Электрификация

Справочник домашнего мастера

Фильтр от помех

Содержание

Схемы сетевого фильтра 220 вольт для потребителей двухпроводной и трехпроводной сети

Домашнему мастеру важно понимать, как работают схемы сетевого фильтра и на основе этих знаний выбрать оптимальную конструкцию под свои задачи. Актуальность этого вопроса возникла буквально в последнее десятилетие.

За это время в наших квартирах появилось множество бытовых приборов с импульсными блоками питания. Это не только компьютерные устройства, но и микроволновки, светодиодные и энергосберегающие лампы, другая техника с электронным управлением.

Все это генерирует высокочастотные импульсы помех в сеть, хотя производители стараются их ограничить. У бюджетных моделей такая функция осуществляется не полностью и представляет опасность для всех потребителей.

Зачем нужен сетевой фильтр: краткое пояснение

Само название этой электронной схемы объясняет ее назначение. Слово «фильтр» указывает на отсеивание вредных помех, а «сетевой» — определяет их источник.

Другими словами, весь электрический мусор, поступающий из сети питания, отсеивается на входе нашего устройства и не влияет на качество работы бытового прибора. Основной же сигнал сети 220 вольт с частотой 50 герц беспрепятственно проходит через фильтр.

Электромагнитные помехи в сети появляются спонтанно, предугадать их появление невозможно. Даже простое включение лампы накаливания формирует начальный бросок тока, создающий зону переходных процессов.

Подключение электродвигателей холодильника, стиральной или посудомоечной машины связано с изменением индуктивного сопротивления. Ток такого включения может превышать в десятки и более раз номинальную величину нагрузки.

При этом в сети создается значительная «просадка» напряжения. А далее следует его всплеск, формирующий высоковольтные помехи.

Эти процессы протекают кратковременно. Во времена пользования аналоговой бытовой техникой они особого вреда не причиняли, а в аудио и видео аппаратуру встраивали простейшие фильтры, отлично выполняющие свои функции.

Они надежно сглаживали все эти быстрые провалы и пики напряжения своей конструкцией, предотвращая их попадание к чувствительной электронной схеме.

Важно понимать, что фильтр работает исключительно с кратковременными провалами и пиками входного сигнала. Если же подобный процесс немного затянется, то здесь нужно другое устройство — стабилизатор напряжения.

Какой вред наносят электромагнитные помехи

  1. Напряжение кратковременных импульсов накладывается на основной сигнал питания сети 220. При этом в точке амплитуды может возникнуть перенапряжение, способное прожечь рабочий слой изоляции или повредить электронный компонент.
  2. Проникающие внутрь слаботочных цепей посторонние сигналы искажают работу звукозаписывающих или звуковоспроизводящих устройств, видеотехники, телеприемников, дорогой цифровой аппаратуры.
  3. Специальная техника позволяет через электромагнитные шумы, передающиеся по нулевому проводнику, проложенному вне квартиры, получать доступ к конфиденциальной информации.

Чтобы надежно бороться с помехами необходимо знать особенности своей бытовой сети.

2 варианта подключения бытовой проводки, влияющие на работу сетевого фильтра

В наших квартирах существует 2 типа заземления электрической схемы:

Под них разрабатывается индивидуальная схема подавления посторонних импульсов, обеспечивающая качество работы фильтра.

В двухпроводной схеме опасность создает дифференциальный сигнал напряжения помехи, который идет только через провода фазы и нуля. Другого пути замкнутой цепи для прохождения постороннего тока высокой частоты здесь просто нет.

Для трехпроводной схемы добавляется еще синфазное напряжение помех. Оно проникает через земляной проводник и цепочку фазы либо нуля.

По этим причинам конструкции фильтров для двухпроводной и трехпроводной сети питания отличаются. Использовать их необходимо по назначению, а путать или произвольно подключать не рекомендуется.

Устройство, фильтрующее только дифференциальное напряжение помехи, не станет бороться с синфазными составляющими.

Фильтрация же посторонних в/ч токов, поступающих из двухпроводной сети, устройствами с защитой от синфазных сигналов происходит лучше, но требует их корректировки.

Когда удлинитель типа «Пилот» с контактом земли подключают в двухпроводную сеть, то он объединяет все корпуса периферии (системный блок, монитор, принтер…). В итоге через мощный земляной провод постоянно выравниваются потенциалы, уменьшается их переток по слаботочным цепям интерфейсного проводника.

Однако здесь не все так просто. Для фильтрации синфазных помех конденсаторами создается искусственная средняя точка, которая подключена в трехпроводной схеме РЕ проводником на контур земли.

По этой цепочке снимается создаваемый потенциал порядка ста вольт, образующийся на корпусах подключенного оборудования. У двухпроводной схемы магистрали отвода этого потенциала нет.

Человек, оказавшийся случайно между таким корпусом и землей, получает непередаваемые ощущения прохождения тока сквозь свое тело.

Доступ к системному блоку компьютера, подключенному через схему Pilot к двухпроводной сети необходимо ограничивать. Поэтому его помещают под компьютерный стол в отсек с хорошей вентиляцией, а в нерабочем положении отключают полностью, исключая функцию «спящий» режим.

Основные эксплуатационные характеристики фильтров, которые важно знать

Борьба с электромагнитными помехами из сети выполняется разными способами. Популярными являются экранизация и использование электронных компонентов.

Какой корпус эффективнее борется с помехами

Отличительной чертой качественных изделий является закрытый металлический экран, исключающий прохождение и наводку посторонних электромагнитных сигналов. Его подключают на контур заземления.

В советское время на нем указывали схему внутренних соединений и технические характеристики изделия.

Такой корпус может изготавливаться общим для всего устройства, как делается у микроволновки или системного блока компьютера.

Многочисленные современные модули, выпускаемые для фильтрации помех из бытовой сети, имеют обычный пластиковый кожух.

Они лишены возможности защиты от внешних наводок и посторонних излучений.

К тому же часто маркетологи называют обычные удлинители сетевым фильтром, что не совсем правильно. При этом используется их внешнее сходство.

Конструктивные особенности и электрические характеристики, улучшающие условия фильтрации

Наличие выключателя

Маркетологи обращают на него внимание, показывая небольшие удобства в пользовании. Его же ставят на обычных удлинителях.

Однако на этом его роль и заканчивается. Он просто позволяет отключать или подавать питание потребителям без выдергивания вилки из розетки. Эта функция бывает полезна, когда розеточный блок закрыт мебелью, а доступ к нему затруднен.

Допустимый ток нагрузки

Рекомендую обращать пристальное внимание на электрические характеристики, заявленные производителем. Их необходимо обязательно соблюдать.

Ток нагрузки, например, 10 ампер, приведенный на корпусе, составляет максимальное потребление всех подключенных устройств. Превышать его нельзя, ибо внутренняя схема перегреется, возникнут повреждения изоляции.

Здесь важно учитывать, что в такой закрытой конструкции толщина многожильного провода из меди не превышает 1 мм квадратный.

Таким же сечением выполнены дроссели, выполняющие роль индуктивного сопротивления.

При подключении к розеткам фильтра потребителей необходимо рассчитывать общий ток нагрузки. Довольно часто возникает ситуация, что включать параллельно с работающим компьютером пылесос или чайник недопустимо.

В руки отдельных пользователей могут попасть фильтры, выпущенные в странах с напряжением 100 или 110 вольт (например, США, Япония). У них другие контактные разъемы.

Но их замена на наш стандарт не позволит использовать такие устройства в нашей проводке. Всю внутреннюю схему необходимо переделывать, а это затратнее, чем приобрести новый блок.

Основные электронные компоненты внутренней схемы

Защита варисторами

Уже в самых дешевых конструкциях используется один варистор. Он стоит на входе между потенциалами фазы и нуля. При нормальном напряжении сети он имеет очень высокое электрическое сопротивление и ничем не мешает работе схеме.

Когда же из сети приходит остаточный импульс перенапряжения, не до конца погашенный устройствами УЗИП, то внутреннее сопротивление варистора резко снижается.

За счет этого через него по закону Ома начинает протекать большой ток, преобразующийся в тепловую энергию, а в схему поступает только допустимый уровень напряжения.

Для трехпроводной проводки используются три варистора. Они включаются для устранения дифференциальных и синфазных помех напряжения.

Индуктивности и конденсаторы в высокочастотной схеме

В конструкции в/ч фильтра используется зависимость емкостного и индуктивного сопротивления от частоты сигнала.

Обычные 50 герц легко проходят через индуктивность. Для помехи же высокой частоты здесь создается большое сопротивление. Поэтому обмотки катушек включают последовательно с проводниками. Их делают таким же сечением, как основной провод.

Конденсаторы же подключают параллельно дифференциальным и синфазным помехам. Емкостное сопротивление имеет обратную зависимость от частоты сигнала. Оно шунтирует высокочастотное напряжение.

Особенности работы ферритового кольца

На концах кабеля в нескольких сантиметрах от разъема полезно разместить ферритовый фильтр, как делается на блоке питания ноутбука.

Такой пассивный элемент в виде цельного или составного цилиндрика подавляет проходящие по кабелю в/ч помехи своим индуктивным сопротивлением.

При этом, в зависимости от состава материала и марки ферритового кольца происходит:

  • отражение части высокочастотной помехи индуктивностью обратно в сеть;
  • или частичное поглощение в/ч волны материалом феррита (более эффективно);
  • либо совмещение обеих функций.

Качество подавления помех ферритом можно увеличить. Достаточно пропустить кабель несколько раз вокруг его кольца. Однако не всегда это удается выполнить на практике.

Следует учитывать, что на многожильных проводах слаботочных цепей цифровой передачи данных или аудио-, видеосигналов ферриты, поглощающие помехи, не используют. Они работают как синфазный трансформатор, пропускающий аналогичные сигналы.

2 простые схемы для повторения своими руками в двухпроводной сети

Основное преимущество этих конструкций состоит в том, что они занимают мало места. Все компоненты можно встроить внутрь корпуса обычного заводского удлинителя.

Схема LC-фильтра

Вначале показываю схему попроще, обеспечивающую вполне приемлемые результаты.

Токовый ключ SC обеспечивает защиту подключенных потребителей от перегрузок и токов коротких замыканий.

Высокоомный резистор на 1 мегаом практически никак не влияет на прохождение сигналов. Его роль — разряд конденсатора C при выключении питания для повышения безопасной эксплуатации.

Схема RLC-фильтра

Предыдущую конструкцию можно доработать добавкой низкоомных резисторов и изменением характеристик электронных компонентов.

Номиналы конденсаторов показаны на схемах. Их изоляция обкладок должна выдерживать рабочее напряжение сети, увеличенное импульсом помехи. Подбирайте их минимум на 300 вольт, а лучше — больше.

Обе схемы гасят входящие высокочастотные помехи индуктивными сопротивлениями дросселей и емкостными — конденсаторов. Ликвидация высоковольтных импульсов возложена на варистор.

Промышленные и самодельные фильтры для трехпроводной системы питания

Среди серийно выпускаемых изделий имеются довольно полезные технические решения, на которые домашнему мастеру стоит обратить внимание.

Краткий обзор полезных функций заводских моделей

Одной из популярных разработок, широко представленной в торговле, считается серия фильтров Pilot разных конструкций.

