Конспект
Теория. Электрические цепи. Создание платы.

Схемы устройств
Принципиальные схемы.

Радиодетали
Резисторы. Конденсаторы. Микросхемы. Разъемы.

Инструменты
Материалы и инструменты, необходимые для работы.


Сетевой фильтр

С приходом компьютерной техники в наши дома вошли такие необходимые устройства, как многорозеточные удлинители с сетевыми фильтрами. Многие пользователи не особо задумываются о функции фильтрации сетевого напряжения. «Действительно, работает же, что еще надо?» - говорят они. Их больше интересует внешний вид, а основным критерием выбора сетевого фильтра/удлинителя является количество розеток, толщина и длина питающего сетевого кабеля. Для того чтобы развеять миф о бесполезности сетевого фильтра и доказать, что данный функционал не менее важен, чем, скажем, напряжение питания, мы решили написать эту статью. В ней читатель узнает о том, что такое сетевые фильтры, их виды и предназначение. Вкратце расскажем о принципе работы сетевого фильтра. Потребителям предоставим критерии выбора качественного продукта при покупке фильтра. Юные конструкторы смогут познать азы проектирования подобного рода устройств, а опытным радиолюбителям будет интересны готовые инженерные решения реализации сетевых фильтров. Но прежде чем начать говорить о столь важной вещи, как сетевой фильтр, необходимо уяснить, что такое гармонические искажения в сети.

Вред гармонических искажений в сети

Все устройства, работающие от сети, питаются переменным синусоидальным напряжением с частотой 50 или 60Гц. Блоки питания разрабатываются с учетом этих характеристик. Идеально чистая питающая сеть несет в себе напряжение синусоидальной формы, но на практике наша сеть полна гармонических искажений. Гармонические искажения представляют собой частотные сигналы, накладывающиеся на питающее напряжение и видоизменяющее его. Частота таких помех кратна частоте питающей сети.

Вся силовая электроника бытового и промышленного значения при включении в сеть вносит свои искажения, причем, чем больше нагрузка потребителей, тем больше искажений поступают в сеть. Вызваны они большей частью коммутационными процессами включения и выключения. Искажая частоту питающего напряжения, гармоники приводят к увеличению потерь сети, излишнему перегреву трансформаторов в блоках питания, уменьшают срок службы оборудования. Звуковая техника с трансформаторными блоками питания начинает издавать низкочастотный фон. Сильно искажает чистоту сети мощное коммутационное оборудование: двигателя, сварочные аппараты, старые холодильники, частотные преобразователи, микроволновые печи, газоразрядные лампы. Данные потребители за счет коммутационных процессов полупроводниковых приборов внутри них искажают форму питающего напряжения. Показателем качества сетевого напряжения является коэффициент гармоник КU или THD. Данный коэффициент определяет наличие гармонической составляющей в полезном сигнале. По ГОСТу 13109-97 для напряжения питающей сети 380В. КU не должен превышать 12%. Дальнейшее его повышение ведет к выходу аппаратуры из строя или резкому снижению сроков ее эксплуатации. Уровень гармонической составляющей зависит от мощности питающей сети, мощности подключенных к ней потребителей, вносящих искажения, протяженности и сечения питающей линии от силового трансформатора до потребителя. Ради интереса, обратите внимание, где установлен силовой развязывающий трехфазный трансформатор на вашей улице и представьте, какое количество потребителей подключено к каждой из 3-х его линий. А ведь каждый из них вносит в сеть свои, хоть и мизерные, но искажения. Суммируя все показатели, картина питающего напряжения в сети вырисовывается просто ужасающая. А мы после этого удивляемся: почему у нас так часто ломаются компрессора в холодильниках, или выходят из строя блоки питания старых телевизоров. В промышленности способов борьбы с искаженным питающим напряжением довольно много, но в быту основное применение нашли сетевых фильтры.

