В прошлой статье мы остановились, на том, что любой сигнал сложной формы, можно разложить на составляющие его простые сигналы разной частоты. Тогда если можно представить помеху в виде высокочастотной составляющей основного сигнала, то как можно выделить или убрать «неугодные» нам частоты?
Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним формулы сопротивления переменному току (реактивного сопротивления) индуктивностей (XL) и конденсаторов (XC).
где f — частота сигнала (тока или напряжения) в герцах (Гц); π — число пи ≈ 3,14; C — ёмкость, в фарадах (Ф); L — индуктивность в генри (Гн); результат в Омах.
Как видно из формулы, сопротивление индуктивностей и конденсаторов зависит от частоты тока, протекающего через них. Для примера посчитаем сопротивление индуктивности в 100 мкГн и ёмкости в 1 мкФ переменному частотой 50 Гц и 100 кГц.
То есть сопротивление индуктивности при частоте тока в 100 кГц в 2000 раз больше, чем при 50 Гц, а у конденсатора, наоборот, при 100 кГц сопротивление в 2000 раз ниже, чем при 50 Гц.
Если на конденсатор подать сигнал, состоящий из ряда гармоник, то его сопротивление для высокочастотной составляющей будет меньше, чем для низкочастотной. Высокочастотный ток пойдёт через конденсатор. А вот низкочастотному току будет проблематично протекать, так как конденсатор будет оказывать большее сопротивление, чем высокочастотному. А если ещё и добавить в цепь индуктивность, то току высокой частоты будет затруднительно течь через неё, и большая его часть потечёт по пути с меньшим сопротивлением. Кстати, на этом принципе основана работа аналоговых темброблоков и эквалайзеров в звуковой аппаратуре.
Следовательно, свойства индуктивности и конденсатора и зависимость их сопротивления переменному току от частоты, можно использовать для отделения сигнала переменного тока выше или ниже определённой частоты. Если говорить о фильтрах электромагнитных помех, то с помощью индуктивностей и конденсаторов мы можем убрать сигнал помехи, оставить «внутри» излучающего её устройства, и наоборот, не пропустить помехи из сети или отвести их в землю.
Существует много вариантов частотных фильтров, это различные RC, RL, LC, RLC фильтры с Г- или П-образными схемами включения. При этом в зависимости от особенностей источника помех и его мощности индуктивность или ёмкость устанавливается со стороны питающей сети или со стороны потребителя.
Но здесь мы не будем углубляться в устройство и принцип действия каждой схемы, а рассмотрим каким может и должен быть фильтр электромагнитных помех, или как его ещё называют, «сетевой фильтр».
Из чего состоит и как работает «нормальный» сетевой фильтр
В составе сетевого фильтра должны быть схемотехнические решения для фильтрации помех и для ограничения импульсных перенапряжений, рассмотрим схему полноценного сетевого фильтра.
Варисторы
Варистор, нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого уменьшается при увеличении напряжения. На схеме он обозначен как VR1. Подключается варистор параллельно и когда напряжение увеличивается, то с определённого его значения, варистор начинает пропускать ток. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление варистора снижается вплоть до короткого замыкания.
Чтобы избежать повреждения проводов, перед варистором устанавливают предохранитель (FU1). В некоторых сетевых фильтрах вместо него устанавливают автоматический предохранитель — это многоразовый защитный аппарат с тепловым расцепителем.
Варистор «принимает на себя» энергию импульсных перенапряжений, защищая подключённые параллельно ему потребители. Варисторы используются в УЗИПах, а в фильтрах используют варисторы, рассчитанные на напряжение около 470 вольт.
Если вам интересно узнать подробнее – пишите в комментариях, и мы подготовим отдельную статью о варисторах.
В сетевых фильтрах может использоваться один варистор между фазой и нулём или несколько варисторов — между фазой и нулём, фазой и землёй, нулём и землёй, собственно, как и УЗИПы в электрощитах.
Дроссели
Далее на схеме видим LC-фильтры, состоящие из индуктивностей и конденсаторов.
В качестве индуктивностей в сетевых фильтрах применяют, дроссели с двумя обмотками на сердечнике. При этом для борьбы с синфазными помехами обмотки включают согласно, то есть напряжение подают на начала обмоток, как показано на схеме на примере L1.1, L1.2. Такой дроссель называется синфазным.