Принципиальная электрическая схема сетевого фильтра Пилот показана на картинке для облегчения понимания его возможностей.

Остановлюсь на задачах, которые призван решать Pilot XPro, специально созданный для комфортной работы, продления ресурса подключенных потребителей и снижения расхода электричества. Это:

  • защита варисторами от импульсных перенапряжений;
  • предотвращение действия высокочастотных помех индуктивно-емкостными сопротивлениями;
  • управление электропитанием за счет введения функции Master Control;
  • защита от перенапряжений, связанных с обрывом нуля;
  • плавное отключение и включение оборудования под нагрузку функцией Zero Start за счет исключения бросков тока встроенной схемой;
  • автоматика включения потребителей после устранения аварийного пропадания питания;
  • два уровня защиты от токовых перегрузок или коротких замыканий за счет плавкого предохранителя и биметаллического расцепителя;
  • индикация подключения к сети и уровня напряжения питания;
  • контроль температуры и автоматическое отключение при перегреве.

Функция Master Control определяет одну розетку основной (как master-розетка). На нее подключают основной потребитель мощностью более 50ватт, например, системный блок компьютера.

При его включении автоматика одновременно запитывает три других розетки с периферийным оборудованием. Она же отключает их при снятии питания с основного блока.

На корпусе имеются розетки, не управляемые микропроцессорной автоматикой. Их используют для освещения, телефона, другого оборудования

Более подробные сведения об этом оборудовании можете узнать в коротком видеоролике владельца ZIS Company.

2 самодельные схемы, обеспечивающие качественную работу аудиоустройств

Сразу замечу, что нашел их я на просторах интернета и не проверял. Однако автор этих разработок sergeon вызвал доверие своими комментариями и объяснениями. Поэтому публикую их для повторения в порядке сложности.

Простой сетевой фильтр для аудио

Слева показан десятиомный резистор, подключенный параллельно с диодами, расположенными встречно между корпусом аудиоприбора и землей. Диоды устраняют токи утечек, которые могут возникнуть в этой цепочке. Резистор же пропускает их небольшую величину, ограничивая вероятность образования перенапряжение.

Синфазный трансформатор собран из двух одинаковых индуктивностей 4,7 mH, подключенных встречно. Он устраняет синфазные помехи, но хорошо пропускает основной сигнал.

Его работу дополняют два конденсатора по 1nF, соединенные средней точкой с контуром земли. По этому пути они отводят ослабленные трансформатором помехи, не пропускают их дальше в рабочую схему.

На конечном участке пути сигнала работает резистивно-емкостная цепочка Цобеля. Она предохраняет всю конструкцию от бросков ЭДС самоиндукции, которые появляются при отключениях питания.

Улучшенная конструкция сетевого фильтра для истинных меломанов

Ниже показываю вторую, более доработанную разработку этого же автора.

Принцип ее работы кратко поясню по маршруту прохождения основного сигнала: слева на право. Индексом PGND помечен защитный РЕ-проводник, а GND — это корпус устройства.

Сразу на входе две емкости по 1nF снижают электромагнитные синфазные шумы. Диоды и резистор работают, как и в предыдущем случае.

Сюда же добавлен предохранитель с плавкой вставкой на 1 ампер. Его вполне достаточно для защиты внутренней схемы.

Но, если ток потребления у вашей аудио системы большой и предохранитель выбивается от нагрузки, то всю схему этого девайса необходимо пересчитать под повышенную мощность и заново выполнить ее перемонтаж.

Роль варистора R2 уже описана выше. Терморезистор же R3 здесь добавлен для снижения величины бросков тока во время включения. Он сберегает ресурс оборудования, частично срезает частоту.

Два резистора R4 и R5 автоматически разряжают конденсатор C3 при отключении питания, а их последовательное включение повышает надежность системы за счет обеспечения запаса по величине напряжения.

Индуктивность первого синфазного трансформатора повышена до 25 миллигенри.

Емкости C4 и C5 дополнительно погашают синфазные шумы на землю. Но в двухпроводной схеме питания они просто затруднят работу трансформатора Т1, шунтируя его выход. Для такого случая предусмотрена перемычка на J7. Ее снятие обеспечивает подключение T1 в режим борьбы только с дифференциальными помехами.

Далее идут две индуктивности L1, L2 и емкость C6, создающие главное препятствие для диф помех.

Синфазный трансформатор T2 качественно завершает борьбу с посторонними электромагнитными сигналами.

Дополнительной задачей емкости С7 является снижения искрения в контактах выключателя. А последние элементы C8 и R6 подавляют образование резонансных явлений выключателем, исключают искрение.

Заканчивая статью хочется еще раз обратить внимание, что схемы сетевого фильтра устраняют помехи только в двух случаях, когда они приходят:

  1. по земляному проводу;
  2. или по сети питания.

Если же помеха наводится после фильтра на подключенный к оборудованию слаботочный кабель или внутреннюю схему самого аппарата, то здесь требуется применять совсем другие меры.

Гигиена электропитания: выбираем сетевые фильтры и стабилизаторы

Причины, по которым старое доброе электричество в домашней розетке выходит за пределы допустимых отклонений, бывают разные. Порой это временные скачки напряжений и всплески помех, иногда это систематические отклонения за пределы ГОСТов. В конечном итоге за это расплачивается домашняя техника, мгновенно или медленно умирая от «электрической интоксикации».
В этом посте мы расскажем о простых и недорогих способах «электрической гигиены» в зависимости от типа проблем в вашей электросети.

Зачем все это нужно

Лишь в идеальном мире ток в электрической розетке имеет только два состояния: он есть или его нет. В реальности «поведение» электрического питания имеет «аналоговый» непредсказуемый характер, неприятно удивляющий каждый раз, когда этого ждешь меньше всего.
Существует множество причин, по которым «питание от сети» может отклониться от нормы и даже выйти за пределы стандартных отклонений. Так, вечернее напряжение в сети – когда в каждой розетке каждой квартиры по включенному чайнику, телевизору или компьютеру — значительно отличается от напряжения в ночные или дневные часы с минимальной нагрузкой.
Другой пример: гражданин подключил к домашней сети промышленный сварочный аппарат, и все соседи по подъезду или дому наслаждаются импульсными помехами в виде полосок на экранах и треска в акустике.
В большинстве случаев снижение качества электропитания непредсказуемо и неизбежно из-за внешнего характера источника – как, например, импульсные скачки напряжения во время грозы. Иногда проблема известна очень даже хорошо – например, мощный фен, чайник или старинный холодильник, периодически рассылающие «электроикоту» по хлипкой домашней или офисной электропроводке, избавиться от которой выше наших сил, хотя в некоторых случаях вопрос решается простой подтяжкой контактов на всем пути.
Список возможных источников проблем с электричеством можно продолжить и дальше. Но будь то искрящие контакты в подъезде или регулярные перепады на подстанции – для владельца «внезапно» сгоревшей не по гарантии техники итог один.

Фильтр фильтру рознь

В самом названии устройства – «сетевой фильтр» — заложен ключевой принцип защиты: путем пассивной фильтрации входного напряжения. Простейшие недорогие варианты могут фильтровать высокочастотные помехи с помощью встроенных индуктивно-емкостных элементов (LC-фильтров) или бороться с импульсными помехами с помощью варисторных фильтров. Более дорогие экземпляры включают в себя оба вида фильтров.

Входное сетевое напряжение с высокочастотными и импульсными помехами

Напряжение после фильтрации импульсных помех варисторами

Выходное напряжение после LC-фильтрации высокочастотных помех
В действительно хорошем сетевом фильтре есть дополнительные средства защиты. Например, автоматический предохранитель, отключающий питание при определенной токовой перегрузке. Или специальные метал-оксидные варисторы, срабатывающие при экстремальных пиках напряжения во время грозы или в случае короткого замыкания.

ЭРА SF-6es-2m-B: типичный сетевой фильтр
Некоторые сетевые фильтры предлагают дополнительные «сопутствующие услуги», например, обеспечивают фильтрацию и защиту для телефонной линии / факса, Ethernet-сети и телевизионной антенны. Возникновение подобных помех — не такая уж большая редкость в старых зданиях, кабельная разводка в которых за многие годы эксплуатации превратилась в многослойное и порой даже хаотичное переплетение силовых и сигнальных проводов с ветхими и проржавевшими контактами. Функции подобной фильтрации с равным успехом могут быть востребованы как в офисе, так и в домашних условиях.

Стабилизатор: полет нормальный

В отличие от сетевого фильтра, сглаживающего импульсные и высокочастотные искажения (помехи) пассивными средствами, сетевой стабилизатор активно воздействует на ключевой параметр электропитания – напряжение, компенсируя его отклонения.
До недавнего времени в России нормой для однофазной сети считалось напряжение 220 В ±10% (ГОСТ 5651-89), то есть нормальным считалось любое напряжение переменного тока в пределах от 198 до 244 вольт. С недавнего времени в силу вступил приведенный к европейским нормам межгосударственный стандарт ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009), по которому стандартным считается сетевое напряжение 230 В ±10%, или от 207 до 253 В. Старые добрые 220 В, впрочем, пока никто не отменял – стандарты действуют параллельно, так что в целом можно учитывать примерный диапазон 200-250 В.
Почти вся современная компьютерная и бытовая электроника оснащается импульсными блоками питания, которые сами себе — прекрасные стабилизаторы и способны работать в широком диапазоне питающих напряжений. Так, например, подавляющее большинство компьютерных блоков питания – как встраиваемых в ПК, так и внешних, для ноутбуков и планшетов — рассчитаны на глобальное использование в большинстве стран мира с номинальным напряжением сети от 110 В до 240 В. В некоторых случаях такая техника «запускается» даже при напряжении всего 90-100 В. Соответственно, снижение напряжения в розетке по любым причинам для них не помеха, повышающая компенсация происходит автоматически.

Defender AVR Typhoon 1000: компактный стабилизатор на 320 Вт и 2 розетки
С повышенным напряжением немного сложнее: даже самая современная электроника рассчитана максимум на 250-260 В, но если такое напряжение в питающей сети почему-то стало нормой (в городских условиях в это трудно поверить), конечно же, лучше его стабилизировать внешними средствами.
Вне зависимости от повышенного или пониженного напряжения в особую группу риска попадают все любители теплого лампового звука – раритетных виниловых вертушек, плееров, усилителей и другой старинной техники. В этом случае применение стабилизаторов, как говорится, не обсуждается.
В настоящее время наиболее популярными и многочисленными представителями класса бытовых стабилизаторов напряжения являются электронные, где входящий ток с частотой 50 Гц преобразуется в высокочастотные импульсы с частотой в десятки килогерц и управляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Из существенных минусов таких стабилизаторов можно отметить лишь то, что синусоида на выходе таких стабилизаторов далека от идеала. Список плюсов гораздо длиннее: компактность, небольшой вес, огромный рабочий диапазон, универсальность, устойчивость к перегрузкам, и, главное, невероятно доступная цена.
Помимо этого, в рознице изредка также можно встретить «классику»: внушительных размеров блоки, ступенчато снижающие или поднимающие выходное напряжение за счет электронного или релейного переключения обмоток размещенного внутри полноценного автотрансформатора. Такие стабилизаторы громоздки, имеют изрядный вес, но при этом практически не искажают синусоиду входного тока. Как правило, стабилизаторы этого класса ориентированы на питание целого дома или выполнение специфической задачи – вроде питания газового котла, однако при определенных условиях именно такое устройство может оказаться идеальным выбором аудиофила.
PowerCom TCA-2000: стабилизатор на 2000 ВА (1000 Вт) и 4 розетки
Хороший стабилизатор, как правило, оснащается всеми пассивными фильтрами, характерными для сетевых фильтров, а также имеет все мыслимые виды защиты, в том числе от перенапряжения, перегрузки, перегрева, короткого замыкания и т.д.

