Импульсные и высокочастотные помехи
Сетевые фильтры, прежде всего, решают задачу защиты от импульсных и высокочастотных помех. Эти помехи образуются в электрической сети при включениях и выключениях электрических приборов и устройств. Таким образом, высокочастотные помехи в сети присутствуют всегда. Еще более опасны (они способны вызвать возгорание) импульсные помехи. Величина импульсных помех может достигать нескольких тысяч вольт. Длятся они доли секунды, однако этого времени достаточно, чтобы сжечь всю технику. Помехи вызывают сбои в работе и зависания компьютеров. Все данные на компьютерах, естественно, пропадают. Очень неприятно, когда результат долгой и кропотливой работы уничтожен, а причиной этого являются простые высокочастотные помехи, импульсные помехи. Но еще более неприятно, если вдруг дорогостоящий электроприбор пострадает вследствие больших перегрузок электросети, вызывающих высоковольтные импульсные помехи. Для защиты от этих помех и предназначены сетевые фильтры, фильтр импульсных помех.
Высокочастотные помехи
Сетевые фильтры, обеспечивают сохранность вашей техники. Они включают в себя фильтр высокочастотных помех, защищающий электроприборы от различных сбоев в работе. А также в них есть и фильтр импульсных помех (защита от импульсных помех): таким образом, решаются сразу две проблемы.
Классические сетевые фильтры состоят из блока защиты, содержащего варисторы, а их вторая составляющая — емкостной или индуктивно-емкостной фильтр. Конденсатор совместно с катушкой индуктивности — это фильтр высокочастотных помех. А варисторы создают самый надежный из всех существующих на сегодняшний день фильтр импульсных помех.
Варисторы (полупроводниковое сопротивление) играют роль «ножниц», которые «обрезают» высокочастотные помехи, напряжение на уровне 800-1200 вольт и тем самым сохраняют технику, подключенную в розетки фильтра. Их целью является защита от импульсных помех. Когда импульс очень мощный, варисторы могут разрушиться, но техника не пострадает. Импульсные помехи не будут представлять угрозу для ваших электроприборов, если те подключены в сеть через сетевой фильтр.
Емкостной или индуктивно-емкостной фильтр, состоящий из конденсатора (емкостной фильтр) или конденсатора и катушки индуктивности (индуктивно-емкостной фильтр) защищают от высокочастотных помех, уменьшая их вредное воздействие. Степень уменьшения зависит от величины емкости конденсатора и индуктивности катушки.
Фильтр импульсных и высокочастотных помех
Таким образом, высокочастотные помехи, импульсные помехи могут стать причиной поломки техники или даже возгорания, поэтому относительно простое и дешевое устройство защиты, фильтр высокочастотных помех, является необходимым дополнением любого электронного устройства – будь то компьютерная или офисная техника, телевизоры, проигрыватели и т. п. Чтобы была обеспечена защита от импульсных помех и высокочастотных помех — подключайте технику только через сетевые фильтры.
Сетевые фильтры разных производителей отличаются, часто достаточно серьезно. Об отличительных особенностях фильтров Vektor, лучшей защите от высокочастотных помех, читайте в статье «Преимущества наших фильтров».
По всем вопросам обращайтесь к нам по телефону, а также смотрите продукцию в каталоге.
Помехи, шумы, наводки и как с ними бороться.
Недавно сосед попросил меня настроить только что купленный телевизор Samsung. После запуска автоматического сканирования последовательно нашлись ОРТ, РТР и сразу за ними на экране появился незнакомый сигнал. Впрочем, ТВ-сигналом в привычном смысле его назвать было трудно — на сильно зашумленном экране, покрытом шевелящимися косыми серыми полосами, виднелся прямоугольник с рваными краями, по которому плыли горизонтальные волны 50 Гц. Внезапно картинка пропала, появилась вновь, дернулась, и по экрану поползла размытая надпись с развевающимися СЕКАМ’овскими факелами: “Студия кабельного телевидения начинает свою работу. Покупка декодеров по адресу . ”
Такие ужасы нечасто приходится видеть на экранах наших телевизоров, но, тем не менее, проблемы качества сигналов, помех и шумов немало попортили крови инженерам.