Сетевые фильтры. Их предназначение и принцип действия

Сетевые фильтры играют двойную роль. Со стороны питающей сети они препятствуют проникновению гармонической составляющей в блоки питания аппаратуры, либо в домашнюю сеть. С другой стороны они исключают влияние коммутационных процессов оборудования на питающую сеть, защищая ее при этом от гармонических искажений. В простом приближении сетевой фильтр представляет собой последовательно соединенный конденсатор и катушку индуктивности. Эта связка настроена в резонанс частоты паразитной гармоники и подключается параллельно шине питающей сети возле силовых трансформаторов или выпрямительной установки. Существует три типа топологии сетевых фильтров: резонансный шунт, демпфированный фильтр и активный фильтр. На частоте паразитной гармоники конденсатор и дроссель обладают малым сопротивлением, поэтому являются шунтом, препятствующим прохождение частотных помех в сеть. Данный тип фильтрования называется резонансным. Демпфированные фильтры еще называют широкополосными. Их обычно применяют в промышленности, например, в электродуговых печах. При постоянном излучении нагрузкой в сеть существует вероятность, когда частота коммутационных помех сможет совпасть с частотой антирезонанса, поэтому необходимо не только отфильтровать гармоники, но и снизить антирезонанс от нагрузки или другими словами демпфировать их. Погасить многочисленные резонансные помехи можно применив большое количество резонансных шунтов, включенных последовательно, но этот способ экономически не эффективен. Экономический баланс для реализации такого сетевого фильтра между гашением антирезонанса и резонанса можно получить применением демпфированного фильтра второго порядка (рис. слева). Существуют активные сетевые фильтры – довольно сложные и дорогостоящие схемотехнические решения. Их работа основана на генерации противоположного сигнала, относительно помехи, по своей структуре полностью повторяющего ее форму и амплитуду, но в противоположной полярности. Иногда активные фильтры используют в тандеме с пассивными фильтрами. Такое сочетание называют гибридными сетевыми фильтрами.

Критерии выбора сетевого фильтра

Для потребителя, пожалуй, это будет самая интересная часть статьи, в которой мы расскажем, на что обращать внимание при покупке удлинителя с фильтром, либо однорозеточного сетевого фильтра и как не ошибиться с приобретением оного.

Как показывает практика, многие думают, что цена сетевого фильтра является основополагающим фактором его качества. На самом деле это утверждение в корне не верно. Как правило, производитель должен указывать на своих изделиях следующие параметры: количество розеток для подключения источников питания, длину кабеля, предельное значение суммарного тока подключенных потребителей, максимальную мощность нагрузки, максимальный ток и напряжение помехи, рассеиваемую энергию помех. Самые ответственные производители дополнительно в паспорте указывают степень подавления высокочастотных помех в зависимости от частоты, измеряемую в децибелах. Для выбора качественного сетевого фильтра необходимо обращать внимание на наличие в документации значка о том, что фильтр сертифицирован, обратить внимание на толщину соединяемого кабеля. Чем больше диаметр кабеля, тем больше сечение его проводников, а, следовательно, провод будет способен без нагрева передать в нагрузку большую мощность. При этом, чем длиннее кабель, тем больше должна быть его толщина. На хорошем кабеле нанесена его маркировка и сечение токопроводящей жилы. Для мощности в 2кВт сечение должно быть не ниже 0,75мм2. Немаловажным фактором в качестве изготовления сетевого фильтра является наличие утолщения кабеля в месте его входа в корпус. Качественное изделие выполнено из плотного негорючего (!) пластика, который не всегда будет презентабельным на внешний вид, к тому же на его корпусе вы не найдете винтов и отверстий для разборки или креплений к стене. Наличие терморазмыкателя и варистора говорит о наличии защиты от скачков тока и перегрева, но визуально их не видно, так как они встроены в кнопку включения фильтра с припаянным к ее контактам радиоэлементом. Некоторые фильтры изготовляют в защищенном корпусе с наличием защитных шторок от попадания пыли, влаги и грязи. Это, как правило, признак качественного товара. Наличие цветных металлов в контактах фильтра говорит о его высокой энергопроводимости с малым удельным сопротивлением. Подавляющее большинство изделий западных производителей имеют контактные проводники из тонкой промышленной стали с большим удельным сопротивлением. При подключении большой нагрузки к такому «фильтру», корпус быстро нагревается. С таким продуктом пожар вам будет обеспечен! Проверить наличие цветных металлов можно магнитом. При их наличии фильтр магнититься не будет. К сожалению, проверить фильтрующие свойства покупки можно только в домашних условиях при наличии специального оборудования (как минимум индикатора качества сети или осциллографа с делителем).