Что надо знать при выборе сетевого фильтра

При выборе любого промежуточного сетевого устройства – удлинителя, сетевого фильтра, стабилизатора или источника бесперебойного питания, прежде всего следует помнить главное правило: «электротехника – наука о контактах». Красивые надписи, громкие имена брендов, многочисленные индикаторы и USB-порты не должны отвлекать от главной проблемы: включая что-либо между сетью и устройством, мы добавляем лишние контакты в и без того длинную и неравномерную цепь.

  • Даже самые совершенные схемотехнические решения для стабилизации, фильтрации и защиты попросту бессмысленны, если контакты в розетках вырезаны из консервной банки и болтаются по чем зря, а пайка разъемов сделана некачественно. В таких условиях любые перепады нагрузки в сети будут автоматически создавать многочисленные помехи.

    Сетевой фильтр Power Cube PRO
    При покупке надо обратить внимание на качество исполнения розеток, вилок, кабелей и контактов. Вилки должны максимально плотно входить в розетки, кабель устройства, если имеется, должен быть надежным, из многожильного провода, с качественной изоляцией, рассчитанным на достаточно большую пиковую силу тока в синфазном режиме. Очень хорошо, если розетки устройства оснащены защитными шторками, это внесет дополнительную безопасность в доме с дошкольниками.

  • Просчитайте заранее количество необходимых розеток для подключения техники, чтобы впоследствии не пришлось городить огород ненужных дополнительных контактов из удлинителей и других переходников.
    Хороший сетевой фильтр или стабилизатор может обладать индикацией наличия заземления или режима перегрузки, это полезный бонус. Что касается встроенного в сетевой фильтр зарядного устройства с одним или несколькими портами USB – это, скорее, приятная мелочь, несколько влияющая на цену, но никак не связанная с основной функцией устройства.

  • В процессе выбора сетевого фильтра важно обратить внимание на суммарную энергию пиковых выбросов паразитного напряжения (в джоулях), которую устройство теоретически в состоянии отфильтровать и погасить в каждый момент времени без саморазрушения. Впрочем, максимальное число джоулей в спецификации фильтра – тоже не истина в последней инстанции, поскольку правильно спроектированный фильтр способен «заземлять» часть энергии через варисторы. Тем не менее, в процессе выбора маркировку фильтра в джоулях не стоит сбрасывать со счетов.

  • Следующий важный параметр – максимальный ток помехи, на который рассчитан фильтр, в амперах. В дополнение, сетевой фильтр также может быть промаркирован по максимальной нагрузке, при этом она может быть указана как в амперах, так и в ваттах.

  • Некоторые производители также добавляют в список характеристик сетевых фильтров максимально допустимое напряжение (в вольтах) уровень ослабления высокочастотных помех для разных частот (в децибелах) и наличие защиты от перегрузки – например, от перегрева.
    Наконец, ряд параметров фильтра, определяющий его выбор в каждом отдельном случае: длина кабеля, количество розеток, возможность настенного монтажа, наличие дополнительных фильтров для телефонной линии и витой пары, наличие портов USB и так далее.

Вариант 1: новостройка

Рассмотрим для начала наиболее оптимистичный сценарий: только что сданная в эксплуатацию новостройка с новенькой подстанцией; проводка выполнена исключительно медью с идеальным монтажом, высококачественными, еще не окислившимися контактами и автоматическими предохранителями на соответствующий ток.
Казалось бы, напряжение в розетке должно быть максимально близким к идеальной синусоиде. Увы, даже такую идиллию легко может испортить на пару месяцев приглашенная соседом на ремонт гоп-группа с раздолбанным инструментом: каждый электродвигатель в каждой помирающей болгарке, дрели или отбойнике будет искрить из последних сил до финальной своей черты, рассылая по проводке дома «импульсы смерти».
Это еще цветочки: наиболее активные и неугомонные жильцы периодически будут подключать к домашней сети промышленные сварочные аппараты, чтобы все соседи по подъезду или дому смогли «насладиться» импульсными помехами в виде полосок на экранах ТВ и ПК и забористым треском в колонках и наушниках.
Итак, даже жители относительно новых микрорайонов в крупных городах и мегаполисах с относительно новой инфраструктурой не защищены от импульсных и высокочастотных помех силового питания – по крайней мере, локального происхождения.
Как минимум, несколько первых лет жизни нового дома неизбежно будут посвящены различным ремонтам и перестройкам. В такой ситуации, возможно, покупка самого «мощного» сетевого фильтра не нужна, но совсем без фильтрации силового напряжения никак не обойтись.
Из недорогих вариантов можно присмотреться к сетевым фильтрам отечественной компании «Эра». В ее ассортименте много моделей, отличающихся по уровню защиты и наличию дополнительных функций.
Наиболее доступным и простым решением для фильтрации сетевого напряжения можно назвать недорогой сетевой фильтр ЭРА SF-5es-2m-I. Устройство выполнено в пожаробезопасном корпусе, имеет кабель длиной 2 м и оснащено пятью розетками формата EURO с заземляющим контактом.
Максимальная нагрузка фильтра составляет 2200 Вт (10 А), максимальный ток помехи заявлен на уровне 7000 А, а максимальная рассеивающая энергия – на уровне 300 Дж при максимальном отклонении напряжения нагрузки 275 В.
Сетевой фильтр ЭРА SFU-5es-2m-W
Этот фильтр оснащен индикатором включения, фильтром импульсных помех, защитой от короткого замыкания и перегрева. В дополнение устройство ослабляет высокочастотные помехи (0,1 – 10 МГц) на 10-40 дБ.
Те, кому высокочастотная фильтрация некритична, могут обратить внимание на сетевой фильтр ЭРА USF-5es-1.5m-USB-W: при схожих характеристиках по нагрузке, максимальному току (за вычетом ВЧ-фильтра) это устройство оснащено выключателем и обеспечивает максимальное рассеивание энергии до 125 Дж, а также оснащено двумя встроенными портами USB для зарядки портативной техники и имеет настенный крепеж.
Несколько более дорогой вариант – сетевой фильтр ЭРА SFU-5es-2m-B, объединяет все преимущества двух названных выше фильтров, включая ВЧ-фильтр, порты USB, настенный монтаж, выключатель и максимальное рассеивание энергии до 300 Дж, но при этом выполнен в надежном корпусе из поликарбоната стильного черного цвета.
Тем, кому необходимы длинные кабеля, есть смысл присмотреться к сетевым фильтрам серии Sven Optima на шесть розеток, поставляемым в розницу с 1,8-метровым, 3-метровым или 5-метровым сетевым кабелем. Эти фильтры рассчитаны на максимальную нагрузку до 2200 Вт, максимальный ток помехи до 2500 А и максимальное рассеивание энергии до 150 Дж при отклонении напряжения нагрузки до 250 В.
Несмотря на небольшую цену они оснащены встроенным выключателем, индикатором включения, фильтром импульсных помех, защитой от короткого замыкания и автоматической защитой от перегрузки.
К этому же классу устройств можно отнести сетевой фильтр Pilot L 1,8 m от ZIS Company. Особенностью этого фильтра является наличие пяти розеток стандарта EURO плюс одной дополнительной розетки российского образца, а также поддержка максимального тока помехи до 2500 А и максимальной рассеиваемой энергии до 800 Дж.
Особняком в ряду сетевых фильтров стоят однорозеточные решения, которые сегодня присутствуют в ассортименте большинства производителей. На эти фильтры в обязательном порядке стоит обратить внимание владельцам Hi-Fi и Hi-End техники, особенно той, что выпущена 20 и более лет назад. «Индивидуальный» сетевой фильтр позволит оградить слушателя от щелчков и других фоновых звуков, а любимые усилители, вертушки, фонокорректоры и деки – от преждевременного старения без того уже «не молодых» компонентов.
Сетевой фильтр Pilot S-Max
Например, однорозеточный сетевой фильтр Pilot BIT S с максимальной нагрузкой до 3500 Вт, максимальным током помехи до 10000 А и рассеиваемой энергией до 150 Дж обеспечит полную защиту техники с помощью фильтра импульсных помех, защиты от короткого замыкания и перегрузки.
Еще одно интересное однорозеточное решение – сетевой фильтр APC Surge Arrest P1-RS от компании Schneider Electric, несмотря на свои компактные размеры, гарантирует максимальную нагрузку до 16 А, максимальный ток помехи до 26000 А и рассеивание энергии до 903 Дж. Такая мощная защита с успехом может использоваться в качестве фильтра-переходника на обычный многорозеточный удлинитель.
Сетевой фильтр APC P1-RS

Вариант 2: для дачи

От «почти идеальных» условий городских новостроек перейдем к менее удачливым примерам – домам с видавшей виды проводкой, офисам, пригородным домам и другим случаям с нестабильным электропитанием. В особой «группе риска» здесь оказываются именно офисы, поскольку ко всевозможным источникам помех, типичным для домашних пользователей, в офисах добавляются помехи от мощных промышленных кондиционеров, а в некоторых случаях — от промышленных холодильников и другого силового оборудования с огромными импульсными выбросами пусковых токов.
У того же APC для таких случаев имеются сетевые фильтры на четыре или пять розеток, такие как APC P43-RS или APC PM5-RS из серии Essential. При максимальной нагрузке до 10 А, они обеспечивают напряжение отключения нагрузки до 300 В при максимальном токе помехи до 36000 А и максимальной рассеиваемой энергии до 918 Дж.
Сетевой фильтр APC SurgeArrest PM5B-RS
В дополнение к пожаробезопасному корпусу, фильтрации импульсных помех и защите от короткого замыкания, эти фильтры оснащены выключателями и евро-розетками с механической защитой.
Интересным решением вопроса фильтрации и защиты также может стать сетевой фильтр Sven Platinum 1,8 м Black. Уникальность этого фильтра в том, что, помимо общего механического выключателя, каждая из его пяти розеток оборудована индивидуальным выключателем с индикатором работы. Устройство рассчитано на нагрузку до 2200 Вт, максимальный ток помехи до 2500 А и максимальную рассеиваемую энергию до 350 Дж.
Сетевой фильтр Sven Platinum 1,8 м Black
Для перфекционистов сегодня в России доступны уникальные сетевые фильтры компании Monster. Цена на изделия этой марки в два-три раза выше схожих предложений от других брендов, однако применение керамических варисторов, технология Clean Power для снижения электромагнитного излучения, цепи дополнительной защиты и уникальный внешний вид вполне компенсируют эту разницу.
Самый универсальный сетевой фильтр Monster – Core Power 800 USB, оснащен восемью евро-розетками, двумя портами USB для зарядки портативной техники, а также входом и выходом LAN для дополнительной защиты Ethernet-кабеля от импульсных помех. Он держит нагрузку до 16 А и обеспечивает рассеивание помех с энергией до 1440 Дж. Фильтр имеет индикацию включения и заземления, защиту от короткого замыкания и перегрузки, а также механическую защиту розеток.

