Друзья, всем привет!
Друзья, благодарю Вас, что остаетесь со мной. Простите пожалуйста за долгое отсутствие, вообще не было возможности заниматься каналом, от слова совсем. Мог только отвечать на комментарии и изредка просматривать статьи моих коллег на Дзене. Но теперь я снова с Вами :-).
Продолжаю цикл статей по устройству и ремонту ЖК телевизоров.
Продолжаем разбираться с импульсным блоком питания, а именно с устройством и принципом работы ЭМИ фильтра.
В процессе ремонта ЖК ТВ достаточно поверхностных знаний для проверки и выявления неисправности ЭМИ фильтра. Но ведь очень хочется, чтобы статья была максимально достоверна, полезна и интересна начинающим мастерам. Перед написанием моей статьи, пришлось поднимать технические статьи, чтобы вспомнить материал, который проходил в учебном заведении. Вот теперь самым важным делюсь с Вами, дорогие друзья. Поверьте, когда я читал технические статьи, мне было намного скучнее, чем будет Вам :-).
В моей практике ЭМИ фильтр практически никогда проблем не доставлял. На памяти несколько случаев, когда приходилось его ремонтировать, было давно, по-моему менял варисторы с предохранителями. Варистор просто разрывало, но так как на его корпус одевают термоусадку, по частям его собирать не приходилось. Видно сразу, когда он неисправен, трещина на корпусе появляется (про его работу поговорим позже в статье).
Проверить исправность EMI фильтра очень легко. Достаточно прозвонить мультиметром, чтобы не было низкого сопротивления между выводами "L" и "N" сетевого разъема и наоборот, прозванивались дороги от вывода "L" до вывода "~" диодного моста, ну и соответственно от вывода "N" до второго вывода "~" диодного моста. Вот и все!
Сначала я хотел в статье коротко пройтись по EMI фильтру и более подробно описать корректор коэффициента мощности (PFC), но когда стал писать статью, понял, что много интересных моментов можно затронуть в теме про EMI фильтр, и решил целиком статью посвятить EMI фильтру.
При написании статьи, я хотел использовать программу NI Multisim для формирования графиков. Для этого прикупил книги, и представляете, дорогие друзья, меня это так увлекло, что теперь я изучаю эту программу очень подробно. Теперь в своих статьях я буду часто использовать эту программу.
Я тут, когда статью написал, стал ее читать, и где-то на середине не выдержал и пошел на кухню за кофе с конфетками :-). Материал получился малехо нудноватый, но для общего развития очень полезный. Так, что рекомендую сделать как я, и запастись плюшками :-).
И так начнем...
1. EMI Filter.
В прошлой статье я описал в общих чертах, назначение и принцип работы фильтра. Напомню, что принцип его работы основан на изменении реактивного сопротивления конденсаторов и дросселей от частоты проходящего через них сигнала, и он предназначен для блокировки сетевых импульсных помех и наводок как со стороны внешней сети 220В, так и блокировки импульсных помех, которые может выдавать устройство во внешнюю сеть 220В.
Для понимания принципа действия фильтра, необходимо вспомнить несколько фундаментальных понятий электроники:
- Импеданс - комплексное, полное сопротивление переменному току электрической цепи с активным и реактивным сопротивлением.
- Ток дифференциального режима - это ток, проходящий через проводник и возвращающийся по заданному разработчиком пути. Направление движения тока в проводниках противоположно друг другу. Если еще проще - ток в один провод "втекает", а из второго провода "вытекает" :-). Дифференциальный режим является результатом нормальной работы схемы и является результатом электрического тока, протекающего по контурам, образованным электрическими проводниками схемы.
Как видно из рисунка, дифференциальные токи, протекающие по проводникам - одинаковы по величине, но противоположно направлены.
- Токи синфазного режима - эти токи протекают вдоль двух проводников (L и N) в одном направлении и через паразитные цепи возвращаются по системной «земляной» шине. Токи распространяются в одном и том же направлении по питающим проводам.
- Синфазный дроссель - две катушки индуктивности, намотанные на общем сердечнике. Сердечник может быть как " Ш " - образный, так и торроидальный. Обе обмотки абсолютно идентичны, но намотаны в противоположных направлениях. см. рис. (художник из меня как из Остапа Бендера,
но смысл намотки понятен думаю будет)
Импеданс синфазного дросселя выбирают с учетом того, чтобы его
максимум попал в область спектра синфазных помех с самой большой мощностью, как правило, она лежит в диапазоне частот 10–100 МГц. Однако в общем случае из-за высокой проницаемости материала сердечника синфазные дроссели эффективно подавляют синфазные помехи и шумы в более широком диапазоне частот.
