5.5.4.3. Подавление помех от импульсных источников питания

Импульсные блоки питания в большинстве случаев создают основную электромагнитную пелену помех в полосе 1 … 100 МГц, т.е. во всех КВ диапазонах и в начале УКВ. Дело осложняется и тем, что количество таких блоков исчисляется десятками в одном жилище (компьютеры, мониторы, освещение, различные зарядные устройства и т.п.) и сотнями в одном доме, т.е. в ближней зоне КВ антенны.

Даже если предположить идеальный случай соответствия нормам на паразитное излучение всех близлежащих блоков питания, то сумма нескольких десятков паразитных полей явно будет выше нормы. И в своём КВ приёмнике вы услышите массу паразитных сигналов. Которые, по нерушимому закону падающего бутерброда окажутся на частоте DX. В реальности же среди десятков окружающих вас импульсных блоков питания найдутся и те, в которых фильтрация помех сделана плохо, а то и вовсе отсутствует. Один такой блок может закрыть возможность приёма во всёй полосе КВ в радиусе десятков метров. Поэтому имеет смысл знать, как подавлять паразитное излучение кабелей импульсного блока питания, чтобы правильно дорабатывать существующие и выбирать новые.

На рис. 5.23 показана упрощенная схема импульсного блока питания. Точнее, узел преобразования напряжения показан предельно упрощенно, а вот цепи подавления помех, наоборот, полностью.

Показан общий случай питания от трехпроводной (с отдельным проводом электротехнического заземления) розетки.


Рис. 5.24.

Синфазные дроссели Tr1 и L1 подавляют синфазные помехи, идущие от нашего блока питания и подключенного к нему устройства (например, трансивера с антенной) в сетевой провод и далее в линии электропитания. Это основные элементы подавления помех в питающей сети. Поэтому они должны быть качественными и обладать высоким импедансом во всей подавляемой полосе, начиная от частоты переключения транзистора (десятки … сотни килогерц) нашего блока питания до нескольких мегагерц.

А в ответственных случаях (чувствительные приемники и их антенны рядом) – до десятков…сотен мегагерц. Один дроссель это сделать не может (п. 5.4.2). Поэтому в таких случаях последовательно с Tr1 и L1 включают такие же дроссели, но с индуктивностью в 50…500 раз меньшей, чем указано на рис. 5.24. Эти дополнительные маленькие дроссели должны иметь настолько высокую собственную резонансную частоту, чтобы эффективно подавлять верхние частоты требуемой полосы.

Конденсатор С1 подавляет низкочастотные дифференциальные помехи, идущие от блока питания в сеть. Высокочастотные синфазные помехи подавляют керамические конденсаторы малой емкости С2 и С3, включенные параллельно С1.

Но это не единственная функция С2 и С3. Они также заняты подавлением синфазной составляющей импульсов переключения на корпус устройства.

Разберемся с этим подробнее. На стоке силового транзистора присутствуют прямоугольные импульсы с размахом 300 В (выпрямленное и отфильтрованное напряжение сети) с частотой несколько десятков … сотен килогерц. Фронты этих импульсов короткие (меньше микросекунды). Во время этих фронтов ключевой транзистор находится в активном режиме и греется (поэтому фронты стараются сделать короче). Но это расширяет полосу создаваемых помех. И все равно в мощных блоках питания транзистор греется. Для охлаждения его сажают на радиатор, в качестве которого почти всегда используется металлический корпус блока питания (про экранирование не забываем). Транзистор изолируют от корпуса тонкой слюдяной прокладкой. Емкость стока на корпус получается заметной, несколько десятков пикофарад.

А теперь посмотрим, что у нас получилось: транзисторный генератор прямоугольных импульсов с размахом 300 В и короткими фронтами через конденсатор в несколько десятков пикофарад (конструктивный между стоком охлаждаемого транзистора и корпусом устройства на рис. 5.24 показан штриховыми линиями) подключен к корпусам и блока питания, и питаемого им устройства. Мы считаем, что это корпус с нулевым потенциалом, а на самом деле там текут большие ВЧ токи от фронтов переключения транзистора через конструктивную емкость радиатора. Это приведет к появлению большого синфазного тока (а, значит, и помех) на корпусах всех устройств, подключенных к нашему источнику питания.

Чтобы такого безобразия не было и установлены конденсаторы C2 и С3. Фронты импульсов со стока транзистора, просочившиеся через конструктивную емкость радиатора, через эти конденсаторы и диоды моста (точнее, через один диод, открытый в данный момент) замыкаются на исток транзистора. Это путь для них оказывается проще, чем синфазно растекаться по корпусам.

Но проблемы с высоковольтными короткими фронтами импульсов на стоке силового транзистора не кончаются с установкой С2 и С3. Есть еще одна паразитная емкость, через которую фронты этих импульсов растекаются туда, куда им растекаться совершенно не надо. Это емкость между обмотками трансформатора (показана на рис. 5.23 штриховыми линиями). Через неё токи этих фронтов поступают в выходную цепь блока питания. Сразу в оба провода, т.е. как синфазная помеха. Конденсатор С4 замыкает эти токи на исток транзистора, создавая им более легкий путь для протекания.