Сетевой фильтр Monster Core Power 800 USB
«Ближайший родственник» этой модели — сетевой фильтр Monster Core Power 600 USB, рассчитан на шесть розеток и не имеет LAN-фильтра, но при этом обеспечивает максимальное рассеивание энергии помех до 1836 Дж.
Список достойных сетевых фильтров можно продолжить несколькими заслуживающими доверия торговыми марками – такими как InterStep, Uniel, Ippon, IEK, Defender, Powercom, ExeGate и др.
При выборе фильтра самое главное – правильно оценить ситуацию с качеством электропитания в вашем доме или офисе, а также определиться с потребностями и количеством электроники и бытовой техники, которая будет подключена к фильтру. Например, тем, кто получает в дом интернет по оптике или витой паре, совершенно не нужен фильтр для телефонной линии, чего не скажешь о тех, кто подключен к Сети по ADSL.
В любом случае выбор сетевого фильтра заслуживает особого внимания, поскольку от этого, казалось бы, малозначительного устройства иногда зависит срок службы техники, цена которой в десятки и сотни раз превышает стоимость этого фильтра.

Выбираем стабилизатор напряжения

Сетевой стабилизатор — устройство специфическое и значительно более сложное, нежели сетевой фильтр, поэтому и список производителей значительно короче.
Тем не менее, имена наиболее популярных торговых марок здесь практически те же, а выбор несколько упрощается благодаря тому, что ключевых параметров для определения наиболее подходящего решения значительно меньше.
Да, большинство сетевых стабилизаторов содержат встроенные фильтры помех и также могут быть промаркированы по максимальной энергии рассеивания, но наиболее важными параметрами при выборе все же являются максимальная нагрузка и диапазон стабилизации входных напряжений.
Классифицировать сетевые стабилизаторы лучше всего по максимально допустимой нагрузке, и уже после этого смотреть диапазон стабилизации напряжений.
В России допустимая максимальная нагрузка обычно нормируется в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт), в других странах – в частности, в Китае, принята маркировка в вольт-амперах (ВА) или киловольт-амперах (кВА).
Ватты активной мощности и вольт-амперы полезной мощности – величины отнюдь не тождественные, последние для достижения примерного равенства необходимо умножать на так называемый коэффициент мощности, который у бытовой техники и электроники колеблется в пределах 0,6-1,0.
На практике обычно просчитывают примерную суммарную мощность нагрузки, и затем, чтобы узнать искомую полезную мощность в вольт-амперах, умножают ее на 1,4. И наоборот: при необходимости выяснить примерную нагрузку стабилизатора в ваттах полезную мощность умножают на коэффициент 0,7.
И еще один полезный практический совет: высчитав суммарную максимальную мощность предполагаемой нагрузки стабилизатора, добавьте к результату еще 25%, небольшой запас позволит не только избежать перегрузки в будущем, при подключении новых устройств, но также избавит стабилизатор от работы в предельном режиме, где у него заметно падает КПД.
Выбирая стабилизатор, также стоит обратить внимание на наличие «умного» режима Bypass («обход»): при номинальном напряжении сети такое устройство не будет попусту расходовать энергию и включится в работу только тогда, когда в этом действительно появится необходимость.
Определяясь с максимально допустимой мощностью нагрузки сетевого стабилизатора напряжения, следует смотреть на его характеристики, а не на название: совсем не факт, что цифры в наименовании имеют хоть какое-либо практическое отношение к мощности устройства.
Для стабилизации сетевого напряжения при относительно небольшой нагрузке — в пределах до 300 Вт — есть очень интересные решения у Sven. Компактные стабилизаторы выполнены в необычном «кубическом» дизайне и имеют достаточно широкий диапазон стабилизации напряжения – как правило, в пределах от 150 до 280-295 В.
Здесь как раз тот случай, когда не следует доверять цифрам в названии и особо внимательно читать характеристики: у стабилизатора Sven VR-V 600 максимальная нагрузка составляет 200 Вт, у Sven Neo R 600 — не более 300 Вт.
Оба «кубика» имеют защиту от перегрузки и короткого замыкания, рассчитаны на максимальный ток помехи до 6500 А и рассеиваемую энергию до 220 Дж, и оба оснащены розетками с механической защитой.
Для более мощных нагрузок компания выпускает стабилизатор Sven VR-V1000, обеспечивающий подключение техники мощностью до 500 Вт. К такому «кубику» уже можно подключить не только домашнюю аудиосистему, но также дополнительные устройства, такие как телевизор, игровая приставка, персональный компьютер.
Стабилизатор напряжения Sven VR-V1000
В модельном ряду стабилизаторов напряжения производства Schneider Electric представлены две популярные модели APC LS1000-RS Line-R и APC LS1500-RS Line-R, рассчитанные на нагрузку до 500 Вт и 750 Вт, соответственно. Оба стабилизатора работают с входными напряжениями в диапазоне 184-248 В, оснащены индикаторами рабочего напряжения и перегрузки, фильтрами импульсных помех, защитой от короткого замыкания и перегрузки.
Стабилизатор напряжения APC LS1000-RS Line-R
Не поленитесь перед покупкой также проверить максимальное рабочее напряжение стабилизатора — если этот параметр действительно критичен для вашей сети. Так, например, стабилизатор APC LS1500-RS Line-R рассчитан на диапазон входных рабочих напряжений 184-248 В, в то время как модель APC Line-R 600VA Auto, хоть и рассчитана на меньшую мощность, до 600 Вт, в то же время обеспечивает значительно более широкий диапазон стабилизации входных напряжений, от 150 до 290 В, чем, в частности, и объясняется его более высокая цена.
Стабилизатор напряжения APC Line-R 600VA Auto
Стабилизаторы напряжения от 1000 Вт (1 кВт) и выше следует выделять в отдельную категорию, рассчитанную на обслуживание мощной офисной техники, бытового оборудования для домов (например, для отопительных котлов) или стабилизации напряжения во всем доме. Для таких целей часто применяют мощные системы с автотрансформаторами.
Sven — одна из немногих компаний, кто производит и продает в России стабилизаторы с автотрансформатором, рассчитанные на значительную нагрузку и при этом обладающие доступной ценой. Так, например, модель Sven AVR PRO LCD 10000 справляется с нагрузкой до 8 кВт в диапазоне стабилизации от 140 до 260 В — отличный выбор для подключения всего загородного жилого дома.
Стабилизатор напряжения Sven AVR PRO LCD 10000
Очень большой ассортимент мощных компактных стабилизаторов выпускает ранее упомянутая «Эра».
Стабилизатор напряжения ЭРА СНК-1000-М
Обратите внимание на маркировку ее изделий: в названии стабилизаторов, как правило, указывается полезная мощность в ватт-амперах. Например, стабилизатор ЭРА СНК-1000-М рассчитан на 1000 ВА, то есть, с ним можно смело закладывать максимальную активную нагрузку до 700 Вт.
Стабилизатор напряжения ЭРА STA-3000
Для питания мощной домашней нагрузки – от 3000 Вт и более, также отлично подходят стабилизаторы с релейной регулировкой нагрузки. Они доступны по цене, компактны, обладают широким диапазоном стабилизации – от 140 до 270 В и оснащены всеми мыслимыми видами защиты.
Стабилизатор напряжения ЭРА STA-3000
Наиболее доступная модель этой серии – ЭРА STA-3000 — выдержит нагрузку до 3 кВт, при этом автоматически отключится при длительном стабильном напряжении сети. Вдобавок, устройство оснащено многоцветным ЖК-дисплеем для наглядной индикацией текущего режима работы.
По сути мы прошлись по всем основным проблемным случаям, связанным с электропитанием, и подобрали модели для каждого из них. Надеемся, с ее помощью вы сможете выбрать наиболее подходящий именно вам вариант защиты.

Фильтр для подавления помех от питающей сети

Печатная плата рассчитана на установку промышленного продольного трансформатора от блоков питания персональных компьютеров. Можно изготовить трансформатор самостоятельно, выполнив его на ферритовом кольце проницаемостью 1000НН…3000НН диаметром 20…30 мм. Кромки кольца обрабатывают мелкозернистой шкуркой, после чего кольцо обматывают фторопластовой лентой. Обе обмотки наматывают в одном направлении проводом ПЭВ-2 диаметром 0,7 мм и имеют по 10…20 витков. Обмотки размещены строго симметрично на каждой половине кольца, зазор между выводами должен быть не менее 3…4 мм. Дроссели L2 и L3 также промышленного производства, намотаны на ферритовых сердечниках диаметром 3 мм и длиной 15 мм. Каждый дроссель содержит три слоя провода ПЭВ-2 диаметром 0,6 мм, длина намотки 10 мм. Чтобы витки не сползали, дроссель пропитан эпоксидным клеем. Параметры намоточных изделий выбраны из условия максимальной мощности фильтра до 500 Вт. При большей мощности размеры сердечников фильтра и диаметр проводов необходимо увеличить. Придется изменить и размеры печатной платы, однако всегда следует стремиться к компактному размещению элементов фильтра.

LC-фильтры — это одни из самых популярных фильтров в электронике. Они состоят из индуктора и одного конденсатора, собранных по простой схеме. Фильтр используют пилоты по FPV, чтобы избавиться от шумов, которые создают регуляторы оборотов (ESC) и двигатели.

Оригинал: https://oscarliang.com

Что такое LC-фильтр

LC-фильтр (Электрический фильтр) — это четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот (определение с сайта http://bourabai.kz/toe/filters.htm).

LC-фильтр состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Это очень простая схема. Принцип работы такой: индуктор сопротивляется изменениям тока, протекающего через него, в то время как конденсатор сопротивляется изменению напряжения на нем.

Где купить LC-фильтры

Если вы хотите купить LC-фильтры, то мы собрали для вас несколько ссылок этих фильтров, которые подойдут для авиамоделей.

  • 16V / 1A: https://goo.gl/mvvDTQ
  • 16V / 2A: https://goo.gl/3vFiMv
  • 24V / 1.5A: https://goo.gl/P7QeGE

Убедитесь, что напряжение и номинальный ток соответствуют вашей сборке квадрокоптера.

Как фильтры LC улучшают работу FPV

Регуляторы оборотов и моторы генерируют много шумов, которые вы можете наблюдать на экране очков или шлема. Вы, наверное, замечали, что если даете большой газ, становится больше помех, так как двигатели начинают потреблять больше тока, а бОльший ток — это больше создаваемых помех (шумов).

Шум представляет из себя рябь и белые полосы на видео, вы это точно видели.

LC-фильтры подавляют такие шумы, за счет внедрения их в цепь питания квадрокоптера, например, на питание камеры или видеопередатчика.

Некоторые регуляторы оборотов уже продаются с встроенными фильтрами, но они бывают недостаточными, поэтому пилоты ставят еще и LC.

LC-фильтр против ESR конденсатора

Нас часто спрашивают, что лучше — LC-фильтры или ESR-конденсатор для фильтрации шумов. Хотим вам сказать, что они служат совсем другим целям.

Фильтры LC ставят для уменьшения шума в FPV (видео), но они не уменьшают шум в исходном напряжении, а ESR, наоборот, снижает шумы в исходном напряжении.