Построение любой системы вещательного уровня обязательно требует обеспечения достаточно низкого уровня шумов как в тракте звуковых, так и видеосигналов. Как всякие электрические сигналы, помехи, наводки и шумы имеют вполне конкретные источники и пути проникновения в тракт сигнала. Попробуем разобраться с основными видами помех и типичными методами борьбы с ними.
Помеха от синусоидального сигнала
Синусоидальный сигнал с частотой 50 Гц — прямое проникновение основной гармоники сетевого питания. Виден на экране как горизонтальные серые полосы с мягкими краями, медленно плывущие по вертикали. Типичный случай появления — незаземленные источник и приемник сигнала питаются от различных фаз сети.
Помеха токов питания
Синхронные с сетью помехи токов питания устройств, участвующих в обработке сигнала. Видны на экране как редкие (2-4 на экране) горизонтальные узкие полосы, поочередно темные и светлые, медленно плывущие по вертикали.
Синхронные с сетью импульсные помехи
Синхронные с сетью импульсные помехи от тиристорных регуляторов и ламп дневного света — похожи на предыдущие, но более узкие, резкие, иногда с мелкой структурой по горизонтали.
Помехи от импульсных источников питания и блоков развертки телевизоров
Помехи от импульсных источников питания и блоков развертки телевизоров, компьютеров, мониторов и т.п. Видны на экране как бегущие косые полосы (сетка) или крупный шевелящийся муар. Типичный случай появления — не заземленный бытовой телевизор подключен к микшеру длинным тонким кабелем.
Помехи от чужого видеосигнала — неподвижная картина
Синхронный чужой видеосигнал — неподвижная картина темного или светлого “креста” или полос, соответствующих гасящим импульсам чужого сигнала. При синфазости основного и мешающего сигналов гасящие импульсы не видны, но различие картинок может приводить к плавному цветному муару.
Помехи от чужого видеосигнала — бегущий по экрану след
Несинхронный чужой видеосигнал — бегущие по экрану следы чужого синхросигнала. Отличается характерными ровными краями картинки гасящих импульсов помехи и стабильностью частоты.
Высокочастотная помеха
Высокочастотные помехи — широкое понятие, проявляющееся в виде мелко структурной сетки или муара по всему экрану. Детектирование ВЧ помехи во входных каскадах звукового тракта иногда приводит к появлению низкочастотных сигналов самых неожиданных местах.
Несмотря на то, что каждый из приборов, составляющих комплекс оборудования студии, имеет высокие характеристики и низкий уровень шума, далеко не всегда весь комплекс имеет столь же хорошие параметры. И основной вклад в уровень помех вносят соединительные кабели и разъемы.
Источником синусоидальной 50-Гц помехи в большинстве случаев являются токи, текущие по оплеткам коаксиальных кабелей. На вполне конечном (ненулевом) суммарном сопротивлении оплетки и разъемов ток помехи вызывает падение напряжения, суммирующееся с напряжением полезного сигнала. Общий провод — “земля” всех приборов с сетевым питанием в той или иной тепени связан с фазным проводом сети. В оборудовании, оснащенном классическими линейными блоками питания, сетевая помеха проникает через относительно малую (сотни пФ) паразитную емкость сетевого трансформатора.
В современных приборах, оснащенных импульсными источниками питания, основная часть сетевой помехи проникает через относительно большую (0.01..0.05 мкФ) емкость сетевого фильтра, имеющегося на входе практически всех импульсных блоков питания. Емкостной делитель С1, С2 создает на общем проводе устройства среднее напряжение в 110 В по отношению к нулю сети (проверьте тестером относительно батареи или нуля) и выходным током короткого замыкания 0.3 — 0.8 мА (типичное значение).
Пример: владелец небольшой тиражной студии (30 магнитофонов NV-HS1000) очень удивлялся, замечая что его “бьет” от общей земли магнитофонов. И неудивительно — суммарная емкость всех параллельно соединенных сетевых фильтров составила почти 0.5 мкФ, что соответствовало току короткого замыкания около 20 мА, который уже является опасным для жизни! Попытка присоединить длинным кабелем к этой системе заземленный магнитофон BETACAM привела к появлению хорошо заметной 50-Гц помехи, менявшейся при покачивании соединительного разъема.