Теперь давайте разбираться с процессами, происходящими в EMI фильтре.
Как я уже писал в прошлой статье, ЭМИ фильтр блокирует помехи как со стороны сетевого напряжения 220В, так и со стороны самого блока питания ЖК телевизора. Абсолютно все импульсные блоки питания являются источниками электромагнитных помех. Так же всем импульсным блокам питания характерны пульсации выходного напряжения и тока. Они возникают при заряде и разряде сетевого конденсатора. Пульсации напряжения и тока на сетевом конденсаторе имеют частоту, которая равна частоте работы ШИМ контроллера, или, в зависимости от схемного решения, двойной частоте, на которой работает ШИМ контроллер. Как правило, частота пульсаций располагается в области от 100 до 200 кГц.
Для наглядности, я в Multisim нарисовал простецкую схемку, она ну очень обобщенная. В ней все наши ШИМ контроллеры, вторичные блоки питания и другие потребители представлены в виде резистора R1.
Главное, что я хотел с ее помощью показать - процессы, происходящие на источнике сетевого напряжения (V1) и конденсаторе (C1) в процессе заряда и разряда конденсатора (красный график - напряжение (левая ось Y), синий график - ток (правая ось Y)). Обратите внимание на большой всплеск амплитуды тока в начале графиков, когда сетевой конденсатор начинает заряжаться с 0В до 310В. Чтобы этого не происходило используют защитные радиоэлектронные компоненты, о которых поговорим ниже в статье.
На картинке есть одна неточность на графиках блока питания (амплитуда напряжения блока питания изменяется от 0 до 310В). Суть того, что хочу показать не меняет, но хотелось бы разобраться.
Коллеги, подскажите пожалуйста, кто знаком с Multisim, какие настройки в постпроцессоре или на источнике питания нужно выставить для нормального отображения сигнала напряжения по оси Y. Буду очень благодарен.
Как видно из графиков, форма амплитуды тока на источнике сетевого напряжения (V1), далека от синусоиды. Это все происходит потому, что вся нагрузка запитывается от конденсатора и потребление тока от внешнего источника питания происходит лишь в моменты заряда конденсатора. Как раз решением этой проблемы и занимается корректор коэффициента мощности (PFC), о котором я напишу в следующей статье. Так как напряжение прямо пропорционально току, синусоида напряжения блока питания тоже немного искажена, но так как ток потребляется очень короткий промежуток времени (единицы миллисекунд), то это несильно заметно. Сейчас я привел этот пример потому, что частично источником дифференциальных помех является несинусоидальная форма тока, которая порождает высшие гармоники дифференциальных помех.
Дифференциальные и синфазные помехи.
Входящие в импульсный блок питания и исходящие из него помехи удобно разделить на дифференциальные и синфазные. Соответственно и токи, которые создают эти помехи, также разделяются на дифференциальные и синфазные.
Синфазные токи протекают через паразитные емкости между линиями питания и заземлением. На блоке питания, паразитные емкости образуются между первичными и вторичными обмотками импульсного трансформатора, между силовыми транзисторами и радиаторами охлаждения, которые соединены с заземлением и между близко расположенными дорожками на плате блока питания. Величина синфазных токов тем больше, чем больше скорость изменения напряжения dV/dt на силовом ключе. Контур синфазного тока на рисунке изображен красными стрелками.
Дифференциальные токи помех в импульсном блоке питания образуются при коммутации силовых ключей. Они протекают по питающим линиям и противоположно направлены. Контур дифференциального тока на рисунке изображен синими стрелками.
Подавление дифференциальных токов помех в EMI фильтре.
Рассмотрим, что происходит при поступлении дифференциальной помехи со стороны внешней сети на импульсный блок питания (рис).
Как видно из рисунка, для тока питающего сетевого напряжения, с частотой 50 Гц, конденсатор имеет высокое реактивное сопротивление, а синфазный дроссель низкое реактивное сопротивление, поэтому ни конденсатор ни дроссель на прохождение тока не оказывают никакого воздействия, а вот с дифференциальной помехой дела обстоят совсем по другому. Так как на высокой частоте дроссель будет иметь высокое реактивное сопротивление, а конденсатор низкое, дифференциальная помеха частично будет "сливаться" через конденсатор на нулевой провод (пойдет по наименьшему сопротивлению) и далее ослабленная пройдет через дроссель и почти полностью "сольется" на втором конденсаторе. Для полного подавления помехи, ставят второй такой же дроссель с конденсатором.
