Помехоподавляющие фильтры

В выпрямительных блоках используется импульсный способ преобразования электрической энергии, что создает обратные помехи - со стороны источника в сеть. Кроме того, в состав схемы выпрямительного устройства входят интегральные микросхемы и транзисторные ключи. Для нормального функционирования этих элементов необходимо исключить воздействие помех со стороны источника. То есть, под электромагнитной совместимостью (ЭМС) электронной аппаратуры понимается ее способность функционировать совместно с другими техническими средствами в условиях возможного влияния электромагнитных помех, не создавая при этом недопустимых помех другим средствам. Проблема ЭМС источников и систем электропитания стала особенно острой с появлением и широким внедрением цифровых методов обработки информации в оборудовании связи. Кроме того, в последние годы развитие радиоэлектронных систем увеличенной функциональной и элементной сложности ускоряется вследствие больших успехов в миниатюризации элементной базы. Успехи полупроводниковой электроники привели также к снижению потребляемой аппаратурой мощности, энергетических уровней информационных сигналов и увеличению различного рода входных и выходных сопротивлений элементов. Очевидно, что такие электрические цепи чрезвычайно восприимчивы к воздействию различных помех.

Можно выделить два основных вида источников помех, влияющих на работу аппаратуры связи: внешние устройства коммутации силовых токов и напряжений систем электропитания (ВИП), включая внешние воздействия типа грозы или ядерного взрыва и сами источники вторичного электропитания, имеющие в своем составе полупроводниковые приборы, которые переключают токи и напряжения с очень большими скоростями за малое время коммутации. Помехи ВИП вызваны большими скоростями коммутации токов и напряжений полупроводниковых приборов (транзисторов и выпрямительных диодов) в импульсных стабилизаторах и преобразователях. Импульсные помехи возникают и в низкочастотных выпрямителях, в частности использующихся для выпрямления переменного напряжения синусоидальной формы 220 В, 50 Гц. При использовании современной элементной базы в ВИП скорости переключения тока и напряжения достигают соответственно 200…500 А/мкС и 100…800 В/мкС при изменении соответственно тока от 0 до 2…10 А и напряжения – до нескольких сотен вольт. Верхняя граница частотного спектра помех достигает единиц- десятков мегагерц.

Помехи влияют не только на работу аппаратуры связи (потребителей ВИП), но и определяют работоспособность самих ВИП. Их маломощные схемы управления содержат в своем составе аналоговые и импульсные преобразователи информации, конструктивно расположенные в непосредственной близости от силовых переключателей энергии, силовых транзисторов и выпрямительных диодов.

Для повышения помехоустойчивости аппаратуры, питаемой от ВИП, цепи питания соединяют с корпусом прибора (землей) через конденсаторы сравнительно небольшой емкости (десятые доли, единицы микрофарад) на входе и выходе источника. В этом случае применяют проходные конденсаторы, например типа К10-44 цилиндрической формы с центральным выводом, предназначенным для пропуска проводника с током. Существует большая номенклатура специальных проходных CLC- фильтров, в том числе и малогабаритных, обеспечивающих значительное затухание сигнала помехи в широком диапазоне частот. Электрическая изоляция корпусов приборов и систем от элементов схемы обусловливает наличие двух видов высокочастотных помех, наводимых на соединительных проводниках или печатных дорожках электронных приборов и ВИП. Первый вид – дифференциальное напряжение помехи. Такой сигнал измеряется между двумя соединительными проводниками, сигнальным проводником и общим полюсом или между двумя шинами питания ВИП. Второй вид – синфазное напряжение помехи. Этот сигнал измеряется между корпусом прибора (землей) и любым соединительным проводником (шиной питания ВИП).