Причиной помехи было падение напряжения на оплетке кабеля и высоком переходном сопротивлении разболтанного разъема, вызванное протеканием суммарного 50-Гц тока от фазного провода сети по пути А-Б-В-Г в провод заземления (рис.3).
Помогло заземление нескольких магнитофонов (рис.4, точки Д и Е), замена тонкого кабеля на более качественный и разболтанных “тюльпанов” на новые золоченые цанговые, обеспечивающие лучший контакт.
Наиболее правильное решение в таком случае состоит в отдельном заземлении каждого из магнитофонов на низкоимпедансную шину заземления.
Аналогично синусоидальной 50-Гц помехе проникают в сигнал и большинство других помех, перечисленных выше. Общая их особенность — возникновение паразитных токов в экране соединительного сигнального кабеля. Внешние токи помех — из сети (например, от тиристорного регулятора настольной лампы) или внутренние (от импульсных блоков питания и блоков разверток) проникают в сигнальную землю устройства через паразитные емкости. Особо следует отметить применение дешевых бытовых телевизоров в качестве контрольных мониторов. Не предназначенные для функционирования в комплексе с другим оборудованием, они могут создавать значительные паразитные токи в подключенных сигнальных кабелях. Это связано с объединением в телевизоре земель импульсного блока питания, каскадов разверток и входных разъемов видеосигнала. Подача на вход телевизора видеосигнала, не синхронного с основными сигналами студии, делает это особенно заметным.
Дальнейшее неконтролируемое путешествие паразитных токов по земляным проводам системы может приводить к появлению помех по всем сигналам сразу.
Пример: по всем сигналам студии кабельного телевидения появились помехи, синхронные с одним из входных видеосигналов. После нескольких часов поисков выяснилось — оборвана земля в неаккуратно собранном разъеме на одном из контрольных мониторов. Оборудование было соединено тоненькими заземляющими проводочками, которые шли к висевшей в воздухе медной шине. Отсутствие пути для обратного тока видеосигнала привело к тому, что ток сигнала потек через “заземляющий” провод и напряжение сигнала появилось сразу на всех землях. Аккуратная разделка разъема и заземление медной шины привело к полному исчезновению помехи.
Аналогичные проблемы типичны для всех пользователей бытовой и полупрофессиональной аппаратуры, оснащенной двухпроводным шнуром сетевого питания. Подобные устройства хорошо работают в небольшом комплексе, включающем 3-4 аппарата одного класса без привязки к земле.
Средний потенциал общего провода всех устройств системы — 110 В относительно нуля сети. Благодаря симметрии (в первом приближении) входных фильтров он практически равен для всех устройств и не приводит к появлению значительных токов в соединительных кабелях (рис.5).
Увеличение количества аппаратов, присоединение устройств длинными кабелями и заземление одного из элементов системы иногда могут приводить к резкому возрастанию уровня помех.
В подобных системах, включающих несколько устройcтв, соединенных друг с другом, проявляется еще один канал проникновения помех, связанный с “закольцовыванием” земель (рис.6).
Заштрихованный контур А-Б-В-А, состоящий из трех кабелей, работает как приемная рамочная антенна. Любое внешнее магнитное поле В индуцирует в этом контуре токи, протекающие по оплеткам кабелей. Они вызывают падение напряжения на сопротивлении оплетки и разъемов, которое складывается с напряжением полезного сигнала. Источников переменного магнитного поля может быть множество — сетевые трансформаторы, отклоняющие системы телевизоров, двигатели магнитофонов и вентиляторов и т.д. Основное средство борьбы с этим каналом проникновения такого рода помех — устранение (разрыв) земляных контуров и/или уменьшение их площади, переход на звездообразное соединение устройств.
Пример: в эфирной студии кабельного телевидения резко возрос уровень помех после замены модулятора. Новый модулятор с кодером требовал гальванической связи земли системы с заземленным общим проводом кабельной сети как по НЧ, так и по ВЧ сигналу. На кабелях , идущих к модулятору, выделялось напряжение помехи, вызванное протеканием паразитных 50-Гц токов, токов помех от разверток бытовых телевизоров, использовавшихся в качестве контрольных мониторов и токов от импульсных блоков питания компьютера и видеомагнитофонов.
