собой полностью безэховую комнату с токопроводящим полом или в меньших масштабах — полностью безэховую камеру.
Фильтры серии AYO
Компактные трехфазные слаботочные сетевые фильтры предназначены для фильтрации сетевых помех в трехфазных общепромышленных сетях с нейтральным проводом (рисунок 19).
Рис. 19. Внешний вид трехфазного сетевого фильтра серии AYO
Особенностью силовых фильтров серии AYO является наличие цепей фильтрации как силовых линий, так и нейтрали. Характеризуются малыми токами утечки, небольшими габаритными размерами, что позволяет использовать их в компактной аппаратуре. Фильтр обеспечивает эффективное подавление помех в широком диапазоне частот от 100 кГц. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии AYO рассмотрены в таблице 7.
Таблица 7. Основные технические характеристики сетевых фильтров серии AYO
Электрическая схема фильтра серии AYO приведена на рисунке 20.
Рис. 20. Электрическая схема трехфазного сетевого фильтра серии AYO
Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 21.
Рис. 21. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии AYO
При выборе сетевого фильтра необходимо учитывать его рабочее напряжение, номинальный ток и полосу рабочих частот. Показателем эффективности является коэффициент ослабления помехи как отношение сигнала помехи на входе фильтра к его уровню на выходе.
Характерная рабочая температура для всех рассмотренных серий лежит в пределах -10…40°С. При температуре окружающей среды выше 40°С максимально допустимый рабочий ток рассчитывается по формуле:
Компания КОМПЭЛ поддерживает на складе наиболее востребованные модели рассмотренных сетевых фильтров производства компании TE Connectivity. Эти позиции и их краткие характеристики показаны в таблице 8.
Таблица 8. Складские позиции КОМПЭЛ
| Наименование | Серия | Количество фаз нагрузки | Номинальное напряжение фильтра, В | Номинальный ток, А | Размеры ДхШхВ, мм |
| 1EB1 | B | 1 | 250 | 1 | 57х64х17 |
| 5EB1 | B | 1 | 250 | 5 | 66х64х19 |
| 6ET1 | T | 1 | 250 | 6 | 90х85х46 |
| 10ET1 | T | 1 | 250 | 10 | 119х113х45 |
| 15VT1 | T | 1 | 250 | 15 | 138х100х55 |
| 15VT6 | T | 1 | 250 | 15 | 151х100х55 |
| 10VK6 | K | 1 | 250 | 10 | 87х71х29 |
| 20VK6 | K | 1 | 250 | 20 | 87х85х38 |
| 40VK6 | K | 1 | 250 | 40 | 135х106х38 |
| 3EMC1 | EMC | 1 | 250 | 3 | 85х70х29 |
| 10EMC1 | EMC | 1 | 250 | 10 | 97х85х38 |
| 15EMC1 | EMC | 1 | 250 | 15 | 126х113х45 |
| 20EMC1 | EMC | 1 | 250 | 20 | 126х113х45 |
| 3EDP | EDP | 1 | 250 | 3 | 36х31х24 |
| 6EDP | EDP | 1 | 250 | 6 | 36х31х24 |
| 10EDP | EDP | 1 | 250 | 10 | 36х31х24 |
| 6AYO1 | AYO | 3 | 440 | 6 | 85х85х38 |
| 10AYO1 | AYO | 3 | 440 | 10 | 85х85х38 |
| 20AYO1 | AYO | 3 | 440 | 20 | 85х85х38 |
| 6FC10 | FC | 1 | 250 | 6 | 116х78х45 |
| 12FC10 | FC | 1 | 250 | 12 | 139х100х55 |
| 16FC10 | FC | 1 | 250 | 16 | 139х100х55 |
Литература
2. Corcom Product Guide, General purpose RFI filters for high impedance loads at low current B Series, TE Connectivity, 1654001, 06/2011, p. 15
3. Corcom Product Guide, PC board mountable general purpose RFI filters EBP, EDP & EOP series, TE Connectivity, 1654001, 06/2011, p. 21
4. Corcom Product Guide, Compact and cost-effective dual stage RFI power line filters EMC Series, TE Connectivity, 1654001, 06/2011, p. 24
5. Corcom Product Guide, Single phase power line filter for frequency converters FC Series, 1654001, 06/2011, p. 30
6. Corcom Product Guide, General purpose RFI power line filters — ideal for high-impedance loads K Series, 1654001, 06/2011, p. 49
7. Corcom Product Guide, High performance RFI power line filters for switching power supplies T Series, 1654001, 06/2011, p. 80
8. Corcom Product Guide, Compact low-current 3-phase WYE RFI filters AYO Series, 1654001, 06/2011, p. 111.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail
Сетевые и сигнальные EMI/RFI-фильтры от TE Connectivity. От платы до промышленной установки
Компания TE Connectivity занимает лидирующие позиции в мире по разработке и производству сетевых фильтров для эффективного подавления электромагнитных и радиочастотных помех в электронике и промышленности. Модельный ряд включает в себя более 70 серий устройств для фильтрации как цепей питания от внешних и внутренних источников, так и сигнальных цепей в широчайшей сфере применений.
