Помехи. Схемы подавления помех.
Системы переменного тока с симисторами или тиристорами при фазовом управлении создают помехи, распространяющиеся на расстояние нескольких сотен метров и даже нескольких километров. В результате переключения напряжение питания образуются магнитные и электромагнитные помехи. Защита от помех осложняется большим количеством трудно определяемых параметров. В практических ситуациях они с трудом поддаются количественному определению и часто противоречат друг другу. Ослабление помех в системах с симисторами и тиристорами достигается на практике экспериментальным подбором параметров элементов фильтра.
Магнитные помехи
Эти виды помех проявляют себя излучением паразитного магнитного поля, магнитные помехи не распространяются по линиям связи. Особенно интенсивно они образуются в питающих трансформаторах и дросселях фильтров.
Качество магнитной цепи и сила тока, а также параметры синусоиды в момент коммутации определяют величину магнитных помех.
Паразитное магнитное поле может быть ослаблено, если экранировать схему приборов, работающих в непосредственной близости от этой магнитной цепи.
Электромагнитные помехи
Любые провода являются для электромагнитных помех излучающими антеннами. Помехи в сети питания приводят к нарушению работы электронных приборов, часто возникает и наведение на провода высокочастотных помех.
Помеховый спектр может достигать 100Мгц при частоте переключения питающего напряжения в диапазоне 20-200 кГц.
Для борьбы с помехами используются сетевые фильтры. На рисунке изображен простой линейный LC фильтр переменного тока.
Вообще часто обходятся без таких фильтров, но с ними лучше. Во первых, потому, что они препятствуют возможному радиоизлучению из силовых проводов, а во вторых, потому, что эти фильтры убирают помехи, которые наводятся извне в линии питания.
При коммутации тиристоров или симисторов полоса помеховых частот простирается от нескольких десятков килогерц до нескольких мегагерц. Это частотный диапазон помех влияет на количество приема радио- и телевизионных устройств.
Некоторые схемы защиты от таких помех представлены на рисунках ниже:
Помехи максимальны, когда тиристор срабатывает при максимуме синусоиды напряжения питания 220В. Уровень помех зависит больше от угла отсечки, чем от средней силы тока, протекающего по проводам.
В промышленных условиях подавление помех может оказаться ненужным, когда линии связи имеют малую длину и оборудование малочувствительно. Но для сценических установок и вывесок, введу значительной длины линий питания, необходимы тщательные меры по защите от помех.
При индуктивном сопротивлении лампы подключается конденсатор С2 для дополнительной фильтрации. Если имеется заземление, то емкость конденсатора 2,2 нФ может быть увеличена до 22 нФ. При отсутствии отдельного провода заземления эти конденсаторы не используются.
Подавление помех от сети питания
Большинство электрических приборов являются источниками помех и вызывают внезапные перегрузки при подключении их к сети питания. То же самое происходит с выключением лампы накаливания. Возникающая помеха может привести к сбою в телекоммуникационных или вычислительных устройствах или проявятся щелчком в музыкальном проигрывателе.
Перегрузки – это внезапные импульсы тока, распространяющиеся по проводам. Даже при малой величине сопротивления они вызывают появление пиковых помех, накладывающихся на сетевое напряжение.
В результате скачки сетевого напряжения могут нарушить работу электронных приборов, в частности работу схем, использующих сигналы синхронизации, сброса, а также переключающих устройств, таких как ждущий мультивибратор или триггер.
Для предотвращения распространения помех от выключателя, неоновой лампы, пылесоса, кофеварки, кофемолки, компрессора холодильника, станка необходима фильтрация сетевого питания, при этом не следует забывать о плавном тиристорном регуляторе с фазовым управлением, помехи от которого всегда велики.
Схема помехоподавляющего фильтра показана ниже:
Это фильтр на основе двухобмоточного дросселя, который выполнен на тороидальном сердечнике. Изготовить дроссель на ферритовом сердечнике можно самостоятельно. Обе обмотки из эмалированного медного провода должны иметь одинаковое число витков, навитых в одном направлении и размещенных симметрично на каждой половине тороидального сердечника (кольца). Число витков приблизительно 10-25, а диаметр провода тем больше, чем выше ток. Необходимо учесть, что индуктивность обмотки пропорциональна числу витков и зависит и зависит от магнитной проницаемости сердечника, а большая индуктивность является залогом лучшего подавления помех.