LC-фильтры имеют номинальный ток, обусловленный пределом тока индуктора, и поэтому они в основном используются в схемах с низким током. Эти фильтры также можно увидеть встроенными в цепь питания контроллеров полета, на 5V и 12V, также производители ставят их и в PDB (плата разводки питания). Эти фильтры более эффективны, чем использование одного конденсатора.

При использовании только low (низких) ESR-конденсаторов вам нужно убедиться, что номинальное напряжение достаточно высокое.

Как сделать фильтр LC

Значение конденсатора и индуктора изменяет резонансную частоту. Это позволяет более эффективно подавлять шум, если вы знаете частоту шума. Но если вы не знаете частоту шума, то можно использовать любой конденсатор с индуктором и все равно будет определенная степень фильтрации, так что не все так страшно.

Если вы знаете, какая необходима емкость конденсаторов и индуктивность катушки — то все ок, если же нет, то мы не строим ракету и не нужно слишком уж заморачиваться.

Схема подключения конденсатора и индуктора:

При выборе конденсатора убедитесь, что номинальное напряжение соответствует вашим требованиям, например, если вы подключаете LC-фильтр непосредственно к батарее LiPo, он должен поддерживать напряжение вашего LiPo аккумулятора. Что касается емкости, чем больше, тем лучше, мы рекомендуем хороший диапазон от 100uF до 2000uF.

Индуктор можно тоже купить или сделать самому. Делается он из ферритового кольца (тороида) и проводов в качестве обмотки. Толщину и длину провода выбирать следует тщательно, так как в идеале нужно будет сделать минимум 5 витков, и проводка должна быть достаточной толщины, чтобы поддерживать ток.

Наматывая проволоку на ферритовое кольцо, не выводите конец проволоки на ту же сторону, с какой начали, нужно выводить на противоположную сторону!

Конденсатор можно взять из старой техники или просто сходить в магазин. Лучше всего подходят low ESR конденсаторы (с низким ESR). Обязательно устанавливайте конденсаторы на выход видеопередатчика и камеры.

Выводы

LC-фильтр – это очень доступная и простая возможность убрать (возможно, полностью) помехи на видео, летая по FPV. Если использовать только конденсаторы, это, скорее всего, мало чем поможет.

Сетевой фильтр – это электрическая схема, реализующая функционал низкочастотного фильтра для цепей питания переменным током 220 В (сети бытового назначения).

Суть работы устройства сводится к тому, чтобы отсечь побочные электромагнитные излучения и наводки (ПЭМИН), возникающие вследствие облучения электрических проводов бытовой сети питания сторонними радиоизлучающими приборами (радиостанции, ретрансляторы, базовые станции для беспроводного Интернета и т.п.) или мощной бытовой техникой без надлежащей защиты цепи питания (кондиционеры, холодильники, сплит-системы и др.).

Возникающие в сети питания ПЭМИН могут оказывать губительное влияние на работу других слаботочных приборов (цифровой техники, телевизоров, радиоприемников и т.п.) или вызывать помехи в приеме различных сигналов.

Кроме того, ПЭМИН могут стать источником утечки конфиденциальной информации, например, в работе спецтехники (информация может перехватываться по цепям питания или заземления).

Защитить приборы поможет сетевой фильтр, который выполняет сразу две функции:

  1. отсекает высокочастотные сторонние сигналы в цепи питания,
  2. предохраняет приборы от скачков напряжения.

Многие часто сталкиваются с сетевыми фильтрами, встроенными в электрический удлинитель. Однако, производители и/или продавцы зачастую вводят в заблуждение покупателей.

Недорогие модели удлинителей на самом деле не выполняют заявленных функций фильтров, они лишь обеспечивают защиту от кратковременных перегрузок при повышении напряжения или силы тока (короткого замыкания).

В состав таких «сетевых фильтров» входит всего один варистор (элемент электрической цепи, который реализует функцию переменного резистора, повышающего свое сопротивление при увеличении прикладываемого к нему напряжения) и автоматического выключателя (предохранителя, срабатывающего при резком увеличении силы тока). Помочь такое устройство сможет только, например, от помех, создаваемых разрядом молнии во время грозы.

Устройства, в полной мере реализующие функционал сетевых фильтров стоят гораздо дороже своих упрощенных аналогов. Так, сетевыми фильтрами можно назвать продукцию компании Pilot (серии начиная с Pilot L, Pilot GL и др., исключая Pilot S), цены на которую стартуют с 1 тыс. руб. Или аналоги от APC, IPPON, BURO и др.

По этой причине возникает вполне закономерное желание изготовить недорогой, но при этом не менее функциональный сетевой фильтр своими руками.

Что потребуется — подбор инвентаря и схем

В первую очередь можно переделать под высокочастотную (ВЧ) фильтрацию купленный недорогой фильтр с варисторной защитой.

Для его модификации понадобятся:

  • Катушки индуктивности / дроссели,
  • Варистор (можно оставить имеющийся в удлинителе, если он там был),
  • Конденсаторы,
  • Резисторы,
  • Ферритовый фильтр.

Схема сетевого фильтра 220в

Простой варисторный фильтр выглядит так.

Возможны две простые его модификации.

Первая на RLC-фильтре:

Вторая схема на LC-фильтре:

Такие элементы и схемы выбраны не случайно, так как все комплектующие могут поместиться в старый корпус удлинителя без необходимости монтирования отдельного корпуса на проводе и т.п.

Принцип работы, как и всех низкочастотных LC-фильтров, прост:

  1. Высокочастотные колебания, попадая на катушку индуктивности, повышают ее сопротивление и потому не проходят дальше (сопротивление индукции прямо пропорционально частоте),
  2. Попадая на контакты конденсатора высокие частоты гасятся при правильном подборе емкости (сопротивление емкости при таком подключении обратно пропорционально частоте колебаний электрического тока).

На обоих схемах параллельно конденсатору включается резистор с большим сопротивлением. Он выполняет роль нагрузки для конденсатора при отключении питания (на конденсаторе может накапливаться свободный заряд, который будет опасен даже после полного отключения фильтра от сети переменного тока).

Ферритовый фильтр лучше всего приобрести разъемным по диаметру кабеля удлинителя. Его назначение в работе схемы – гашение высокочастотных помех по цепи питания за счет повышения индуктивности проводника, а также поглощения излучений самим ферритом. Это отличное решение для подключения к сети питания цифровой техники.

Возможны и другие реализации сетевого электрического фильтра. В качестве примера можно привести схемы, используемые в технике Pilot.

И т.д.

Инструкция по сборке простого сетевого фильтра своими руками

Собрать фильтр из указанных схем (рис.2 и рис.3) достаточно просто, для этого не понадобится печатных плат или отдельного корпуса на удлинителе. При правильном подборе габаритов элементов и их компоновке можно уместить их в корпусе недорогого варисторного сетевого фильтра.

Имеющаяся цепь разрезается (контакты от варистора к розеткам, сам варистор оставляется), элементы размещаются в соответствие со схемой и спаиваются.

Должно получится так по схеме из рис.2:

И так по рис.3:

Только катушки индуктивности необходимо разместить перпендикулярно друг другу.

Элементы схем

Касательно схемы с рис.2. Сопротивления R1 и R2 следует подбирать исходя из предполагаемой нагрузки. Например, при фактической мощности потребителя до 250 Вт, подойдут резисторы 0,82 Ом, до 380 Вт – 0,36 Ом, до 500 Вт – 0,22 Ом. Если планируется большая мощность – резисторы можно исключить из схемы, однако работа дросселей ухудшится.

Дроссели L1 и L2 – должны иметь ферритовый сердечник, показатель максимально допустимого тока должен быть не менее планируемого тока нагрузки, индуктивность – от 10 мкГн до 10 мГн (лучше всего в большую сторону, то есть чем больше, тем лучше, но до 10 мГн).

Конденсаторы C1 и C2 можно объединить в один, если позволяет свободное место и показатели. Или наоборот, набрать несколькими параллельно соединенными, если позволяет свободное место. Лучше всего использовать пленочные емкости от 0,22 до 1 мкФ. Максимально допустимое напряжение лучше взять с запасом (на случай помех со скачками напряжения), например, до 680 В.

Сопротивление R3 должно быть в пределах 0,5-1,5 МОм. Мощность тоже лучше взять с запасом для лучшей теплоотдачи – 0,5 Вт.

В схеме на рис.3 изменяются конденсатор и катушки, последние обладают самыми оптимальными показателями индуктивности при миниатюрных габаритах и стоящих перед ними задач. Соответственно меньше деталей к пайке.

Меры предосторожности — что стоит учесть

Самодельный сетевой фильтр 220в своими руками – это сложное техническое устройство. Его сборка невозможна без знаний в области электротехники.

Все работы должны проводиться с соблюдением мер безопасности. В противном случае возможно поражение электрическим током.

Как и было сказано выше, конденсаторы рассчитаны на высокое напряжение. Они могут накапливать остаточный заряд. Удар током будет возможен даже после полного отключения фильтра от сети переменного тока. Поэтому наличие параллельно включенного сопротивления обязательно!

Перед пайкой следует убедиться в исправности всех элементов (тестером замеряются основные параметры и сравниваются с заявленными).

Не стоит допускать пересечения проводов, особенно в местах потенциального нагрева (на резисторах, оголенных контактах и т.п.). Перед включением в сеть обязательно следует убедиться («прозвонить» тестером) в отсутствии замыкания.

Транзисторные сглаживающие фильтры

На рис. 1 представлена схема наиболее простого транзисторного фильтра. Принцип его работы заключается в следующем. На коллектор транзистора VT1 поступает напряжение с большой амплитудой пульсации, а цепь базы питается через интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе. Сопротивление резистора R1 выбирают из условия достаточности тока базы для обеспечения заданного тока в нагрузке. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе. Так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе. Емкость конденсатора С1 может быть в несколько раз меньше, чем у конденсатора в LC-фильтре, так как базовый ток намного меньше выходного тока фильтра (коллекторного тока транзистора) — примерно в h21э раз.

Рис. 2

Преимущество этого фильтра — в простоте. К недостаткам следует отнести, во-первых, противоречивые требования к значению сопротивления резистора R1 (для уменьшения пульсации на выходе фильтра следует увеличивать сопротивление, а для повышения КПД фильтра-уменьшать), во-вторых, сильная зависимость параметров фильтра от температуры, времени, значения тока нагрузки, статического коэффициента передачи тока базы транзистора. В таких фильтрах обычно резистор R1 подбирают опытным путем.
На рис. 2 представлена схема фильтра, у которого пульсации выходного напряжения меньше, так как он позволяет увеличить сопротивление резистора R1. Такая возможность обусловлена тем, что цепь базы здесь питается от отдельного источника питания с напряжением Uб, большим, чем у основного источника (Uвх). Мощность, выделяющаяся на резисторе R1, незначительна, поскольку ток базы мал.
Однако, наряду с положительным эффектом уменьшения пульсации, этому фильтру присущи те же недостатки, что и выполненному по схеме на рис.1. Кроме того, в этом фильтре транзистор может войти в режим насыщения и тогда пульсации со входа будут без какого бы то ни было ограничения переданы на выход фильтра. Насыщение транзистора наступит тогда, когда по каким-либо причинам напряжение на базе превысит напряжение на коллекторе.
На рис. 3 представлена схема фильтра, позволяющего избежать зависимости выходных параметров от температуры, времени, нагрузки и коэффициента h21э транзистора. Ток через делитель R1R2 выбирают в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу. Поэтому выходное напряжение фильтра будет определяться распределением входного напряжения на делителе.