Фильтры имеют следующие варианты конструктивного исполнения: миниатюрные для установки на печатную плату; корпусные различных размеров и типов присоединения питающих линий и линий нагрузки; в виде готовых разъемов питания и коммуникационных разъемов сетевого и телефонного оборудования; индустриальные, выполненные в виде готовых промышленных шкафов.
Сетевые фильтры выпускаются для AC и DC приложений, одно- и трехфазных сетей, перекрывают диапазон рабочих токов 1…1200 А и напряжений 120/250/480 VAC, 48…130 VDC. Все устройства характеризуются низким падением напряжения — не более 1% от рабочего. Ток утечки, в зависимости от мощности и конструкции фильтра, составляет 0,2…8,0 мА. Усредненный частотный диапазон по сериям — 10 кГц…30 МГц. Серия AQ рассчитана на более широкий диапазон частот: 10 кГц…1 ГГц. Расширяя области применения своих устройств, TE Connectivity выпускает фильтры для цепей нагрузки с низким и высоким импедансом. Например, высокоимпедансные фильтры серий EP, H, Q, R и V для низкоимпедансных нагрузок и низкоимпедансные серии B, EC, ED, EF, G, K, N, Q, S, SK, T, W, X, Y и Z для высокоимпедансных нагрузок.
Коммуникационные разъемы со встроенными сигнальными фильтрами выпускаются в экранированном, спаренном и низкопрофильном исполнении.
Каждый фильтр производства TE Connectivity подвергается двойному тестированию: на этапе сборки и уже в виде готового изделия. Вся продукция соответствуют международным стандартам качества и безопасности.
ЭМП-фильтры и сглаживающие фильтры для импульсных преобразователей
Входные и выходные фильтры — необходимая составляющая практически любой электронной системы, в состав которой входят импульсные преобразователи или быстродействующие компоненты. И хотя входные ЭМП-фильтры и выходные сглаживающие фильтры служат разным целям, их конфигурация в ряде случаев может быть схожа.
Основное назначение входных фильтров заключается в защите от электромагнитных помех (ЭМП), генерируемых преобразователем, а также защита от возможных помех со стороны сети. Во многих случаях наилучшим выбором является покупной ЭМП-фильтр, в котором предусмотрена фильтрация дифференциальных и синфазных помех. Эти фильтры устанавливаются между питающей сетью и AC/DC-преобразователем. В состав фильтров входят магнитосвязанные дроссели и емкости. В общем случае схема такого фильтра представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема синфазного и дифференциального ЭМП-фильтра
В этом ЭМП-фильтре последовательно включены два фильтра. Ближний к сети ЭМП-фильтр дифференциальных помех состоит из конденсаторов CY5, CY6, CX2 и магнитосвязанного двухобмоточного дросселя LDM. Последовательно с ним установлен ЭМП-фильтр дифференциальных помех, в состав которого входят конденсаторы CY3, CY4, CX1 и магнитосвязанный двухобмоточный дроссель LCM.
Как видно из рисунка, ЭМП-фильтры синфазных и дифференциальных помех имеют схожую конфигурацию за исключением расположения начала и конца обмоток дросселей LDM и LCM. Различие объясняется следующим образом. Токи дифференциальных помех в фазе и нейтрали протекают в разных направлениях, а токи синфазных помех в фазе и нейтрали текут в одном направлении и замыкаются через корпус или заземление. Таким образом, в обоих дросселях магнитные потоки, создаваемые двумя обмотками, складываются. Следовательно, индуктивность дросселя возрастает, и ЭМП-фильтр работает как классический LC-фильтр.
