veciy.ru

25.03.17
[1]
переходы:37

скачать файл
Факультет электроники и телекоммуникаций


Правительство Российской Федерации


Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования


«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»



Московский институт электроники и математики Национального

исследовательского университета "Высшая школа экономики"


Факультет электроники и телекоммуникаций
Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций




ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

(бакалаврская работа)


На тему «Исследование параметров фильтра синфазных помех»


Студент группы РБ-71


Куринов Андрей Викторович


Руководитель ВКР:


К.т.н. Доцент кафедры РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ,

Захарова Светлана Сергеевна


Консультант:


Старший преподаватель кафедры РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ Крючков Николай Михайлович






Москва, 2013

Содержание.



  1. Введение……………………………………………………………………3

  2. Теоретическая часть……………………………………………………...4

2.1 Сетевой фильтр…….……………………………………………...……4

2.2 Магнитные материалы….………………………….…………………..5

2.3 Варистор…………….…………………………………………………..6

2.4 LC-фильтр.………….…………………………………………………..7

2.5 Катушки индуктивности………………………………………….……7

2.6 Измерение индукции насыщения и напряженности маг. поля ……...…. .9

2.7 Конденсатор подавления электромагнитных помех………….……11

2.8 Дроссель для подавления шума…………………………………...…13

  1. Обзор сетевых фильтров……………………………………………….14

3.1 Фильтрация …..…….…………………………………………………14

3.2 Основные свойства сетевых фильтров …………….………………..15

4. Моделирование синфазного фильтра……………...…………………..17

4.1 Расчет фильтра синфазной помехи…………………………………..17

4.2 Практическая методика измерения синфазной помехи…………….19

4.3 Определение источников синфазной помехи……………………….21

4.4 Примеры расчета………….…………………………………………..24

5. Пути модернизации………………………………………………………29

6. Библиографический список…………………………………………….30

7. Заключение………………………………………………………………..31








  1. Введение

Сетевой фильтр необходим для различных приборов или устройств подключенных к электросети. К таким устройствам относятся: импульсные источники питания, электродвигатели, аудио и видео аппаратура, всевозможные нагревательные и осветительные приборы. Для некоторых устройств высокочастотные помехи не столь существенны и они практически никак не сказываются на их работе и для них можно применять обычные удлинительные разветвители. Но подавляющее большинство приборов подключенных к сети, сами являются источниками взаимных помех различного характера. Поэтому фильтрация электропитания как для дорогостоящей промышленной, офисной так и для бытовой аппаратуры, необходима.

В связи с совершенствованием элементной базы сетевых фильтров требуется модернизация выпускаемых промышленностью образцов.

В связи с тем что Россия вступила в ВТО и на рынке присутствует много фирм производящих компоненты для сетевых фильтров, то необходимо знать тенденции их развития и применять при проектировании новых изделий.

Целью работы является рассмотрение сетевого фильтра, исследование параметров синфазного фильтра, а так же обзор блока RCA300.10240A.









  1. Теоретическая часть


    1. Сетевой фильтр

Помимо помех вносимых самой аппаратурой, также влияют на качество электросети и природные помехи: удары молний и грозовые разряды вблизи линий электропередач и наружных кабелей электросети. А так же импульсы, возникающие в результате подключения или отключения большого количества потребителей, работа городского транспорта (трамвай, метро, электропоезда), реклама использующая мощные осветительные приборы, аварии на подстанциях, выбросы тока - это помехи техногенного характера.

Многократное воздействие электромагнитных импульсов может привести как к полному выходу аппаратуры из строя, так и к частичной поломке отдельных узлов схем устройства. Импульсные помехи прежде всего наносит вред микросхемам, которые содержатся в электронных устройствах - компьютерах, аппаратуре, бытовой технике. Первичной и основной защитой от подобных качественных отклонений электропередающих сетей являются сетевые фильтры.

Помехи возникающие в телевизионной аппаратуре причиной которых, является, как правило, недостаточная высокочастотная развязка выходящих из передатчика проводов. Высокочастотная энергия передатчика в широком диапазоне, принимаемая питающей сетью, передается в провода и подключенным к ним телевизору, радиоприемнику, передающей аппаратуре в дальнейшем излучается в пространстве. Для развязки проводов по высоким частотам, выходящим наружу от передатчика, применяют дроссели а так же конденсаторы и резисторы, которые образуют цепи шунтирующие на землю высокочастотные сигналы в проводах, или образующие заградительные фильтры для высоких частот. В зависимости от номиналов применяемых деталей и частоты сигнала уровень ослабления меняется. Существенно улучшает развязку на высоких частотах применение проходных конденсаторов вместо обычных или конденсаторов опорного типа, поскольку у проходных конденсаторов паразитная индуктивность сведена к минимуму. При выборе типа проходного конденсатора необходимо учитывать допустимый ток, пропускаемый внутренним проводом конденсатора.