Рис. 3

Недостатки фильтра: меньший КПД по сравнению с собранными по схемам на рис.1 и 2, необходимость увеличения емкости конденсатора С1 для получения того же уровня пульсации на выходе, что и у предыдущих фильтров. Для улучшения его фильтрующих свойств применяют N-звенные RC-фильтры в цепи базы транзистора.
На рис.4 показана схема устройства с двузвенным RC-фильтром. Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре по рис.3.

Рис. 4

Недостаток этого устройства — сравнительно невысокий КПД.
Из рассмотренных фильтров практическое применение получили устройства, выполненные по схемам на рис.3 и 4.
С учетом интересных качеств, заложенных в фильтре по схеме на рис.2, была проведена работа по усовершенствованию этого устройства. Ее результатом явились два варианта фильтра, по КПД и уровню пульсации близкого к LC-фильтрам, а по массогабаритным показателям значительно превосходящего их.

Рис. 5

Рис. 6

Схема одного из этих фильтров показана на рис.5, а на рис.6 — несколько упрощенные графики, иллюстрирующие его работу. На коллектор транзистора VT2 поступает от выпрямителя постоянное напряжение Uвх с большой амплитудой пульсации. На резистор R1 поступает напряжение Uб с дополнительного источника (на рис.6 оно показано не содержащим пульсации для облегчения понимания работы фильтра; реально оно может иметь пульсации). Всегда следует выбирать Uб>Uвх, что позволит увеличить сопротивление резистора R1, а значит, уменьшить емкость конденсатора С1.
Конденсатор С1 будет заряжаться от источника Uб через резистор R1. Пока напряжение на конденсаторе меньше входного (то есть напряжения на базе транзистора VT1), транзистор закрыт. Как только напряжение на конденсаторе превысит входное на величину UэбVT1 транзистор VT1 откроется и конденсатор С1 начнет разряжаться (момент t1 на рис.6). Разрядка продолжается до тех пор, пока входное напряжение не начнет увеличиваться. В момент t2 транзистор VT1 закроется и конденсатор С1 снова начнет заряжаться. Далее этот процесс будет периодически повторяться.

Рис. 7

Размах пульсации на конденсаторе определяется постоянной времени T=R1C1. Номинал резистора выбирают, исходя из тех же соображений, что и в рассмотренных ранее фильтрах по схеме на рис.1 и 2. Необходимую емкость конденсатора рассчитывают из условия, что постоянная времени T больше в 10…20 раз периода колебаний входного напряжения Uвх. Вообще же, чем больше емкость конденсатора, тем меньше размах пульсации.
Напряжение с конденсатора С1 поступает на базу транзистора VT2 через диоды VD1, VD2. Так как транзистор VT2 включен по схеме эмиттерного повторителя, то выходное напряжение фильтра по форме будет повторять напряжение на конденсаторе С1, то есть пульсации на выходе фильтра будут намного меньше входных.
Выходное напряжение жестко связано с минимальным значением входного напряжения и не зависит от температуры, времени, сопротивления нагрузки и статического коэффициента передачи тока основного транзистора фильтра. Минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT2 определяется числом диодов, включенных между конденсатором и базой этого транзистора и служащих для смещения уровня постоянной составляющей выходного напряжения.
На рис.7 изображена схема второго варианта фильтра. Условия работоспособности для него те же, что и для первого (см. рис.5). Зарядка конденсатора С1 продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не превысит входное на величину UпрVD1 (момент t1 на рис.8). С этого момента конденсатор С1 разряжается через открывшийся диод VD1, транзистор VT1 и нагрузку, а также через источник напряжения Uвх. Разрядка будет продолжаться до тех пор, когда входное напряжение Uвх начнет вновь увеличиваться (момент t2). Этот процесс будет повторяться периодически.
Диоды VD2, VD3 служат для смещения уровня постоянной составляющей, как и в предыдущем фильтре. Кроме этого, диод VD2 выполняет функцию ключа в пиковом детекторе VD2C2. Так как ток базы довольно мал и конденсатор С2 разряжается только через цепь базы, то пульсации на нем будут меньше, чем на конденсаторе С1. Следовательно, на выходе фильтра пульсации будут незначительны.

Рис. 8

Наличие конденсатора С2 и диода VD2 изменяет характер кривой зарядки конденсатора С1 (рис.8). Пока напряжение на конденсаторе С1 меньше, чем на С2, и диод VD2 закрыт, наклон кривой Uс1 определяется постоянной времени зарядки T1=R1C1. Когда же напряжение UC1 превысит напряжение Uc2 настолько, что откроется диод VD2 (момент t3), то конденсаторы окажутся включенными параллельно. Скорость их зарядки уменьшится и будет определяться постоянной времени зарядки T2=R1 (C1+C2). После того, как напряжение на конденсаторе С1 достигнет своего максимального значения и начнет уменьшаться, диод VD2 закрывается и конденсатор С2 медленно разряжается через цепь базы транзистора VT1.
Параметры этого фильтра так же, как и предыдущего (см. рис.5), практически не зависят от дестабилизирующих факторов.
Сглаживающий фильтр, собранный по схеме на рис.7, при минимальном значении входного напряжения Uвх min=14 В с размахом пульсации dUвх=2,5 В и Uб=18 В обеспечивает при токе нагрузки 2 А выходное напряжение 12,5 В с размахом пульсации dUвых=40 мВ и КПД около 86 %. Конденсаторы С1 и С2 — К50-29.

Помехоподавляющие фильтры

В наше время, как никогда остро встает проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС). Количество подключенных к электросети РЭС неумолимо возрастает. Проблема усугубляется еще и тем, что многие РЭС должны функционировать одновременно. Как правило, на должном уровне этому вопросу много внимания уделяется профессиональными разработчиками. Однако далеко не всегда достигается желаемый результат. В бытовых условиях ситуация еще хуже. Если же принять во внимание еще и плачевное состояние наших линий электропередачи, то дальнейшие комментарии станут ненужными.

Предлагаемый сетевой фильтр в значительной мере позволяет «отстроиться» от взаимного влияния помех «электросеть — РЭС -электросеть». Он собран из доступных деталей и не нуждается в налаживании.

Взяться за самостоятельное изготовление сетевого фильтра автора побудило несколько обстоятельств. При включении системного блока компьютера происходило резкое ухудшение качества просмотра ТВ изображения. Происходило это сразу на нескольких каналах одновременно. Сигналы от ТВ каналов вещающих в диапазоне MB, сразу становились сильно зашумленными. Цветопередача сильно нарушалась или исчезала полностью. Сильный муар сбивал строчную и кадровую синхронизацию.

Это было лишь «первой ласточкой». Помехи каким-то образом стали проявляться и в других телевизорах, расположенных на значительном отдалении от данного компьютера (десятки метров). Поначалу все можно было списать только на комнатную антенну (типовая «польская всеволновка»).

Изменили ее местоположение. Бесспорно, ситуация несколько изменялась в лучшую сторону. Но от зашумленности изображения избавиться не удавалось. Все, казалось бы, сокрыто в размещении антенны в помещении. Однако телевизоры, работающие в другом помещении, к тому же на наружную антенну, страдали похожими проблемами, правда, не в такой степени. И происходило это на тех же «злополучных» ТВ каналах. Причем, как только оргтехнику выключали, качество ТВ изображения становилось нормальным. Были проведены и другие эксперименты:
— антенны переносили;
— место расположения ТВ приемника изменяли;
— пытались использовать заводские сетевые «фильтры».

Заводские сетевые «фильтры». Об этих фильтрах обязательно следует немного рассказать. Приобретались несколько разных удлинителей, именуемых сетевыми фильтрами.

Как удлинители они еще могли работать. Правда, там использованы настолько жесткие азиатские провода, что пользоваться ими и неудобно, и опасно. Довольно быстро контакты внутри таких «фильтров» расшатываются, и происходит разбалтывание соединений. Вскоре имеет место подгорание. Как известно, горит там, где плохой контакт, где греется.

Дальше было еще веселее. Разборка нескольких таких «фильтров» показала, что там нет никаких фильтров вообще. Только в одном из них производитель удосужился установить малогабаритный дроссель. Он намотан на кольцевом сердечнике. На корпусе этого дросселя указана индуктивность 2,2 мГн. Дроссель залит компаундом синего цвета. И нет рядом никаких помехоподавляющих конденсаторов! И это один из «наилучших» сетевых фильтров в ценовой категории дороже 15 USD.

В таких удлинителях-«фильтрах» имеется клавишный выключатель питания, подсвечиваемый миниатюрной неоновой лампочкой. Кстати, этот выключатель -первый кандидат на выход из строя. Он ненадежен с механической точки зрения. Вот лишь часть проблем, побудивших автора данной статьи взяться за собственное изготовление простого в исполнении сетевого фильтра.

Схема фильтра показана на рис.1.

Для повышенной эффективности он выполнен двухкаскадным. От многих других фильтров его отличает тот факт, что катушки фильтра каждого звена размещены на общем магнитопроводе. Никаких стержневых магнитопроводов не применяли. Благодаря магнитной связи между обмотками, происходит более сильное подавление низкочастотной синфазной помехи, которая наводится одновременно на обоих проводах катушек. Здесь важно обеспечить отмеченную на схеме (точками) фазировку обмоток. Кроме того, требуется и симметричность выполнения обеих обмоток.

Конденсаторы С1, С2 и катушки L1, L2 отвечают за подавление самых высокочастотных помех. Частоты до 200 кГц подавляются катушками L3, L4 и остальными конденсаторами. Катушки L1 и L2 намотаны вдвое сложенным проводом типа ПЭЛШО-0,63 и содержат 2×25 витков. Использован броневой магнитопровод Б22-2000НМ1. Индуктивность каждой катушки превышала 120 мкГн. Индуктивность измерялась универсальным прибором LP235. Несколько сложнее довелось с изготовлением второй пары катушек. Катушки L3 и L4 намотаны двойным проводом ПЭЛШО-0,63, и каждая обмотка содержит по 87 витков. Катушки намотаны на Ш-образном ферритовом магнитопроводе(Ш12х14). Марка феррита на сердечнике не приведена.

Полученная индуктивность каждой обмотки составляла почти 20 мГн (19,6 мГн). Перед выполнением этой обмотки изготовлялся самодельный каркас из электрокартона. Во избежание аварийных нештатных ситуаций в схеме установлен также держатель предохранителя с предохранителем на ток 10 А.

О конденсаторах. Это очень ответственные элементы в данной схеме. Поскольку не существует исполнения малогабаритных конденсаторов типа КСО емкостью 0,01 мкФ 500 В, использовано параллельное соединение конденсаторов меньшей емкости — 4700 пФ 500 В (С1-С4). Конденсаторы типов КСО неспроста пользуются хорошей репутацией. Конденсатор С5 — фильтровой телевизионный типа К78-2 номиналом 0,1 или 0,15 мкФ. Это также очень надежные конденсаторы. Практика это подтверждала многократно. Они специально разработаны для подавления импульсных помех в телевизионной технике. Впоследствии тандем из двух последовательно соединенных конденсаторов С8 и С9 также был заменен одним экземпляром К78-2. Установка четырех элементов R1, R2, С6 и С7 позволяет решить несколько задач одновременно.