Описанные выше ЭМП-фильтры, как правило, устанавливаются в линиях сетевого напряжения 220 В на входе AC/DC-преобразователя. ЭМПфильтры производятся многими известными на российском рынке электроники компаниями, среди которых Murata, Epcos, Würth Elektronik и многие другие.
Автор настоятельно рекомендует использовать покупные фильтры и не пытаться изготавливать их самостоятельно из дискретных компонентов. Не следует использовать ЭМП-фильтры для цепей переменного тока в цепях постоянного тока. Постоянный ток создаст подмагничивание дросселей фильтра, а всплески токов помех приводят к насыщению сердечника дросселя, что влечет за собой уменьшение их индуктивности и, следовательно, фильтрующих свойств.
Однако не всегда можно использовать готовые ЭМП-фильтры. Например, в распределенных системах питания в цепях постоянного тока после шинного преобразователя или перед ним может понадобиться установить ЭМП-фильтр перед PoL-преобразователем. В этом случае, скорее всего, придется создать такой фильтр на дискретных компонентах, особенно если невелика мощность преобразователя, перед которым устанавливается фильтр.
Примером может служить LC-фильтр, показанный на рис. 2. Поскольку фильтр описывается уравнением 2‑го порядка и представляет собой хорошо известное колебательное звено, мы лишь приведем окончательные соотношения.
Рис. 2. ЭМП-фильтр LC-типа
Собственная частота колебательного звена определяется из соотношения (1):
Величина демпфирования определяется из соотношения (2):
В схеме на рис. 2 отсутствует резистор R в явном виде, поэтому такой фильтр называется недемпфированным, но это не значит, что R = 0 и любое входное воздействие порождает в фильтре незатухающие колебания. Величина R складывается из омического сопротивления дросселя RDC, эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора (ESR) и сопротивления проводников. Передаточная характеристика этого фильтра показана на рис. 3.
Рис. 3. Передаточная характеристика LC-фильтра
Как видно из этого рисунка, чем меньше степень демпфирования β, тем ярче выражен резонансный пик в частотной области. Также при условии β<1, чем меньше β, тем более явно выражен колебательный переходный процесс во временной области. В последнем случае вполне уместен афоризм «лучшее – враг хорошего». Известны случаи, когда из-за использования в шинах постоянного тока высококачественных конденсаторов с очень малым ESR возникали колебания напряжения на шине именно из-за малой величины ESR, т. к. при сокращении ESR уменьшалась степень демпфирования и возрастала колебательность переходного процесса.
Следует учесть еще одно обстоятельство: ЭМП-фильтр будет работать так, как рассчитано, лишь в том случае, если его выходной импеданс существенно меньше, чем входной импеданс преобразователя. В противном случае подключение к выходу фильтра преобразователя заметно исказит характеристики фильтра. И фильтр может исказить работу преобразователя.
Входную цепь преобразователя в общем случае можно представить в виде последовательной RLC-цепочки. Таким образом, у частотной характеристики импеданса появится экстремум в виде минимума. Чтобы устранить взаимовлияние ЭМП-фильтра и преобразователя, желательно, чтобы выходной импеданс преобразователя был на порядок меньше входного импеданса ЭМП-фильтра.
На рис. 4 приведен пример частотной зависимости импедансов ЭМП-фильтра и преобразователя. Из этого рисунка, а также из приведенных выше соображений ясно, что величина демпфирования не должна быть слишком малой. С другой стороны, чрезмерное увеличение β устранит колебательность, переходный процесс станет апериодическим и затянется во времени. Как правило, оптимальное значение β следует выбирать в пределах 0,5–1,0.
Рис. 4. Частотные зависимости импедансов ЭМП-фильтра и преобразователя
При недемпфированном фильтре (рис. 2) значение R в соотношении (2) в основном определяется суммой RDC + ESR, но этой величины недостаточно, чтобы увеличить β до 0,7–1,0. Следовательно, требуется ввести дополнительное сопротивление. Наилучший вариант введения демпфирующей цепочки показан на рис. 5. Цепочка Z3 состоит из последовательно соединенных резистора Rd и конденсатора Cd. Последний блокирует постоянное напряжение и предотвращает дополнительную потерю мощности на резисторе Rd. Коэффициент демпфирования ЭМП-фильтра с демпфирующей цепочкой описывается выражением (3):
Рис. 5. Демпфированный LC-фильтр
Из практических соображений величина n должна находиться в пределах 4–7 единиц. На рис. 6 показана частотная зависимость импедансов демпфированного и недемпфированного фильтров. Резонансный пик демпфированного ЭМП-фильтра существенно меньше, чем у недемпфированного. Демпфирующую цепочку можно составить из последовательной RL-цепочки и подсоединить ее параллельно индуктивности фильтра, но это не самое лучшее, на наш взгляд, решение, т. к. увеличивается мощность рассеяния на резисторе.