Устройство сетевого фильтра

На рисунке слева показано устройство, которое обычные покупатели называют «сетевым фильтром». На самом деле внутри находится термовыключатель - кнопка с подсветкой и предохранителем на 10А и обычный варистор, подключенный параллельно контактам питания. Варистор – полупроводниковый резистор, способный в зависимости от величины протекающего через него тока, изменять свое сопротивление с ГОм до единиц Ом с определенного порога, на который он рассчитан В нашем случае он стоит с маркировкой 471KD, т.е. на напряжение 470В. Согласно расчету 220В*2=440В, берем ближайшее значение по номиналу на 470 вольт. В результате, при возникновении импульсных всплесков в сети выше 470В, его сопротивление будет уменьшаться, и он будет работать в качестве разрядника, т.е. рассеивать избыточную энергию. При замене варистора стоит учитывать, что на 250В ставят 391KD, 275В – 431KD, 300В – 471KD. Варисторы выпускаются на напряжение до 20кВ. Таким образом, возвращаясь к нашему устройству, мы видим, что данный удлинитель имеет защиту от кратковременных всплесков напряжения, тепловую защиту от перегрева или от повышенной нагрузки. Называть это устройство «сетевым фильтром» ни в коем случае нельзя, поскольку в нем нет ни единого элемента фильтрации помех сети, за исключением варистора.

Качественный сетевой фильтр должен состоять из множества радиоэлементов, каждый из которых несет в себе определенный функционал. К примеру, вышеуказанный удлинитель можно без труда доработать вполне функциональным сетевым демпферным фильтром, который действительно будет защищать входные питающие цепи домашней аппаратуры от различного рода помех. Схема доработки приведена ниже. Дросселя L1, L2 и неполярные металлопленочные конденсаторы C1, C2 образуют LC фильтр 1-го порядка. По высокочастотным помехам дросселя имеют высокое сопротивление, препятствующее их проникновению в устройства. В то же время по частоте в 50Гц активное и реактивное сопротивление контуров составит доли Ом, что позволит без нагрева элементов проводить через себя полезный сигнал питающего напряжения.

Качественный фильтр, состоящий из множества последовательно стоящих защит:
1. Помехоподавляющие входные конденсаторы, которые устанавливают из расчета максимально допустимых сетевых всплесков. Корпус конденсатора противопожарный. Маркировка на конденсаторе X2 определяет его для сети с номинальным напряжением 250В. Пиковое значение помехи для них 2,5 кВ. X1 для промышленных устройств. Выдерживают помехи в 4кВ.
2. Тороидальный балансировочный дроссель.
3. Термопредохранитель мембранного типа – в случае перегрева мембраны большими токами разъединяет цепь.
4. Мощные дросселя (индукторы) – совместно с VHF конденсатором (6) образуют LC фильтр, подавляющие сетевые помехи.
5. Варисторы – сглаживают импульсные скачки напряжения.

Стоит сказать, что импульсные блоки питания любой современной аппаратуры от монитора, компьютерного ATX блока питания, навороченного телевизора, уже содержат собственный сетевой фильтр. На рисунке представлен фрагмент схемы АТХ блока питания FSP. Некоторые дешевые блоки питания из поднебесной лишены этого важного модуля, что приводит к быстрой поломке не только блока питания, но и компьютера в целом .

Делаем сетевой фильтр своими руками

Задача нашего фильтра не пропустить в устройство дифференциальные и синфазные помехи. Дифференциальные помехи присутствуют в напряжении питания, а синфазные помехи идут между корпусом устройства и обеими шинами питания. Схема простого сетевого фильтра приведена ниже.

Рассмотрим назначение элементов схемы:
F1 – предохранитель, перегорающий (термопредохранитель) при превышении нагрузки
R1 и R2 – сопротивления, снимающие заряд C1
C1 – конденсатор, шунтирующий дифференциальные ВЧ помехи совместно с L1
L1 – фильтрующий дроссель, определяющий частоту среза и рассчитанный на ток нагрузки *1,5
L2 – синфазный трансформатор, устраняющие электромагнитные помехи, наведенные проводом от розетки к нашему фильтру
С2 и С3 – конденсаторы, закорачивающие синфазную помеху на землю. Совместно с L2 образуют синфазный фильтр
С4 и R4 – цепь Цобеля (антизвонная цепочка), устраняющая выбросы противоположного ЭДС самоиндукции при выключении нагрузки.
VDS1 – диодный мост, разрывающий контур заземления, в случае утечки токов внутри корпуса.

В действительности мы привели наиболее простое решение, упускающее многие моменты защиты. Для тех кто желает собрать более серьезное устройство, советуем посмотреть схемы в интернете, где Вы сможете найти их огромное множество.