Во-первых, снять проблему поиска (дефицита) высоковольтного и крупногабаритного конденсатора (0,5 мкФ 800 В).

Во-вторых, повысить надежность «батареи» конденсаторов, соединенных последовательно.
В-третьих, благодаря уравнивающим резисторам не только выравнивается напряжение на конденсаторах.

После случайного соприкосновения руками к выводам отключенного от питающей сети 220 В/50 Гц фильтра исключается кратковременный, но болезненный удар электрическим током. Благодаря наличию данных резисторов все конденсаторы в схеме оказываются быстро разряженными. Все катушки должны иметь одинаковую индуктивность. От кольцевых ферритовых магнитопроводов в данной ситуации отказались только по причине излишней рутинной работы, чтобы не скруглять острые края ферритовых поверхностей, не мучиться с трудоемкой и однообразной намоткой обмоток и т.п.

Конденсаторы можно применять и других типов. Однако конденсаторы указанных выше типов зарекомендовали себя очень надежно во многих ситуациях. Поэтому им и отдали предпочтение.

Все без исключения конденсаторы проверялись на величину выдерживаемого напряжения (своеобразным методом неразрушающего контроля, при малых тестируемых токах). Конденсаторы С6-С9 емкостью 1 мкФ 400 В типа МПТ-96. Для крепежа ферритовых изделий к плате металлические детали не использовали совсем. Применялся старый проверенный метод: нитки на клею.

Радиоаматор №11, 2009г.

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
VD1 Выпрямительный диод 1N4001 1 Поиск в Utsource В блокнот
HL1 Светодиод АЛ307БМ 1 Поиск в Utsource В блокнот
С1-С4 Конденсатор 4700 пФ 500 В 4 Поиск в Utsource В блокнот
С5 Конденсатор 0.15 мкФ 1500 В 1 Поиск в Utsource В блокнот
С6-С9 Конденсатор 1 мкФ 400 В 4 Поиск в Utsource В блокнот
R1-R4 Резистор 150 кОм 4 0.5 Вт Поиск в Utsource В блокнот
R5 Резистор 120 кОм 1 1 Вт Поиск в Utsource В блокнот
L1-L4 Катушка индуктивности 4 Поиск в Utsource В блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Фильтры подавления электромагнитных помех

Электромагнитные помехи распространяются как по проводам (кондуктивные помехи), так и через окружающее пространство (излучаемые помехи). Кондуктивные помехи можно разделить на две составляющие: синфазные (common-mode) и дифференциальные (differential-mode).
Синфазные помехи проходят по линиям электропитания и не связаны с заземлением. Они измеряются между двумя проводами линии. Дифференциальные помехи измеряются между одним из проводов и землей.
Основные источники электромагнитных помех:

  • импульсные блоки питания;
  • цепи нелинейных преобразователей мощности;
  • генераторы;
  • мощные двигатели и т. п.

Конструктивно фильтры подавления ЭМП состоят из катушек индуктивности (дросселей) и конденсаторов, объединённых в мостовую конструкцию в металлическом или пластиковом корпусе.
ЭМП негативно влияют на работу электронных устройств и могут вывести их из строя. Сетевые фильтры широко применяются в системах автоматизации производства и в станках с ЧПУ.

Фильтры подавления ЭМП – устройства, предназначенные для защиты электронных приборов от электромагнитных помех, а также блоков и узлов. Обычно фильтры ЭМП устанавливаются у источников электромагнитных помех или перед приёмниками помех.

Такие фильтры рассчитаны на подавление помех, которые поступают по проводникам двух- и трёхфазной электросети на вход защищаемых устройств, то есть они принадлежат к «приёмной стороне». Фильтры подавления ЭМП пропускают напряжение сети частотой 50 или 60 Гц.

Фильтры представляют из себя LC/RLC фильтры 1, 2 и 3 порядков. Рекомендуется использовать фильтры с импульсными источниками питания, частотными преобразователями, драйверами серводвигателей и шаговых двигателей, которые непосредственно подключаются к питающей сети. В каталоге представлены модели с различным рабочим током и типом подключения.

Компания Purelogic R&D предлагает купить фильтры подавления электромагнитных помех с доставкой по России. Чтобы уточнить цены на EMI фильтры, обратитесь к нашим консультантам по бесплатному телефону 8 (800) 555-63-74 или электронной почте: info@purelogic.ru.

Фильтр сетевой наводки 50 Гц

Здравствуйте, уважаемые авторы, журналисты и читатели !
Расскажу о своей самоделке.
Это фильтр сетевой наводки 50 герц.
Чем он может быть полезен.
Любой, кто занимается усилителями, звуковой и измерительной аппаратурой, знает, что такое фон переменного тока. Избавиться от него бывает сложно.
За основу я взял двойной Т мост.
Принцип его работы и расчёт элементов достаточно сложен.
Это описано в разных источниках, при желании можно почитать.
При точной настройке он может сильно ослабить помеху, а также не вносить шумов, поскольку в его схеме нет полупроводников (транзисторов).
И не требует источника питания. Имеет небольшие габариты.
Это — принципиальная схема.
Я указал на самоделке вход и выход. Хотя предполагаю, что они обратимы, не проверял, не было надобности.
Были использованы следующие детали :
Три одинаковых конденсатора КМБП и шесть резисторов МЛТ 0,125 Вт. На схеме я показал всего три резистора, а на фото шесть. Это связано с тем, что у меня не было точных номиналов и пришлось по цифровому мультиметру подбирать путём параллельного соединения.
Материалы:
Припой, небольшой кусочек нефольгированного текстолита, немного клея и монтажного провода и припоя.
Инструменты:
Паяльник, кусачки, ножницы, пинцет и скальпель.
При повторении конструкции следует учесть следующее.
Конденсаторы можно брать КМПБ, МБМ и другие, кроме керамических и оксидных (электролитических). У этих типов сильная зависимость ёмкости от температуры.
Если есть возможность, подберите номиналы деталей по цифровому прибору. От точности подбора зависит качество подавления сетевой наводки 50 Гц.
Или смотрите на процентную точность номинала деталей. +/- 5 % уже даёт хорошее качество подавления помехи.
На графике я показал АЧХ устройства. Конечно, на практике она несколько плавнее.
В заключение добавлю. Изменив номиналы деталей, фильтр можно изготовить для подавления помехи другой частоты.
С уважением, автор. Продам эту самоделку или изготовлю на заказ. Напишите мне или оставьте комментарий для обсуждения деталей.

Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Электрические пассивные фильтры

В своей жизни вы не раз слышали слово “фильтр”. Фильтр для воды, воздушный фильтр, масляной фильтр, “фильтруй базар” в конце концов). В воздушном, водяном, масляном и других видах фильтров происходит очистка от посторонних частиц и примесей. Но что же фильтрует электрический фильтр? Ответ простой: частоту.

Что такое электрический фильтр

Электрический фильтр – это устройство для выделения желательных компонентов спектра (частот) электрического сигнала и/или для подавления нежелательных. Для остальных частот, которые не входят в полосу пропускания, фильтр создает большое затухание, вплоть до полного их исчезновения.

Характеристика идеального фильтра должна вырезать строго определенную полосу частота и “давить” другие частоты до полного их затухания. Ниже пример идеального фильтра, который пропускает частоты до какого-то определенного значения частоты среза.

На практике такой фильтр реализовать нереально. При проектировании фильтров стараются как можно ближе приблизиться к идеальной характеристике. Чем ближе характеристика АЧХ к идеальному фильтру, тем лучше он будет исполнять свою функцию фильтрации сигналов.

Фильтры, которые собираются только на пассивных радиоэлементах, таких как катушка индуктивности, конденсатор, резистор, называют пассивными фильтрами. Фильтры, которые в своем составе имеют один или несколько активных радиоэлементов, типа транзистора или ОУ, называют активными фильтрами.

В нашей статье мы будем рассматривать пассивные фильтры и начнем с самых простых фильтров, состоящих из одного радиоэлемента.

Одноэлементные фильтры

Как вы поняли из названия, одноэлементные фильтры состоят из одного радиоэлемента. Это может быть либо конденсатор, либо катушка индуктивности. Сами по себе катушка и конденсатор не являются фильтрами – это ведь по сути просто радиоэлементы. А вот вместе с выходным сопротивлением генератора и с сопротивлением нагрузки их уже можно рассматривать как фильтры. Здесь все просто. Реактивное сопротивление конденсатора и катушки зависят от частоты. Подробнее про реактивное сопротивление вы можете прочитать в этой статье.

В основном одноэлементные фильтры применяются в аудиотехнике. Для фильтрации используется либо катушка, либо конденсатор, в зависимости от того, какие частоты надо выделить. Для ВЧ-динамика (пищалки), мы последовательно с динамиком соединяем конденсатор, который будет пропускать через себя ВЧ-сигнал почти без потерь, а низкие частоты будет глушить.

Для сабвуферного динамика нам нужно выделить низкие частоты (НЧ), поэтому последовательно с сабвуфером соединяем катушку индуктивности.

Номиналы одиночных радиоэлементов можно, конечно, рассчитать, но в основном подбирают на слух.

Для тех, кто не желает заморачиваться, трудолюбивые китайцы создают готовые фильтры для пищалок и сабвуфера. Вот один из примеров:

На плате мы видим 3 клеммника: входной клеммник (INPUT), выходной под басы (BASS) и клеммник под пищалку (TREBLE).

Г-образные фильтры

Г-образные фильтры состоят из двух радиоэлементов, один или два из которых имеют нелинейную АЧХ.

RC-фильтры

Думаю, начнем с самого известного нам фильтра, состоящего из резистора и конденсатора. Он имеет две модификации:

С первого взгляда можно подумать, что это два одинаковых фильтра, но это не так. В этом легко убедиться, если построить АЧХ для каждого фильтра.

В этом деле нам поможет Proteus. Итак, АЧХ для этой цепи

будет выглядеть вот так:

Как мы видим, АЧХ такого фильтра беспрепятственно пропускает низкие частоты, а с ростом частоты ослабляет высокие частоты. Поэтому, такой фильтр называют фильтром низких частот (ФНЧ).

А вот для этой цепи

АЧХ будет выглядеть таким образом

Здесь как раз все наоборот. Такой фильтр ослабляет низкие частоты и пропускает высокие частоты, поэтому такой фильтр называется фильтром высокой частоты (ФВЧ).

Наклон характеристики АЧХ

Наклон АЧХ в обоих случаях равняется 6 дБ/октаву после точки, соответствующей значению коэффициента передачи в -3дБ, то есть частоты среза. Что означает запись 6 дБ/октаву? До или после частоты среза, наклон АЧХ принимает вид почти прямой линии при условии, что коэффициент передачи измеряем в дБ. Октава – это соотношение частот два к одному. В нашем примере наклон АЧХ в 6 дБ/октаву говорит о том, что при увеличении частоты в два раза, у нас прямая АЧХ растет (или падает) на 6 дБ.