Рис. 6. Частотные зависимости импедансов демпфированного и недемпфированного LC-фильтра
Если последовательно включить несколько LC-фильтров, увеличится крутизна спада АЧХ ЭМП-фильтра в области ω>ω0, и улучшится фильтрация помех, но, как представляется автору, такое решение не имеет смысла. Габариты решения заметно возрастут, а увеличение крутизны спада АЧХ фильтра не принесет практической выгоды. Рабочая частота PoL-преобразователей в настоящее время находится в диапазоне примерно 1–2 МГц.
С учетом требований стандартов частота среза ЭМП-фильтра должна находиться в пределах нескольких кГц. Если выбрать величину β ≈ 1, то ослабление на частоте 1 МГц составит 50–60 дБ, что вполне достаточно для подавления помех. Если все же потребуется более значительное ослабление, возможно, следует подумать не о применении двухкаскадного ЭМП-фильтра, а проанализировать систему питания и принять иные меры к уменьшению помех.
Выходные сглаживающие фильтры
В качестве сглаживающих выходных фильтров используются те же LC-фильтры, которые были рассмотрены выше. Однако в данном случае такие фильтры не удастся заменить покупными, и их всякий раз приходится рассчитывать разработчику. Выходной сглаживающий фильтр позволяет снизить пульсации выходного напряжения до единиц мВ или даже нескольких сотен мкВ. Уменьшение амплитуды пульсаций до десятков мкВ едва ли возможно, даже если увеличить число каскадов выходного фильтра.
Уменьшению пульсаций помешают паразитные составляющие компонентов фильтра и проводников печатной платы. Кроме того, из-за джиттера частоты коммутации в спектре выходного напряжения могут возникать низкочастотные составляющие вплоть до нескольких Гц. Их, конечно, невозможно подавить сглаживающим фильтром. Таким образом, если требуется ограничить пульсации выходного напряжения вплоть до мкВ, после сглаживающего фильтра в цепь питания устанавливается LDO-регулятор.
Рис. 7. Сглаживающий фильтр на выходе повышающего преобразователя
Рассмотрим наиболее распространенную конфигурацию сглаживающего фильтра – π-фильтр (или П-фильтр). Схема его включения в цепь повышающего преобразователя приведена на рис. 7 [1]. Резонансная частота этого фильтра определяется из выражения (4).
В отличие от ЭМП-фильтра, сглаживающий фильтр входит в состав контура обратной связи, поэтому частота среза фильтра не должна быть меньше 10–20% частоты коммутации. В противном случае уменьшается устойчивость системы из-за запаздывания в петле обратной связи, что приводит к затягиванию переходных процессов, а также к ухудшению устойчивости из-за уменьшения запаса по фазе. Как и в случае с ЭМП-фильтрами, в сглаживающий фильтр необходимо ввести демпфирующую цепочку. На рис. 7 показаны три возможных варианта цепочек демпфирования.
Вариант демпфирования 1 с введением резистора RFILT представляется самым простым и экономичным, но введение этого резистора ослабляет эффективность фильтра. Кроме того, уменьшается импеданс параллельной RL-цепочки фильтра. Вариант демпфирования 2 наиболее эффективен, т. к. эта цепочка улучшает характеристику фильтра, но увеличивает стоимость из-за использования керамического конденсатора. На первый взгляд может показаться, что вариант демпфирования 3 – самый эффективный. Однако в этом случае требуется наибольшая емкость конденсатора. Следовательно, возрастает стоимость решения. К тому же, поскольку введение этой цепочки уменьшит полосу пропускания петли обратной связи, этот вариант следует исключить из рассмотрения.