Каждая обмотка дросселя L1 включается последовательно с проводом питания. Следовательно, поля, наведенные током 50 Гц в каждой обмотке и имеющие противоположные направления, окажутся взаимно скомпенсированными.
В случае, если токи через фазовый и нейтральный провода отличаются друг от друга из-за помеховых токов, проникающих через заземление, индуктивность их ослабляет. К тому же двухобмоточный дроссель способствует затуханию помех симметричного типа (фаза/нейтраль), сглаживая нарастающие фронты помеховых пиков напряжения.
Действительно, можно считать, что для частоты сетевого питания обмотки ведут себя, как малое сопротивление, при этом в отношении помех они напоминают элемент с большим сопротивлением.
Сопротивление конденсатора C = 1/ Cω (где ω=2πf). Следовательно, значительное уменьшение сопротивления конденсатора с ростом частоты объясняет тот факт, что резкие скачки напряжения, вызванные помехами, закорачиваются на входе фильтра конденсатором C1 и на выходе фильтра конденсатором C2.
Резкие изменения, вызванные помехами, могут быть разложены в ряд Фурье на сумму нескольких синусоидальных колебаний со значительно более высокой частотой, чем 50 Гц. С увеличением частоты сопротивление индуктивности L равное Lω растет, и чем выше гармоника, тем труднее ей преодолеть фильтр.
На выходе фильтра конденсаторы С3 и С4 закорачивают на землю самые сильные помехи. Необходимо, чтобы выбор номиналов этих конденсаторов соответствовал действующим нормам: ток через заземление не должен превышать 0,5 мА для переносных (портативных) приборов, что соответствует конденсаторам с емкостями 2,2 нФ и 5мА для стационарных установок, то есть конденсатором 22 нФ.
Разрядный резистор R1 обеспечивает быстрое уменьшение напряжения на конденсаторе С1 и защиту от электрического удара при контакте со штекерами вилки шнура, подключаемого к входу фильтра.
При номинальном токе катушки 1 А фильтр может использоваться для нагрузки 250 Вт, только если температура окружающей среды не превысит 40 градусов по Цельсию.
Дроссель может быть изготовлен самостоятельно на ферритовом кольце диаметром 20-30 мм или взят из разобранной платы источника питания.
Оптимальная емкость конденсаторов фильтра С1 и С2 должна быть в пределах от 0,1 до 0,47 мкФ. Выбранные конденсаторы должны быть с рабочим напряжением 630 или 1000 В, так как они непосредственно подключены параллельно питанию. Все элементы схемы следует разместить в заземленном металлическом корпусе.
Защита от перенапряжения
Бывало ли, что некоторые электрические приборы выходили из строя, когда по соседству с вашим домом использовались станки?
Эксперименты показали, что большие всплески (от 1 до 5 кВ) иногда случаются в любых линиях сетевого питания, а всплески поменьше встречаются чаще. Сетевые фильтры довольно эффективно снижают действие таких помех.
Скачки напряжения, индуцированные в электрической сети во время грозы, могут оказаться разрушительными. Несмотря на то, что помехи кратковременные, их сила значительна. Машины, оснащенные крупными электрическими моторами, также являются источником разрушительных перенапряжений.
Существуют радиоэлементы, способные противостоять скачкам напряжения, превышающим запрещенные значения. Это варисторы.
Сопротивление такого радиоэлемента меняется в зависимости от напряжения на его выводах. Если на выводах радиоэлемента происходит чрезмерное увеличение напряжения, то его сопротивление резко падает. Именно поэтому варистор рассчитан на то, чтобы выдержать сильные кратковременные токи от нескольких сотен до нескольких тысяч ампер.
После устранения пика напряжения варистор снова восстанавливает очень высокое сопротивление, не создавая помех в линии.
Электрическая схема защитного устройства представлена на рисунке ниже.