Давайте рассмотрим этот пример

Возьмем частоту 1 КГц. На частоте от 1 КГц до 2 КГц падение АЧХ составит 6 дБ. На промежутке от 2 КГц и до 4 КГц АЧХ снова падает на 6 дБ, на промежутке от 4 КГц и до 8 КГц снова падает на 6 дБ, на частоте от 8 КГц и до 16 КГц затухание АЧХ снова будет 6 дБ и тд. , следовательно, наклон АЧХ составляет 6 дБ/октаву. Есть также такое понятие, как дБ/декада. Оно используется реже и обозначает разницу между частотами в 10 раз. Как найти дБ/декаду можно прочитать в этой статье.

Чем больше крутизна наклона прямой АЧХ, тем лучше избирательные свойства фильтра:

Фильтр, с характеристикой наклона в 24 дБ/октаву явно будет лучше, чем в 6 дБ/октаву, так как становится более приближенным к идеальному.

RL-фильтры

Почему бы не заменить конденсатор катушкой индуктивности? Получаем снова два типа фильтров:

Для этого фильтра

АЧХ принимает такой вид:

Получили все тот же самый ФНЧ

а для такой цепи

АЧХ примет такой вид

Тот же самый фильтр ФВЧ

RC и RL фильтры называют фильтрами первого порядка и они обеспечивают наклон характеристики АЧХ в 6 дБ/октаву после частоты среза.

LC-фильтры

А что если заменить резистор конденсатором? Итого мы имеем в схеме два радиоэлемента, реактивное сопротивление которых зависит от частоты. Здесь получаются также два варианта:

Давайте рассмотрим АЧХ этого фильтра

Как вы могли заметить, его АЧХ в области низких частот получилась наиболее плоской и заканчивается шипом. Откуда вообще он взялся? Мало того, что цепь собрана из пассивных радиоэлементов, так она еще и усиливает сигнал по напряжению в области шипа!? Но не стоит радоваться. Усиливает по напряжению, а не по мощности. Дело в том, что мы получили последовательный колебательный контур, у которого, как вы помните, на частоте резонанса возникает резонанс напряжений. При резонансе напряжений, напряжение на катушке равняется напряжению на конденсаторе.

Но это еще не все. Это напряжение в Q раз больше, чем напряжение, подаваемое на последовательный колебательный контур. А что такое Q? Это добротность. Вас этот шип не должен смущать, так как высота пика зависит от добротности, которая в реальных схемах составляет небольшое значение. Примечательна эта схема также тем, что наклон ее характеристики составляет 12 дБ/октаву, что в два раза лучше, чем у RC и RL фильтров. Кстати, если даже максимальная амплитуда превышает значения в 0 дБ, то все равно полосу пропускания определяем на уровне в -3 дБ. Об этом тоже не стоит забывать.

Все то же самое касается и ФВЧ фильтра

Как я уже сказал, LC фильтры называют уже фильтрами второго порядка и они обеспечивают наклон АЧХ в 12 дБ/октаву.

Сложные фильтры

Что будет, если соединить два фильтра первого порядка друг за другом? Как ни странно, получится фильтр второго порядка.

Его АЧХ будет более крутой, а именно 12 дБ/октаву, что характерно для фильтров второго порядка. Догадайтесь, какой наклон будет у фильтра третьего порядка 😉 ? Все верно, прибавляем 6 дБ/октаву и получаем 18 дБ/октаву. Соответственно, у фильтра 4 -ого порядка наклон АЧХ будет уже 24 дБ/октаву и тд. То есть, чем больше звеньев мы соединим, тем круче будет наклон АЧХ и тем лучше будут характеристики фильтра. Все оно так, но вы забыли то, что каждый последующий каскад вносит свою лепту в ослабление сигнала.

В приведенных схемах мы строили АЧХ фильтра без внутреннего сопротивления генератора а также без нагрузки. То есть в данном случае сопротивление на выходе фильтра равняется бесконечности. Значит, желательно делать так, чтобы каждый последующий каскад имел значительно бОльшее входное сопротивление, чем предыдущий. В настоящее время каскадирование звеньев уже кануло в лету и сейчас используют активные фильтры, которые построены на ОУ.

Разбор фильтра с Алиэкспресс

Для того, чтобы вы уловили предыдущую мысль, мы разберем простой пример от наших узкоглазых братьев. На Алиэкпрессе продаются различные фильтры для сабвуфера. Рассмотрим один из них.

Как вы заметили, на нем написаны характеристики фильтра: данный тип фильтра рассчитан на сабвуфер мощностью 300 Ватт, наклон его характеристики 12 дБ/октаву. Если соединять к выходу фильтра саб с сопротивлением катушки в 4 Ома, то частота среза составит 150 Гц. Если же сопротивление катушки саба 8 Ом, то частота среза составит 300 Гц.

Для полных чайников продавец даже привел схему в описании товара. Выглядит она вот так:

Далее мы собираем эту схему в Proteus. Так как при параллельном соединении конденсаторов номиналы суммируются, я сразу заменил 4 конденсатора одним.

Чаще всего можно увидеть прямо на динамиках значение сопротивления катушки на постоянном токе: 2 Ω, 4 Ω, 8 Ω. Реже 16 Ω. Значок Ω после цифр обозначает Омы. Также не забывайте, что катушка в динамике обладает индуктивностью.

Как ведет себя катушка индуктивности на разных частотах?

Как вы видите, на постоянном токе катушка динамика обладает активным сопротивлением, так как она намотана из медного провода. На низких частотах в дело вступает реактивное сопротивление катушки, которое вычисляется по формуле:

где

ХL — сопротивление катушки, Ом

П — постоянная и равна приблизительно 3,14

F — частота, Гц

L — индуктивность, Гн

Так как сабвуфер предназначен именно для низких частот, значит, последовательно с активным сопротивлением самой катушки добавляется реактивное сопротивление этой же самой катушки. Но в нашем опыте мы это учитывать не будем, так как не знаем индуктивность нашего воображаемого динамика. Поэтому, все расчеты в опыте берем с приличной погрешностью.

Как утверждает китаец, при нагрузке на фильтр динамика в 4 Ома, его полоса пропускания будет доходить до 150 Герц. Проверяем так ли это:

Его АЧХ

Как вы видите, частота среза на уровне в -3 дБ составила почти 150 Герц.

Нагружаем наш фильтр динамиком в 8 Ом

Частота среза составила 213 Гц.

В описании на товар утверждалось, что частота среза на 8-омный саб составит 300 Гц. Думаю, можно поверить китайцам, так как во-первых, все данные приближенные, а во-вторых, симуляция в программах далека от реальности. Но суть опыта была не в этом. Как мы видим на АЧХ, нагружая фильтр сопротивлением большего номинала, частота среза сдвигается в большую сторону. Это также надо учитывать при проектировании фильтров.

Полосовые фильтры

В прошлой статье мы с вами рассматривали один из примеров полосового фильтра

Вот так выглядит АЧХ этого фильтра.

Особенность таких фильтров такова, что они имеют две частоты среза. Определяются они также на уровне в -3дБ или на уровне в 0,707 от максимального значения коэффициента передачи, а еще точнее Ku max/√2.

Полосовые резонансные фильтры

Если нам надо выделить какую-то узкую полосу частот, для этого применяются LC-резонанcные фильтры. Еще их часто называют избирательными. Давайте рассмотрим одного из их представителя.

LC-контур в сочетании с резистором R образует делитель напряжения. Катушка и конденсатор в паре создают параллельный колебательный контур, который на частоте резонанса будет иметь очень высокий импеданс, в народе – обрыв цепи. В результате, на выходе цепи при резонансе будет значение входного напряжения, при условии если мы к выходу такого фильтра не цепляем никакой нагрузки.

АЧХ данного фильтра будет выглядеть примерно вот так:

В реальной же цепи пик характеристики АЧХ будет сглажен за счет потерь в катушке и конденсаторе, так как катушка и конденсатор обладают паразитными параметрами.

Если взять по оси Y значение коэффициента передачи, то график АЧХ будет выглядеть следующим образом:

Постройте прямую на уровне в 0,707 и оцените полосу пропускания такого фильтра. Как вы можете заметить, она будет очень узкой. Коэффициент добротности Q позволяет оценить характеристику контура. Чем большее добротность, тем острее характеристика.

Как же определить добротность из графика? Для этого надо найти резонансную частоту по формуле:

где

f0— это резонансная частота контура, Гц

L — индуктивность катушки, Гн

С — емкость конденсатора, Ф

Подставляем L=1mH и С=1uF и получаем для нашего контура резонансную частоту в 5033 Гц.

Теперь надо определить полосу пропускания нашего фильтра. Делается это как обычно на уровне в -3 дБ, если вертикальная шкала в децибелах, либо на уровне в 0,707, если шкала линейная.

Давайте увеличим верхушку нашей АЧХ и найдем две частоты среза.

f1 = 4839 Гц

f2 = 5233 Гц

Следовательно, полоса пропускания Δf=f2 – f1 = 5233-4839=394 Гц

Ну и осталось найти добротность:

Q=5033/394=12,77

Режекторные фильтры

Другой разновидностью LC схем является последовательная LC-схема.

Ее АЧХ будет выглядеть примерно вот так:

Как можно увидеть, такая схема на резонансной частоте и вблизи нее как бы вырезает небольшой диапазон частот. Здесь вступает в силу резонанс последовательного колебательного контура. Как вы помните, на резонансной частоте сопротивление контура будет равняться его активному сопротивлению. Активное сопротивление контура составляют паразитные параметры катушки и конденсатора, поэтому падение напряжения на самом контуре будет равняться падению напряжения на паразитном сопротивлении, которое очень мало. Такой фильтр называют узкополосным режекторным фильтром.

На практике звенья таких фильтров каскадируют, чтобы получить различные фильтры с требуемой полосой пропускания. Но есть один минус у фильтров, в которых имеется катушка индуктивности. Катушки дорогие, громоздкие, имеют много паразитных параметров. Они чувствительны к фону, который магнитным путем наводится от расположенных поблизости силовых трансформаторов.

Конечно, этот недостаток можно устранить, поместив катушку индуктивности в экран из мю-металла, но от этого она станет только дороже. Проектировщики всячески пытаются избежать катушек индуктивности, если это возможно. Но, благодаря прогрессу, в настоящее время катушки не используются в активных фильтрах, построенных на ОУ.

Заключение

В радиоэлектронике фильтры находят множество применений. Например, в области электросвязи полосовые фильтры используются в диапазоне звуковой частоты (20 Гц-20 КГц). В системах сбора данных используются фильтры низких частот (ФНЧ). В музыкальной аппаратуре фильтры подавляют шумы, выделяют определенную группу частот для соответствующих динамиков, а также могут изменять звучание. В системах источников питания фильтры часто используются для подавления частот, близких к частоте сети 50/60 Герц. В промышленности фильтры применяются для компенсации косинуса фи, а также используются как фильтры гармоник.

Резюме

Электрические фильтры используются для выделения какого-либо диапазона частота и глушат ненужные частоты.

Фильтры, построенные на пассивных радиоэлементах, таких как резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, называют пассивными фильтрами. Фильтры в которых имеется активный радиоэлемент, типа транзистора или ОУ, называются активными фильтрами.

Чем круче спад характеристики АЧХ, тем лучше избирательные свойства фильтра.

При участии JEER

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх