Подавление импульсных перенапряжений и высокочастотных помех на входе Подавители импульсных перенапряжений

На рис. 4 приведена широко распространен­ная схема входного устройства стандартного AC/DC-преобразователя.

Рис. 4. Схема входного устройства AC/DC-преобразователя.

На сетевом входе после плавкого предохра­нителя (FU) последовательно включен мощ­ный ограничитель пусковых токов в виде тер­морезистора (термистора) Rt с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).

Ввеличины импульсных перенапряжений в се­ти электропитания переменного тока могут достигать значений 1–4 кВ при длительности от десятков нс до сотен мкс. В качестве защитных компонентов от им­пульсных перенапряжений обычно исполь­зуются варисторы.

Варистор – это нели­нейный полупроводниковый резистор (voltage dependent resistor – VDR). Дифференциальное сопротивление варистора после достижения определенного (классификационного) напряжения начинает резко уменьшаться. Коэффициент нели­нейности варисторов – более 25-30. Варис­тор обладает симметричной вольт-амперной характеристикой. Быстродействие варисто­ров – порядка 25-50 нс. Благодаря объемной структуре и "толстым" выводам варисторы способны рассеивать энергию одиночных им­пульсов в десятки и сотни джоулей. При этом токи могут составлять сотни и тысячи ампер за время от 50 нс до 20 мкс. Рассеваемая мощность варистора при нормальных параметрах сети не превышает долей или единиц ватт.

Входные (сетевые) помехоподавляющие фильтры (ппф)

Однофазный сетевой фильтр (ФС), относя­щийся к классу НЧ-фильтров, подавляет вы­сокочастотные (ВЧ) кондуктивные помехи на сетевом входе и выполнен по схеме типового П-образного фильтра С_х1-L_ф-С_х2-C_yl,С_у2 (рис. 5). R – разрядный резистор. Фильтр осуществляет подавление по­мех как со стороны сети, так и со стороны са­мого импульсного ИВЭП. Фильтр такой схемной конфи­гурации широко распространен, имеет мини­мум компонентов.

Рис. 5. Схема однофазного сетевого П-образного фильтра помех.

При оптимальном выборе параметров компонентов он способен обеспе­чить высокую степень подавления ВЧ-помех порядка 30-80 дБ в частотном диапазоне 0,15-30 МГц. Конденсаторы C_x1 и С_х2, вклю­ченные между фазным проводом (L) и прово­дом нейтрали (N), предназначены для фильт­рации кондуктивной помехи симметричного (дифференциального) вида. Конденсаторы C_yl и С_у2, включенные между фазным и "нейтраль­ным" проводами и зажимом (шиной) заземле­ния (Ground), предназначены для фильтрации кондуктивной помехи несимметричного (об­щего) вида. R – разрядный резистор. По общепринятой оценке, симметричные помехи пре­обладают с частотой до сотен килогерц, а несимметричные – более 1 МГц.

Режекторный дроссель L_ф, называемый иногда двухобмоточным трансформатором, выполнен на сердечнике с достаточно высокой магнитной проницаемостью (феррите) и име­ет 2 идентичные обмотки (wl, w2). Обмотки включены последовательно в провода электро­сети, причем полярность включения обмоток такова, что для несимметричной помехи они имеют большое индуктивное сопротивление, поскольку включены согласно. В то же время для симметричной помехи индуктивное сопро­тивление обмоток минимально, так как они включены встречно.

На рис. 6 и рис. 7 представлены эквивалентные схемы фильтра соответственно для помехи симметричного и помехи несимметричного ви­да.

Рис. 6. Эквивалентная схема сетевого П-образного фильтра для симметричных кондуктивных помех.

Рис. 7. Эквивалентная схема сетевого П-образного фильтра для несимметричных кондуктивных помех.

В качестве индуктивности L'_ф обозначена "остаточная" индуктивность (L'_ф ≈ 0,01L_ф), обусловленная неидентичностью обмоток дрос­селя. На практике L'_ф определяется измерите­лем LС-параметров при соединении выводов 3 и 4 у дросселя (рис. 5).

Выбор величины емкости конден­саторов С_у определяется значением безопасного для человека тока заземления (I_{з max}), величина которого для аппаратуры общего назначения составляет не более 0,5-2 мА, а для медицинской аппа­ратуры – не более 0,1 мА.

Отсюда с учетом эквивалентной схемы (рис. 7) несложно определить максимально допустимую величину емкости (С_{у max}) несимметричного конденсатора после преобразования выраже­ния

Z_cy = 2U_{c max}/I_зmax:

С_{у max} = I_{з max}/4πf_c*U_{c max}.

Если положить I_{з max} = (0,1; 0,5; 1,0; 2,0) мА, частоту сети f_c = 50 Гц и максимальное сете­вое напряжение U_{c max} = 264 В, то можно определить область значений С_у:

С_{у max} ≈ (0,56; 2,8; 5,6; 11,2) нФ.

Оценку L_{ф min} производим для частоты 1 МГц. С этой целью необходимо выбрать требуемую величину вносимого за­тухания

А_нсм = 20*lg К_п.нсм,

где К_п.нсм – коэф­фициент подавления несимметричных помех.

Ос­новной спектр помех со стороны входа (се­ти) имеет амплитуду в диапазоне 5-100 В. При обеспечении затухания фильтра А_нсм по­рядка 60 дБ (или К_п.нсм = 1000) на выходе фильтра амплитуда помехи составит 5-100 мВ. Помеха такой величины не вызывает сбоев в функционировании ИВЭП и практически не проходит на его выход. Отсюда с учетом эк­вивалентной схемы из выражения

Z_LФ/(Z_cy/2) ≥ К_п.нсм

получим:

L_{ф min} ≥ К_п.нсм / 2С_{у max}*(2πf₂)².

Если положить частоту несимметричной по­мехи f₂ = 1 МГц и область значений С_{у max} ≈ (0,56; 2,8; 5,6; 11) нФ, то соответственно определится область значений

L_{ф min} ≈ (22,0; 11,0; 5,5; 2, 75) мГн.

Величины емкости "симметричных" кон­денсаторов C_x1 и С_х2 определяются на ни­жней частоте диапазона фильтра f₁ = 0,15 МГц из эквивалентной схемы (рис. 6). Сначала рассчитывается значение С_х2 и затем, в срав­нении с ним, определяется C_x1.

Внутренний им­педанс сети в полосе радиочастот от 0,15 до 30 МГц составляет Z_c = 30-150 Ом и со­держит активную (R_c) и индуктивную (X_Lc) составляю­щие. Меньшие значения Z_c соответствуют меньшим значениям частоты.

Затухание симметричных помех, вносимое C_x1, обыч­но оценивается в размере 6-20 дБ (2-10 раз). Уровень симметричных по­мех примерно на 10-15 дБ меньше, чем не­симметричных, тогда с достаточным запасом можно определить С_х2 из выраже­ния:

С_{х2 min} ≥ К_п.см/(2πf₁)²(2 L_ф'min).

Для значений f, = 0,15 МГц, К_п.см ≥ 300 (А_см = 50 дБ) и области значений индуктивно­сти L_ф'min = 0,01* (22,0; 1 1 ,0; 5,5; 2, 75) мГн – определенная область значений С_{х2 min} со­ставит:

С_{х2 min} ≈ (0,85; 0,43; 0,22; 0,1) мкФ.

Выбираем C_{x1 min} ≈ С_{х2 min}.

Пример. Если для проверки принять Z_с = 30 Ом, C_x1 = 0,22 мкФ, то вносимое затухание симметричных помех на частоте f ₁ = 150 кГц составит:

А_см1 = 20*lg (Z_c*2πf₁*C_x1) = 20*lg(30*2*3,14*l,5*l0⁵*0,22*10^-6) = 16 дБ.

На основании результатов расчета выбира­ются рекомендуемые типы компонентов с нормированными значениями (но­миналы, допуски). При этом не на­до забывать, что эти компоненты имеют паразитные параме­тры, снижающие их фильтрующие свойст­ва.

Это обстоятельство на практике решает­ся, во-первых, увеличением в 2-3 раза расчетных значений C_x1, С_х2, L_ф. При этом значения С_{у max}, определяемые по допусти­мым значениям безопасного тока заземле­ния I_{з max}, не могут быть увеличены. Во-вто­рых, необходимо стремиться выбирать ком­поненты фильтра лучшего качества, что, в конечном счете, будет дешевле, чем услож­нение схемы фильтра за счет дополнитель­ных звеньев.

Для иллюстрации критериев выбора компонентов фильтра на рис. 8 пред­ставлена схема П-образного фильтра с учетом паразитных пара­метров компонентов.

Рис. 8. Эквивалентная схема П-образного ППФ с учетом паразитных пара­метров компонентов.

Из рис. 8 видно, что для уточненного рас­чета вносимого затухания фильтра необходи­мо знать значения паразитных параметров компонентов.