Чтобы не быть голословным, попробую смоделировать в Multisim простецкий фильтр и показать происходящие на нем процессы. Синфазного дросселя на общем сердечнике не нашел, использую обычные дроссели. Постпроцессор программы будет строить графики на узлах схемы С1, С2, С3 (см схему).
Составил вот такую схемку:
Давайте теперь рассмотрим, как будет проходить сигнал с частотой 50Гц (питающее сетевое напряжение):
Как видно из графиков, сигнал через узлы фильтра прошел без изменений.
Теперь я поменяю на источнике сигнала частоту на 100КГц (типа наша помеха). И вот что с сигналом происходит:
Как видно из графиков, после второго конденсатора (С2), амплитуда сигнала уменьшилась приблизительно до 70В, а после третьего амплитуда составляет приблизительно 2В.
Для подавления дифференциальных помех используют специальные помехоподавляющие огнестойкие конденсаторы серии X. Выглядят они как брусочки синего, желтого или серого цветов.
На блоке питания:
Конденсаторы X серии различаются емкостью и выдерживаемым напряжением:
- X1 серия - используются в промышленных трехфазных устройствах и выдерживают скачки напряжения до 4 кВ
- Х2 серия используется в бытовых устройствах в однофазной сети и выдерживают скачки напряжения до 2.5 кВ.
Ну как то так.
Подавление синфазных токов помех.
Рассмотрим, что происходит при поступлении синфазной помехи со стороны внешней сети на импульсный блок питания (рис).
Синфазная помеха имеет высокую частоту, но конденсаторы С1 - C3 на высокой частоте отфильтровать такую помеху не могут, потому, что нет разности потенциалов на их выводах, так как токи синфазной помехи протекают в одном направлении и когда на линии L высокий потенциал, то и на линии N тоже высокий потенциал (см. рис. выше).
Для фильтрации такой помехи используют Y-конденсаторы (на схеме CY1 - CY4). Обычно их ставят парами. Они одним выводом подключаются на линии L и N, а вторыми выводами подключаются на "землю". При таком подключении на конденсаторах присутствует разность потенциалов и синфазная помеха по линии наименьшего сопротивления "сливается" на "землю".
Конструкция блока питания подразумевает, что электропроводка оборудована заземлением :-). Если заземления нет, то на земляном проводе будет присутствовать приблизительно 100В от сетевого напряжения. Вот почему, когда я один раз проводя диагностику блока питания, стоя в квартире босиком, коснулся радиатора охлаждения силового ключа, дабы проверить как сильно он греется, нехило так отгреб током, по сути превратился в "паразитную емкость" или "паразитный гвоздь", судя по ощущениям :-). Теперь ремонтирую блоки питания исключительно в домашних тапочках :-).
Ну и синфазный дроссель проявляет свои фильтрующие свойства очень хорошо. Из за того, что токи помехи протекают в одном направлении, обмотки дросселя формируют противоположно направленные магнитные потоки (см. схему выше), возникает импеданс и синфазная помеха сильно гасится по амплитуде при прохождении через дроссель. Для полной фильтрации, как я уже писал раньше, дроссели и Y конденсаторы дублируются.
Про Y конденсаторы могу дополнить следующее:
- внешний вид:
- Их использование безопасно, так как при выходе из строя (пробое), они разрывают электрическую цепь, а не уходят в "короткое замыкание". Поэтому, в случае их неисправности, вас никогда не ударит током через землю, если она есть:-).
- по внешнему виду и цвету они похожи на варисторы, но диаметр их пластин намного меньше, чем у варисторов и Y конденсаторы заметно толще.
2. Схемы защиты в EMI фильтре.
Сейчас давайте разберем входящие в его состав элементы защиты блока питания от высоковольтных скачков напряжения, а так же возможные неисправности ЭМИ фильтра и его диагностику.
Давайте посмотрим на реальную схему EMI фильтра телевизора LG:
- Общим планом:
- Сам фильтр:
Предохранитель.
Сам по себе на блоке питания, предохранитель защищает только вашу проводку в доме от повреждения и устройство от возможного возгорания при возникновении серьезной неисправности, поэтому он используется в паре с варистором. В таком схемном решении, предохранитель и варистор в паре очень хорошо защищают ЖК телевизор от высоких скачков напряжения.
