А что если синусоида не такая гладкая, как её рисуют?
Всем известно, что в электросети протекает переменный ток, изменяющий свою величину и направление по синусоидальному закону 100 раз в секунду. Если изобразить его на графике, где по вертикальной шкале показано напряжение, а по горизонтальной время, то мы получим всем известную волнистую линию, которая своими вершинами достигает +325 и −325 вольт. Это называется амплитудным напряжением. Действующее напряжение при таком виде сигнала будет 230 вольт.
Подробно об этом мы уже говорили в статье «Откуда в розетке 310В? Или что такое действующее и амплитудное напряжение и ток». Но вы знали, что большая часть техники в вашем доме работает от постоянного тока?
Компьютеры, телевизоры, зарядные устройства для гаджетов, некоторые холодильники и кондиционеры и даже светодиодные лампочки. Дело в том, что электроника, обычно, работает от низких напряжений в диапазоне от 1 до 20 вольт, в редких случаях выше, например, усилители звука. Чтобы получить такие напряжения, используют источники вторичного электропитания, они же блоки питания. Для уменьшения веса и размеров практически все современные блоки питания делают импульсного типа.
В импульсных блоках питания на вход в них подаётся переменный ток, который выпрямляется с помощью диодного моста, сглаживается конденсатором и уже после этого подаётся на инвертор. Он состоит из импульсного трансформатора, транзисторов и управляющей микросхемы – ШИМ-контроллера. Иногда транзистор не отдельный, а встроен в контроллер. Транзисторы включают и отключают ток в первичной обмотке трансформатора, но делают они это с высокой частотой – десятки и сотни килогерц. Чем выше частота, тем меньше и легче будет трансформатор.
Из-за циклического и быстрого заряда входного конденсатора и работы ключей инвертора, импульсные блоки питания потребляют ток из сети не постоянно, например, как лампа накаливания, а короткими импульсами. Нагрузка, которая так потребляет ток, называется нелинейной. Из-за такого характера потребления тока, в проводах питающей сети возникают помехи, которые называются кондуктивными.
Из-за высокочастотного тока в импульсном трансформаторе возникают и электромагнитные помехи, излучающиеся за пределы устройства «в воздух». Такие помехи называются индуктивными или излучаемыми, а для борьбы с ними используют экранирование металлическими пластинами или всем корпусом, «правильную» разводку печатной платы и расположение компонентов на ней.
Но экранирование не помогает бороться с кондуктивными помехами, распространяющимися по проводникам электросети.
Кроме как от импульсных источников питания, помехи возникают от работы коллекторных электродвигателей, где используется щёточно-коллекторный узел для подачи тока в «нужные» обмотки якоря. То есть в якоре такого электродвигателя всегда протекает переменный ток, независимо от рода питающего тока, но щётки очень быстро переключают обмотки подключённые к источнику питания.
Какие бывают помехи
Откуда берутся помехи, мы разобрались, теперь давайте разбираться, какими они бывают и с чем нам срочно нужно бороться! Классифицировать помехи можно по разным критериям и факторам, но предлагаю выделить интересующие нас проблемы в контексте темы фильтров.
Итак, кондуктивные помехи бывают двух видов: синфазные и противофазные.
Противофазные помехи возникают между прямым и обратным проводом системы. Ток противофазной помехи в обоих проводах совпадает по направлению с током полезного сигнала.
В нашем случае это помехи между фазой и нулём, а ток полезного сигнала — это ток нагрузки.
Напряжение такой помехи воздействует на линейную изоляцию между проводами, а также на саму нагрузку. То есть при большой амплитуде противофазной помехи может выйти из строя входная цепь электроприбора.
Противофазные помехи также называют поперечными, симметричными или дифференциальными.
Синфазные помехи возникают на проводниках относительно земли. Они могут возникать из-за воздействия на провода магнитных полей (от других проводов, например) или разностью потенциалов в цепях заземления из-за токов КЗ или молнии. Напряжение синфазной электромагнитной помехи воздействует на изоляцию проводов относительно земли.
В нашем случае это помехи на фазном и/или нулевом проводе относительно защитного проводника.
Встречаются и другие названия синфазных помех — несимметричные или продольные.
Кроме этих видов помех, при включении или выключении мощной нагрузки, коротких замыканиях и грозовых разрядах, в электросети возникают импульсные перенапряжения. Это кратковременное повышение напряжения, длительностью всего в десятки миллисекунд, но амплитуда импульсом может достигать нескольких тысяч вольт.
Для защиты от импульсных перенапряжений используется многоступенчатая защита из разрядников и УЗИП разных классов, при этом, чем ближе к нагрузке, тем более чувствительное, с меньшим напряжением срабатывания, УЗИП устанавливается.
Как бороться с помехами
Для борьбы с кондуктивными помехами применяют фильтры, состоящие из индуктивностей и конденсаторов. Такие фильтры помех называют по-разному – фильтр ЭМИ, ЭМП, сетевой фильтр и т. д.
Но что такое помеха? В идеальных условиях в электросети должно быть ЭДС (напряжение) изменяющееся по синусоидальному закону с частотой 50 герц. Но в реальности получаем напряжение сложной формы, иначе говоря, сумму питающего напряжения и высокочастотных напряжений помех.
Любой сигнал сложной формы, можно разложить на составляющие его простые сигналы разной частоты. То есть на множество синусоид с разной частотой, но кратной основной синусоиде — 50 герцам. Каждая из этих синусоид называется гармоникой и чем больше у неё амплитуда, тем сильнее она влияет на форму суммарного тока или напряжения.
Подведём итоги
Помехи в электросети возникают при работе импульсных источников питания, коллекторных двигателей и магнитных полей, воздействующих на питающие провода. Особую опасность представляют импульсные перенапряжения, которые возникают при коммутации мощной нагрузки, аварийных ситуаций и от грозы.
Всё это может привести к выходу из строя подключённых электроприборов, а в некоторых случаях и к повреждению изоляции кабелей, обмоток трансформаторов, электрических машин и аппаратов.
Для борьбы с помехами и защиты электроприборов используют специальные фильтры, которые снижают как помехи, поступившие из электросети, так и генерируемые самими приборами в электросеть. В следующей статье мы и поговорим о типовых схемах и принципе работы таких фильтров.
Алексей Бартош специально для ЭТМ.