преобразователя напряжения с внешним управлением, где VT – силовой транзистор, T – силовой трансформатор преобразователя, выходная обмотка которого через выпрямительный диод VD соединена с фильтрующим конденсатором С и нагрузкой (U_Н.). На входе источника первичного напряжения питания включен другой фильтрующий конденсатор – C_П. Конденсаторы C_1П и C_2П на входе ВИП эквивалентны проходным конденсаторам. Конденсаторы C_1Н и C_2Н установлены на выходе. Конденсаторы C_В, C_1М и C_2М учитывают межвитковую емкость первичной обмотки силового трансформатора T и, соответственно, его межобмоточные емкости. Емкости C_В, C_1М и C_2М являются распределенными, их точный количественный учет при расчете помех затруднен и сложен. Для уменьшения синфазной помехи необходимо увеличивать емкости конденсаторов C_1Н и C_2Н. Увеличение емкости C_1П и C_1М , С_2М приводит, при прочих равных условиях, к увеличению синфазной помехи. Отсюда следует, что установка проходных конденсаторов большой емкости только на входных шинах ВИП приводит к увеличению напряжения синфазной помехи. Поэтому обязательной является установка аналогичных конденсаторов и на выходе ВИП. Уменьшение межобмоточных емкостей С_1М и С_2М приводит к снижению уровня помех. Если С_1М = 0, то синфазное напряжение помехи на отрицательной шине питания тоже равно нулю. Это же относится и к другой составляющей синфазной помехи. Реализация этого условия достигается введением экрана Э между обмотками трансформатора Т и подключением его к корпусу прибора.

Наиболее радикальным средством уменьшения помех внутри электронных приборов или ВИП является их подавление в местах возникновения. Существует несколько функциональных источников помех в ВИП: выпрямительные диоды, транзисторные ключи; трансформаторы и дроссели. Рассмотрим меры, которые целесообразно применять для снижения уровня помех перечисленных генераторов.

Если рассматривать работу выпрямителя на наиболее распространенную в ВИП нагрузку – емкостную, то дополнительные помехи связаны с несинусоидальной формой тока через диоды. При этом длительность протекания тока через каждый из выпрямительных диодов меньше, чем при работе на активную нагрузку. С уменьшением уровня пульсаций выходного напряжения выпрямителя длительность открытого состояния диодов уменьшается, а амплитуда тока через них возрастает, что приводит к увеличению высокочастотных помех.

Наиболее распространенным методом снижения помех является искусственное снижение частоты паразитных колебаний. Для этого подключают параллельно каждому из диодов моста конденсаторы емкостью в несколько нанофарад, что снижает резонансную частоту паразитного контура в несколько десятков – сотен раз. Если учитывать индуктивные составляющие сопротивления подводящих питающих цепей выпрямителя, то снижение уровня помех можно достичь включением параллельно входным выводам моста аналогичного конденсатора. Наиболее универсальным и более рациональным способом снижения уровня помех является одновременное уменьшение частоты собственных колебаний паразитного контура и принудительное уменьшение добротности. Это реализуется заменой конденсаторов на последовательные RC- цепи. Оптимальное значение сопротивления резисторов этих цепей определяется условиями максимально возможного снижения добротности и достижением требуемой минимальной резонансной частоты паразитного контура. Сопротивление резистора измеряется единицами – десятками Ом и зависит от мощности выпрямителя.

Существует и другой способ снижения частоты паразитных колебаний, который обеспечивает уменьшение амплитуды импульса тока I_ДСm . Он заключается в искусственном увеличении индуктивной составляющей сопротивления подводящих проводников с помощью нанизывания ферритовых колец малого диаметра непосредственно на выводы выпрямительного диода. При этом возрастает длительность интервала спада тока через запирающийся диод, что вызывает понижение верхней границы частотного спектра помехи.

Наличие в импульсных источниках электропитания индуктивных элементов: трансформаторов и дросселей, перемагничивание которых осуществляется на высокой частоте, обусловливает появление вблизи них магнитных полей рассеяния, которые могут наводить в близлежащих электрических контурах соответствующие токи или напряжения. Наименьшими полями рассеяния обладают трансформаторы с сердечниками тороидальной конструкции ввиду замкнутости магнитного потока внутри трансформатора (дросселя). Влияние полей рассеяния может быть ослаблено рациональным пространственным расположением трансформатора относительно печатных плат (дорожек) или соединительных проводов схемы управления ВИП.

При наличии в единой электросистеме многих ВИП с импульсным преобразованием энергии установка таких фильтров обязательна, так как они ослабляют влияние ВИП друг на друга по первичной сети и уменьшают влияние помех на электронные устройства. Применение входных фильтров совместно с другими мерами подавления помех дает возможность существенно увеличить проходное сопротивление импульсного ВИП, как функционального узла, не только генерирующего помехи, но и пропускающего их через себя. В частности, предложена установка электростатических экранов с изолирующими прокладками между обмотками или применение специальных типов обмоток трансформаторов.

1.