Для радикального решения проблемы помех студия была перестроена на базе центрального коммутатора КМ-1680V.
Присоединение всех устройств “звездой” к центральному коммутатору с заземленным общим проводом позволило уменьшить количество и суммарную площадь земляных петель, развязать токи помех, укоротить им путь до земли и исключить их взаимное влияние (рис.7). Уровень помех понизился в среднем на 12-18 дБ.
Другая сторона проблемы, связанной с использованием приборов различных классов заземления — перегрузки и пробои сигнальных входов и выходов.
Например: при подключении кабеля, идущего от заземленного микшерного пульта к не заземленному VHS магнитофону центральнsй контакт разъема “тюльпан” может коснуться раньше земляного контакта. Если этот момент совпадет с точкой максимума сетевой синусоиды, то напряжение конденсаторов С1 и С2 (рис.2), заряженных до напряжения 155 В (220 2) будет приложено ко входу магнитофона и выходу микшера. Иногда это приводит к пробою входных/выходных цепей или “защелкиванию” микросхем. Ситуация аналогична при соединении двух не заземленных устройств, питающихся от разных фаз сети.
Более высокий уровень требований в профессиональной и вещательной аппаратуре требует и более корректного подхода к решению проблем заземления, поэтому аппараты таких классов обычно оснащены трехпроводными вилками с третьим контактом “грязной” земли сетевого фильтра, а некоторые — отдельной дополнительной клеммой сигнального заземления.
При правильном выполнении заземления по такой схеме, токи помех стекают в шину заземления, не создавая падения напряжения на экранах сигнальных кабелей.
Необходимое условие нормальной работы такой системы — низкое сопротивление шины заземления и заземляющих проводников. Токи помех (рис.8) должны течь по цепям А-Б-В-земля и А1-Б1-В1-земля.
Если же сопротивление земляной шины на участке Б-В (Б1-В1) окажется выше, чем сопротивление оплетки кабеля Г-Д , ток помехи потечет по кабелю, создавая напряжение помехи на входе второго устройства.
Как видно, конкретный путь паразитных токов сильно зависит от соотношения нескольких весьма малых и трудно контролируемых сопротивлений, сильно зависящих, например, от чистоты и аккуратности выполнения соединений. Это и порождает мифы о “неизвестно откуда” берущихся помехах, “от которых не помогает никакое заземление”. Ситуация напоминает поведение воды, разлитой на столе — заранее трудно сказать, куда она потечет, и небольшого наклона бывает достаточно, чтобы сделать ситуацию определенной. Постоянное и аккуратное соблюдение общих правил позволяет заметно снизить уровень помех в системе и гарантировать, что он не повысится при изменении её конфигурации.
Для совершенно корректной передачи видеосигналов в сложных условиях применяют дифференциальный прием видеосигналов, позволяющий почти полностью исключить влияние разности потенциалов земли, вызванной протеканием паразитных токов.
Дифференциальный приемник ДП измеряет разность потенциалов между оплеткой и жилой кабеля в точке Б. Относительно высокое сопротивление между точками В и Г гарантирует, что все токи помех пойдут только по цепи А-Д и не будут влиять на напряжение, измеренное на конце кабеля. Подобная схема часто применяется в вещательном оборудовании при передаче видеосигналов на большие расстояния (например на входе центральной аппаратной или модулятора передатчика). Для звуковых же симметричных сигналов подобная схема является стандартной.
Заметим, что обязательным условием применимости дифференциальной схемы передачи сигналов является наличие общего заземления у приемника и источника сигналов. При разрыве цепи А-Д (рис.9) ток помехи потечет по оплетке кабеля (А-В-Г), создавая помеху на входе дифференциального приемника. Это еще раз показывает, что лишь постоянное соблюдение определенных принципов заземления для всех элементов системы позволит добиться низкого уровня помех.
Максимальный набор мер при передаче звуковых и видеосигналов включает:
В любом случае, рекомендуем:
Приведенный анализ не претендует на полноту и описывает лишь небольшую часть ситуаций, с которыми приходится встречаться на практике. Мы будем рады узнать от Вас, уважаемые читатели, интересные случаи и удачные решения, о которых мы с удовольствием расскажем в последующих выпусках.