Конденсаторы С2, С3, С4 оказываются включенными между безопасными для человека цепями (выходами и корпусом источника) и силовой сетью 220 В. Для обеспечения безопасности людей пробивное напряжение этих конденсаторов делают очень высоким (несколько киловольт), а их конструкцию такой, чтобы в случае аварии они обрывались, а не замыкались. Конденсаторы, устанавливаемые как С2, С3, С4 выпускаются как отдельный тип и называются Y-конденсаторами. Конденсаторы с маркировкой Y1 рассчитаны на импульсы до 8 кВ, Y2 – до 5 кВ.

С точки зрения подавления помех, емкость С2,С3, С4 желательно иметь побольше. Но надо иметь в виду, что при двухпроводной сети (или обрыве земли в трехпроводной), выходы и корпус источника через С2, С3, С4 оказываются соединенными с фазой сети. Поэтому их суммарная емкость должна выбираться так, чтобы утечка тока 50 Гц на корпус не превышала бы 0,5 мА (неприятно, но не смертельно). С учетом возможного максимального напряжения в сети, разброса, температурных уходов и старения, получается не более 5 нФ.

Рассмотрим ошибки, допускаемые в фильтрации помех импульсных источников.

  1. Иногда, для экономии, ставят только один из двух конденсаторов С2 или С3. Идея, на первый взгляд, кажется разумной: все равно ведь они соединены параллельно через большую емкость С1. Но, как мы видели в п. 5.4.1 на высоких частотах конденсаторы большой емкости совсем не являются коротким замыканием, а имеют заметный и индуктивный импеданс. Поэтому такая экономия может привести к тому, что на десятках мегагерц (выше резонансной частоты С1, которая будет невелика, т.к. это конденсатор большой ёмкости) заметно снизится подавление синфазного тока, затекающего на корпус.

  2. Встречается отсутствие С4 (или производитель решает что можно С4 не ставить, т.к. в его трансформаторе емкость мала, или пытливый потребитель выкусывает, чтобы от источника не пощипывало током утечки 50 Гц через этот конденсатор). Внешними цепями не лечится (хотя хороший внешний развязывающий дроссель по выходным цепям снижает остроту проблемы), надо ставить С4 на его законное место.

  3. Отсутствие С2, С3 может быть переносимо. Но только выполняются все три следующих условия сразу: сеть двухпроводная, силовой транзистор не на радиаторе, корпус блока питания не имеет контакта с корпусами питаемых устройств (пластмассовый, например). Если хотя бы одно из условий нарушено, С2 и С3 надо иметь.

  4. Установка перемычек вместо основного развязывающего дросселя Tr1. Редко, но встречается в дешевых источниках плохих производителей. Экономят видимо. Лечится установкой нормального дросселя. В крайнем случае, такой дроссель делается снаружи сетевым шнуром на большом феррите.

  5. Перемычка вместо L1. Встречается, увы, часто. Даже у приличных производителей. Видимо полагают, что раз в двухпроводной сети этот дроссель не нужен (а там он действительно не требуется, току некуда течь), то обойдется и в трехпроводной. Увы, нет, т.к. это открывает прямую дорогу в сеть для синфазных помех (и помех из сети на наш корпус). Исправляется установкой L1 в разрыв провода между разъемом сети и платой. На худой конец допустим внешний дроссель на сетевом шнуре.

В завершение параграфа рассмотрим частую ошибку, которая относится не только к импульсным, а ко всем блокам питания. Нередко слева (по рис. 5.24) от Tr1 устанавливают дополнительные конденсаторы, как показано на рис. 5.25 (нумерация деталей совпадает и продолжает рис. 5.24). Они должны блокировать чужие помехи, идущие из сети в наш источник питания. С5 блокирует дифференциальные помехи и нам не мешает. А вот С6 и С7, блокирующие синфазные помехи в силовых проводах сети на её земляной провод, могут стать причиной соединения по ВЧ корпуса нашего устройства и силовых (фазы и нуля) проводов сети. Это произойдёт, если среднюю точку С6 и С7, как показано штриховой линией на рис. 5.25. Делать так нельзя (хотя печально часто именно так и подключают). ВЧ синфазные помехи из сети пойдут через С6 и С7 на корпус нашего устройства. И назад: синфазные токи нашего устройства (например, трансивер с антенной). Правильное подключение средней точки С6 и С7 должно быть только к земле трехпроводной розетки, но не к корпусу устройства, т.е. к левому выводу дросселя L1, как показано утолщенной линией на рис. 5.25.


Рис. 5.25.

Если используется двухпроводная питающая сеть, то проверьте, нет ли в вашем блоке питания конденсаторов с проводов сети на корпус устройства. И если есть, удалите их, т.к. это прямая дорога для ВЧ синфазных токов из сети в ваше устройство и назад.

А если сеть трехпроводная, то установите дроссель L1 между корпусом своего устройства и землей сети (он разорвёт путь для синфазных токов между ними), а среднюю точку входных конденсаторов (С6, С7 по рис. 5.25) переместите на землю сети.

Сетевой фильтр, показанный на рис. 5.25 с конденсаторами С1…С3 с рис 5.24 является общим случаем для питания любых устройств, генерирующих радиочастотные помехи, например КВ передатчиков.



На главную - Main page