Варистор.
Выглядит так:
На схеме имеет позиционный номер VA101 (см. рис. ниже)
Примечание:
Подписчик Игорь Ф., поднял интересную тему в комментариях. Суть проблемы заключается в специфическом графическом обозначении Варистора в сервис мануалах корейских производителей ЖК ТВ. Я сравнил обозначение варистора у различных производителей, и увидел интересный момент. Производители Sony, Philips обозначают варистор как обычно, а корейские производители обозначают его по разному (один из вариантов, как на схеме выше, иногда обозначение похоже на сдвоенный диод и третий вариант обычный:
С чем это связанно, честно говоря, понятия не имею, но факт, причем маркировка варистора, под графическим обозначением. И в листах спецификации сервис мануалов тоже под позиционным номером варистор.
Продолжим...
В области допустимых напряжений сопротивление варистора велико, и его подключение параллельно электронной схеме на ее работу практически не влияет. Kогда же входное напряжение по каким-либо причинам превышает максимально допустимое, сопротивление варистора резко падает, и таким образом он выполняет роль низкоомного шунта (гвоздя), защищая электронное устройство от разрушения.
При скачке высокого напряжения, сопротивление варистора становится очень маленьким, через него начинают протекать Токи Короткого Замыкания (ТКЗ) и перегорает предохранитель. Таким образом остальные элементы блока питания и дороги на плате, остаются целыми и нам достаточно только поменять варистор и предохранитель, чтобы восстановить работоспособность блока питания.
Проверить варистор легко. Достаточно замерить его сопротивление. Оно должно быть бесконечно большим. Да и визуально, при его пробое, на корпусе очень хорошо будет видна трещина. Так что при диагностике, если видим сгоревший предохранитель, то обязательно проверяем и варистор на отсутствие КЗ.
Термистор.
Может выглядеть так:
Или так:
Резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры. Термисторы бывают двух типов, с положительным температурным коэффициентом PTC (при повышении температуры, сопротивление возрастает) и отрицательным температурным коэффициентом NTC (при повышении температуры, сопротивление падает).
В импульсных блоках питания применяют NTC термисторы. Очень часто ставят 1 термистор, как правило его обычно хватает, но мы рассматриваем сейчас схему блока питания от небюджетного телевизора LG. Этот блок питания выполнен очень качественно и на нем установлены 2 термистора (по 1 шт на линиях L и N).
Термисторы в импульсных блоках питания предназначены для подавления первоначального скачка напряжения при включении сетевой вилки в розетку 220В. Дело в том, что перед подачей питания, сетевой конденсатор (банка на 82мкФ 450В) разряжен, и когда он начинает заряжаться, происходит скачок потребления тока, который может вывести из строя радиоэлектронные компоненты блока питания. Вот как раз этот скачок напряжения, термистор и подавляет.
Помните в начале статьи я при моделировании в Multisim на графике напряжения и тока блока питания обращал ваше внимание на первоначальный выброс тока? Вот как раз это и есть тот самый выброс при заряде конденсатора.
Проверить исправность термистора легко. Достаточно замерить его сопротивление в ненагретом состоянии, затем нагреть феном и убедиться, что сопротивление уменьшилось. На рассматриваемом блоке питания термисторы имеют сопротивление 2,5 Ом.
Высокоомный резистор.
На схеме так же присутствует высокоомный резистор (позиционный номер R101), сопротивлением 1.5 мОм и мощностью 1\2 Вт. На работу фильтра он особого влияния не оказывает и предназначен только для того, чтобы разряжать Х2 конденсаторы при выключении вилки с розетки 220В. Он обеспечивает чисто безопасность использования устройства. Если он исправен, вас не ударит током при случайном прикосновении к выводам вилки сетевого шнура.
Вот, в принципе, мы и разобрались с фильтром электромагнитных помех.
Ниже на фотографии я подписал все важные компоненты фильтра, для того, чтобы легко можно было ориентироваться на плате при ремонте блока питания если нет схемы.
На этом позвольте с Вами, дорогие друзья попрощаться до следующей статьи.
Ну и как обычно...
Так же рекомендую мою программу Teleservice. Она абсолютно бесплатна, будет полезна как радиолюбителям, так и самозанятым телемастерам.
Если информация была полезна, поддержите пожалуйста Лайком, ну и Подписывайтесь, буду стараться выкладывать только полезную информацию.