Поскольку каждое мероприятие по борьбе с помехами и наводками подчас напоминает сеанс черной или белой магии, то мы предлагаем Вам проверенные годами средства, которые Вы сможете приобрести только у нас.
Высокочастотные помехи в электросети
Не секрет, что срок службы любого электроприбора во многом зависит от качества напряжения в сети. Колебания, импульсы, падение напряжения способствуют снижению эффективности работы устройств и их преждевременному выходу из строя.
Одним из неблагоприятных факторов, оказывающих негативное воздействие на электроприборы, являются сетевые помехи, возникающие в силу разных причин. В электросети наблюдаются импульсные и высокочастотные помехи. Импульсными помехами сопровождается включение и выключение электротехники. Они представляют достаточно серьезную опасность для электронных компонентов, чувствительных к перепадам напряжения. В отличие от импульсных, высокочастотные помехи постоянно присутствуют в сети, и полностью нейтрализовать их невозможно. При этом они передаются не только по проводам, но и по эфиру.
Импульсные и высокочастотные помехи отличаются друг от друга по времени воздействия и частоте. При возникновении импульсных помех наблюдается рост амплитуды напряжения до 4-6 тысяч вольт в течение 1 микросекунды. Высокочастотные помехи не классифицируются по амплитуде напряжения и времени воздействия.
Защитить электроприборы от воздействия помех можно посредством стабилизаторов напряжения, сетевых фильтров и источников бесперебойного питания.
Подавление помех в цепях питания электронных устройств
Помехи, присутствующие в современной электросети, негативно влияют на работу подключённых к ней электронных устройств. Они способны значительно снизить качество работы электроаппаратуры, а в некоторых случаях и привести к её неисправностям.
Значительно уменьшить эти проблемы позволяет правильно спроектированный сетевой фильтр.
Довольно подробное описание компонентов «правильного» сетевого фильтра приведено в статье, опубликованной на станице сайта https://www.433175.ru.
Приведём основные выкладки из статьи:
Для начала рассмотрим типичные виды помех на электросетях:
1. Короткие импульсные помехи, амплитуда которых может в разы превышать номинал питающего напряжения, и возникающие при переключении различных мощных индуктивных нагрузок: контакторов и электродвигателей систем вентиляции, стиральных машин и пр. Длительность – от долей до сотен микросекунд;
2. Шумовые помехи искровой природы от щеточных контактов генераторов тока и нагрузок с вращающимся элементом (амплитуда может достигать десятков вольт при частотном диапазоне до десятков килогерц);
3. Длительные помехи на линейные участки электросети от электроискровых разрядников (дуговая сварка, искрение «плохих» сильноточных контактов промоборудования (частотный диапазон до сотни килогерц);
4. Наводки на линейные участки электросети от радиочастотных излучателей (близкорасположенный вещательный радиоцентр, находящиеся рядом базовые станции сотовой связи). Частотный спектр – от единиц до сотен мегагерц, но размах наводимых на участок электросети сигналов, как правило, невелик.
Скажем, на 10 ампер потребления тока при импульсной помехе до 2 киловольт длительностью до 1мс придется энергия Е= 20А х 2000В х 0,001сек=20Дж. Но поскольку почти одновременно могут наводиться импульсы от переключения нескольких мощных индуктивных нагрузок из великого их множества в электросети, это значение лучше увеличить в несколько раз. Вполне оптимальным значением энергии варистора видится значение порядка 80 Дж.
Оставшуюся ниже напряжения отсечки варистора «бороду» и прочие помехи возможно убрать только электрической фильтрацией. Чтобы не писать много слов, что и как нам еще применить, ограничусь вполне понятными иллюстрациями:
Рис.2 Индуктивные и ёмкостные схемы фильтрации противофазных помех
Ёмкостные схемы более высокочастотны, так как в индуктивных схемах для оптимизации размеров обмоток используют ферриты с высокой магнитной проницаемостью, ограничивающей частоту их применения в несколько десятков или первые сотни килогерц. Причём это должны быть замкнутые магнитопроводы (кольцеобразные или прямоугольные), чтобы не являться переизлучателями помеховых сигналов.