Принцип действия синфазного дросселя заключается во взаимной компенсации магнитных полей или в их сложении, в зависимости от направления протекания тока через обмотки.
По схеме ток нагрузки протекает через обмотки дросселя во встречных направлениях, как у дифференциальных сигналов, — приходит через фазный проводник, а возвращается через нулевой.
Когда через обмотки протекают встречные токи (дифференциальные), их магнитные поля направлены встречно друг другу и их сумма равна нулю. Активное сопротивление катушек мало и им можно пренебречь, тогда их входное полное сопротивление (импеданс) тоже будет равно нулю.
Так синфазный дроссель практически не влияет на прохождение дифференциального сигнала, или как в нашем случае тока фазного и нулевого проводника.
Но если через катушки проходят токи в одном направлении, как токи синфазных помех, то их магнитные поля складываются и входной импеданс синфазного дросселя увеличивается. То есть катушки оказывают сопротивление протеканию тока, поэтому амплитуда синфазных помех снижается.
А для подавления противофазных помех обмотки двухобмоточного дросселя включают встречно.
Для экономии и упрощения схем в сетевых фильтрах могут использоваться обычные однообмоточные дроссели на одном или на обоих проводниках.
Конденсаторы
Ёмкости в фильтрах ЭМП используются не общего назначения, а специализированные так называемые X- и Y-конденсаторы.
Cx — это X-конденсаторы, которые используют для подавления противофазной составляющей помехи. Название происходит от английского across-the-line — между линиями, а cross – это крест, поэтому такие конденсаторы обозначают буквой X.
В схеме X-конденсатор установлен между фазой и нулём, если его пробьёт, может появиться короткое замыкание, а из-за этого может произойти возгорание. Поэтому к ним предъявляются особые требования — выдерживать сильные всплески напряжения в сети, не загораться и не поддерживать горение при выходе из строя.
Обычно ёмкость X-конденсаторов в сетевых фильтрах находится в пределах от 0,1 до 1 мкФ, реальная ёмкость зависит от прибора, где он установлен, частоты и уровня помех.
Cy — это Y-конденсаторы, они подавляют синфазную составляющую помехи. В случае пробоя Y-конденсатора возникает угроза поражения электрическим током, так как он устанавливается между сетевым и защитным проводником, то есть соединяется с корпусом устройства.
Поэтому к таким конденсаторам тоже предъявляются требования по обеспечению безопасного использования — они должны быть устроены так, чтобы при выходе из строя оказались в обрыве, а не в КЗ и должны выдерживать большие пиковые напряжения.
Так как через Y-конденсатор происходит утечка тока в PE-проводник, ёмкость должна быть небольшой, обычно её выбирают в пределах 5-30 нФ.
X- и Y-конденсаторы делят на подклассы по допустимым напряжениям, которые приведены в таблице ниже. По ней вы можете сравнить допустимые пиковые и рабочие напряжения. В бытовых приборах обычно (но не всегда) используются конденсаторы классов X2 и Y2, а X1 и Y1 — в промышленных.
Подведём итоги
Для защиты электроприборов от помех из электросети и для снижения уровня помех, генерируемых самим прибором, используются сетевые фильтры. То есть они работают как бы «в обе стороны». При этом для снижения уровня помех используют элементы, сопротивление которых зависит от частоты – конденсаторы (типов X и Y), катушки индуктивности и двухобмоточные дроссели. Реальная схема их включения и номиналы зависят от уровня, частоты и характера фильтруемых помех.
Однако в большинстве случаев то, что продаётся в магазинах под названием «сетевой фильтр» практически ничего не фильтрует. В бюджетных моделях в лучшем случае может быть установлен один или пара варисторов между фазой и нулём, тумблер для отключения и неоновый или светодиодный индикатор работы. С одной стороны, это не очень хорошо, а с другой — в самих источниках питания обязательно должны быть фильтры, так как без них импульсный источник питания не будет удовлетворять требованиям электромагнитной совместимости. Причём неважно что это за источник питания — от дорогого ноутбука или от LED-лампочки.
На практике из-за обилия электромагнитных помех в электросети могут возникать перегрузки и аварийные ситуации, например, когда токи в нулевом проводнике не компенсируются из-за нелинейного потребления. Из-за этого ток в нулевом проводе может оказаться больше чем токи в фазных проводах. А с последствиями такой ситуации знакомы, наверное, все электрики.
Алексей Бартош специально для ЭТМ.