Для высокочастотных преобразователей с малым выходным током имеется еще один нетривиальный вариант сглаживающего фильтра — вместо дросселя в фильтре используется резистор. Рассмотрим простой пример, где в качестве выходного фильтра PoL-преобразователя с частотой коммутации 2 МГц и выходным током 20 мА применяется RC-фильтр. Пусть сопротивление резистора равно 10 Ом, а емкость конденсатора — 1 мкФ. Частота среза этого фильтра составит около 16 кГц; учитывая ослабление 20 дБ/декаду, получим, что пульсации с частотой 2 МГц ослабляются более чем в 100 раз. Однако придется смириться с падением напряжения 200 мВ на резисторе.
Заметим, что расчет фильтров носит приблизительный характер и расчетные параметры обязательно должны проверяться путем макетирования фильтра совместно с преобразователем. На величину емкости фильтра влияет напряжение заряда, частота пульсации тока, температура емкости. Индуктивность дросселя фильтра нелинейно зависит от тока. Кроме того, на характеристики фильтра будет влиять и преобразователь. Эти изменения невозможно учесть в практических расчетах. Помощь при разработке фильтра оказывают фирменные САПР для расчета фильтров. Например, схему расчета сглаживающего фильтра можно найти в [1]. Для расчета ЭМП-фильтра можно воспользоваться средствами [2].
Выбор компонентов фильтра
При выборе компонентов фильтра следует иметь в виду, что собственная резонансная частота (SFR) конденсатов и дросселей должна заметно превосходить частоту среза фильтра. Поскольку нормативные требования, предъявляемые к кондуктивным помехам, распространяются на частоты до 30 МГц, SFR компонентов фильтра должны быть выше 30 МГц. Например, если SFR выбранного керамического конденсатора меньше 30 МГц, следует заменить этот конденсатор несколькими параллельно включенными конденсаторами с емкостью меньшей величины.
Несколько сложнее обстоят дела с выбором дросселя. В этом случае также уместно вспомнить известный афоризм — «наши недостатки — продолжение наших достоинств». Достоинства дросселей были описаны выше. К сожалению, имеются и недостатки: в любом дросселе помимо основного магнитного поля, замыкающегося в сердечнике, всегда есть поле рассеяния, которое, по сути, является генератором помех.
В значительной степени избавиться от этих помех можно, используя экранированные дроссели. Однако проблема заключается в том, что у этих дросселей меньше ток насыщения Isat, поэтому при увеличении тока пульсации индуктивность дросселя падает и фильтр теряет эффективность. Как часто бывает, ситуацию отчасти разрешается с помощью компромисса. Некоторые производители выпускают полуэкранированные дроссели.
На рис. 8 [3] показана зависимость индуктивности от тока для экранированных, неэкранированных и полуэкранированных индукторов производства компании Würth Elektronik. Видно, что полуэкранированные дроссели серии WE-LQS значительно улучшают ситуацию с током насыщения, но приходится мириться с тем, что излучаемые ими помехи несколько больше, чем экранированными дросселями. Если такое решение недопустимо, придется выбрать экранированный дроссель большего габарита.
Рис. 8. Зависимость индуктивности от тока для экранированных, неэкранированных и полуэкранированных индукторов производства компании Würth Elektronik
На принципиальной электрической схеме следует указать начало обмотки (на корпусе дросселя оно отмечено точкой). Начало обмотки должно быть подключено к источнику пульсирующего напряжения. В этом случае в начале обмотки располагается точка с наибольшим значением dV/dt, а начало обмотки примыкает непосредственно к сердечнику. Следовательно, при многослойной обмотке верхние слои играют роль экрана. Заметим, что при правильном подключении ослабляется главным образом вектор напряженности электрического поля E, напряженность магнитного поля H практически не зависит от подключения начала обмотки.
Крутые переключения силовых ключей порождают звон, частота которого зависит от паразитных индуктивностей и емкостей силового каскада. Избавиться от них практически невозможно. Частота звона находится в диапазоне от сотен МГц до единиц ГГц. Из-за поверхностного эффекта в проводниках этот звон вносит малый вклад в кондуктивные помехи на шинах питания, но он является источником нежелательных радиопомех. Поскольку частота звона чаще всего превышает SFR конденсаторов фильтра, ослабить звон можно только с помощью дросселя, а точнее – сердечника дросселя: именно потери в сердечнике, а не индуктивность дросселя помогут ослабить звон. Потери в сердечнике зависят от материала. Ослабление высокочастотной составляющей для различных материалов показано на рис. 9 для дросселей Würth Elektronik.
Рис. 9. Ослабление высокочастотной составляющей для различных материалов