Комбинация перечисленного выше даст нам следующую схему сетевого фильтра:
Рис.3 Сетевой фильтр подавления синфазных и противофазных помех
Показанные на приведённой схеме «земли» будут корректно работать только в том случае, если они «местные», т. е. выходят кратчайшим путем напрямую на контур заземления здания, а не тянутся по «наружке» в длинной трехпроводной линии с третьим проводом заземления, лишая схему двухпроводной симметрии.
Ниже указаны типовые номиналы элементов фильтра с несколько большими (для надёжности) величинами рабочих напряжений конденсаторов и мощностей резисторов:
Варистор – Urms= 250В (или Uампл.= 350В)/80. 100 Дж;
R – 300кОм. 1Мом/1. 0,5 Вт;
С1 – 0,015. 0,022мкФ/630В;
L – 1. 5мГн (обмотки примерно до 1,5 мГн с проходным током до 16А можно уместить в один слой на ферритовом кольце проницаемостью 3000 и внешним диаметром 45. 50мм);
Сш нч – 0,22. 0,33мкФ/630В;
Сш вч – 0,01мкФ/630В;
С2 – 4700пФ/630В.
Теперь давайте разберёмся, что такое синфазные и дифференциальные помехи?
Как правило, сетевой фильтр предусматривает наличие трехпроводной сети: фаза, нейтраль и защитное заземление (PE). Помехи, с которыми борется сетевой фильтр, делятся на два вида – синфазные и дифференциальные.
Синфазные помехи – это когда оба провода сети синхронно меняют потенциал относительно земли (PE). Дифференциальные помехи – когда потенциал сетевых проводов разнополярно (в противоположных направлениях) меняется друг относительно друга.
Как можно увидеть на Рис.3, для борьбы с синфазными помехами служит левый синфазный дроссель, состоящий из двух катушек, намотанных на общий сердечник. На самом деле, обозначение начала обмоток синфазных дросселей указывается не так, как приведено на Рис.3, а, в большинстве случаев – как изображено на Рис.4, т. е. с обозначением начала обмоток слева.
Рис.4 Структура и принцип работы синфазного дросселя
При этом следует иметь в виду, что направление намотки обмоток дросселя – противоположное.
В качестве сердечника чаще всего используется кольцевой магнитопровод с высокой магнитной проницаемостью. Когда через катушки протекают дифференциальные токи, магнитные поля, индуцированные этими токами, взаимно уничтожают друг друга. Если пренебречь омическим сопротивлением катушек, то их входной импеданс в этом случае будет равен нулю. Теоретически они не влияют на прохождение дифференциальных сигналов. В случае появления синфазных токов магнитные потоки обоих катушек складываются, и входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов и значительному снижению амплитуды шумового сигнала.
Благодаря наличию противофазных обмоток, синфазные токи будут генерировать в сердечнике разностный магнитный поток, и сердечник дросселя не будет входить в насыщение даже при наличии очень больших дифференциальных токов. Именно поэтому в синфазных дросселях могут быть использованы сердечники с высокой магнитной проницаемостью без зазора без риска их насыщения и перегрева. Такие дроссели широко выпускаются промышленно.
Совсем другое дело – дроссель для подавления противофазных помех (Рис.3 справа). Здесь обмотки включены синфазно и магнитный поток от них складывается, что создаёт предпосылки для лёгкого насыщения сердечника. Поэтому в данном случае следует использовать либо сердечники с зазором, либо сердечники из распылённого железа, либо два отдельных дросселя с высокими рабочими токами (Рис.5).
Рис.5 Сетевой фильтр подавления синфазных и дифференциальных помех
Данный фильтр менее эффективен, чем устройство, изображённое на Рис.3, и был приведён лишь для демонстрации исполнения дросселя противофазных помех на двух раздельных сердечниках.
Если к аппаратуре не предъявлять повышенных требований помехо- защищенности, то вполне можно применить и фабричные EMI (RFI) фильтры, предназначенные для уменьшения ВЧ помех и на начальном уровне вполне справляющиеся с возложенными на них обязанностями (Рис.6).
В качестве ориентира можно порекомендовать схему, приведённую на Рис.3. Именно эту схему мы слегка доработаем и разместим в качестве готовой конструкции на следующей странице.