Для защиты электронного прибора три варистора размещены параллельно на трех проводах, подключенных к электрической установке. Между линиями 220 В (фаза/ноль), а также между каждой из этих линий и заземляющим проводом. Варисторы можно использовать типа V250LA10.
Собранная схема должна располагаться между защищаемым прибором и противопомеховым фильтром (если таковой имеется).
Если энергия скачков напряжения будет очень большой, то дополнительная защита с двумя плавкими предохранителями сбережет сетевой аппарат и оставшуюся часть установки от повреждения. Плавкие предохранители следует выбирать в зависимости от мощности прибора.
Плавкий предохранитель
Плавкий предохранитель – существенная деталь любого предмета электронного оборудования. Большие щитовые предохранители на 15–20 А не защитят электронное оборудование, поскольку они срабатывают только в случае превышения общего расчетного тока проводки. Например, если проводка в здании сделана проводами четырнадцатого номера сечения, то предохранители будут рассчитаны на 15 А.
Если же замкнется накоротко конденсатор фильтра (довольно обычная неисправность), то ток в первичной обмотке трансформатора может достичь 5 А вместо обычного 0,25 А. Общий предохранитель не сгорит, но ваш прибор превратится в электроплитку или костер. Все потому, что на трансформаторе будет рассеиваться мощность более 500 Вт!
Несколько замечаний о плавких предохранителях
В блоках питания лучше использовать медленно действующие предохранители, поскольку имеют место большие токи переходных процессов при включении (например, при зарядке конденсаторов фильтра).
Можно что-то недоучесть при расчете номинального тока срабатывания предохранителя. Дело в том, что в источнике питания постоянного тока велико отношение эффективного (действующего) значения тока к его среднему значению ввиду малости угла проводимости (части цикла, когда диоды выпрямителя находятся в проводящем состоянии). Проблема усугубляется, когда конденсаторы фильтра имеют большую емкость. В результате эффективное значение тока будет значительно выше, чем вы могли бы предположить. Лучше всего в этой ситуации поступать следующим образом. Измерить ток амперметром «истинного действующего значения», а затем выбрать предохранитель с током срабатывания по меньшей мере на 50 % большим измеренной величины. Таким образом, будет учтено перенапряжение в сети, эффект «усталости» предохранителя и т. п.
Подводя провода к держателю предохранителя, делайте это таким образом, чтобы человек, меняющий предохранитель, не мог случайно коснуться силовой линии. Для этого нужно «горячий» провод подводить только к заднему выводу предохранителя. Серийно выпускаемые сетевые коннекторы с встроенным держателем предохранителя сделаны обычно так, что предохранитель нельзя достать, не сняв разъем питания.
Всегда используйте трехпроводный шнур с нейтральной зелено-желтой жилой, присоединенной к кожуху прибора. Без заземления прибор может оказаться смертоносным в случае пробоя изоляции трансформатора или случайного контакта одной из шин питания (от сети) с кожухом прибора. Если кожух заземлен, то при такой неисправности просто сгорит предохранитель.
Риск электрического удара
Из изложенного следует, что неплохо было бы все места соединений внутри прибора, на которых есть напряжение сети, изолировать тефлоновыми трубками («кембриками»), термоусадками, дающими усадку при нагревании. Использование внутри электронных приборов «фрикционной» ленты или электрической изоляционной ленты это чистая кустарщина.
Поскольку большинство транзисторных схем работает на относительно низких постоянных напряжениях – от ±15 до ± 30В или около, единственное место в большинстве электронных приборов (конечно, есть и исключения), где может стукнуть током, – это провода силового питания. Очень коварен в этом отношении выключатель на передней панели устройства. Он близок к другой, низковольтной, проводке. Ваш измерительный прибор (в худшем случае – ваши руки) может легко вступить в контакт с этим напряжением при измерительных работах.
Полезные мелочи
Цепь из последовательно соединенных резистора 100 Ом и конденсатора 0,1 мкФ, поставленная параллельно первичной обмотке трансформатора, предупреждает появление больших переходных процессов индуктивного характера, которые могли бы возникать при выключении.