Хорошую блокировку проводов по высокой частоте можно обеспечить, если поместить их в заземленный экран. Экран создает распределенную емкость вдоль провода и таким образом шунтирует провод на высокой частоте по всей длине, увеличить сопротивление провода на высокой частоте можно путем увеличения его погонной индуктивности. Для этого на провод одевают ферритовые кольца соответствующего типоразмера с магнитной проницаемостью порядка нескольких сот. Если требуется локально увеличить индуктивность провода, его несколько раз продевают сквозь ферритовое кольцо, образуя таким образом тороидальную катушку с необходимой индуктивностью. Осуществляя развязку сетевого провода передатчика, следует помнить, что ток в нем может быть значительной величины. Это накладывает дополнительные требования к катушкам фильтра, индуктивность которых не должна существенно изменяться под действием тока. В противном случае характеристики фильтра будут меняться в зависимости от нагрузки. Это относится к катушкам с сердечниками из магнитных материалов. Для исключения влияния тока подмагничивания катушку наматывают в два провода, в результате чего магнитное поле тока компенсируется.

Но все эти меры защиты являются далеко не идеальными и для того чтобы получить почти идеальное напряжение питания необходимо использовать специальное устройство сетевой фильтр.


    1. Магнитные материалы

Материалы, способные под действием внешнего магнитного поля намагничиваться, т. е. приобретать особые магнитные свойства, называются магнитными. Основными из них являются железо, никель, кобальт и сплавы на основе технически чистого железа. Магнитные материалы с ярко выраженными магнитными свойствами называют ферромагнитными, или ферромагнетиками.

Ферриты представляют собой соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов ZnO; NiO и др. Ферриты изготовляют из порошкообразной смеси оксидов этих металлов. Отпрессованные ферритовые изделия подвергают спеканию при высоких температурах.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные или смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы одного простого феррита в другом. В этом случае могут быть использованы и немагнитные ферриты в сочетании с магнитными простыми ферритами.


    1. Варистор

Варистор это резистивный элемент с резко выраженной нелинейной ВАХ и поликристаллической структурой, наиболее популярные варисторы выполнены из оксида цинка (ZnO). Значение сопротивления этого элемента зависит от подаваемого на него напряжения: чем выше число напряжения, тем ниже сопротивление. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, то есть на него поступает то же напряжение, что и на защищаемое устройство. При нормальном напряжении в сети питания и отсутствии импульсных помех сила тока, проходящего через варистор, очень мала, и ей можно пренебречь. В том случае, если в сети питания возникает импульс высокого напряжения, то сопротивление варистора резко падает и он, будучи включен параллельно, преобразует электрическую энергию импульса в тепловую, тем самым защищая включенные в сетевой фильтр приборы. В этот момент через варистор мoжет протекать ток cилой несколько тысяч ампер.



    1. LC-фильтр

LC-фильтр элемент, предназначенный для подавления высокочастотных помех (частотой 100-100 000 Гц), которые искажают синусоиду переменного напряжения в сети и отрицательно сказываются на работе электрооборудования, особенно сложного. В фильтрах иностранных производителей применяются LC-контуры различной мощности, состоящие из конденсаторов и катушек индуктивности (именно поэтому фильтр и называется LС). Эффективность работы LС-фильтра в различных диапазонах частот измеряется в децибелах. Источниками высокочастотных помех являются всевозможные электрические устройства, электродвигатели, генераторы, сварочные аппараты, а также всякие промышленные кипятильники.


    1. Катушки индуктивности

Основным параметром, характеризующим контурные катушки, дроссели, обмотки трансформаторов является индуктивность L. В высокочастотных цепях применяются катушки с индуктивностью от сотых долей микрогенри до десятков миллигенри; катушки, используемые в низкочастотных цепях, имеют индуктивность до сотен и тысяч генри. Измерение индуктивности высокочастотных катушек, входящих в состав колебательных систем, желательно производить с погрешностью не более 5%; в большинстве других случаев допустима погрешность измерения до 10-20% [5].

Рис. 1. Эквивалентные схемы катушки индуктивности.

Каждая катушка, помимо индуктивности L, характеризуется также собственной (межвитковой) ёмкостью CL и активным сопротивлением потерь RL, распределёнными по её длине. Условно считают, что L, CL и RLсосредоточены и образуют замкнутую колебательную цепь (рис. 1, а) с собственной резонансной частотой.


fL = 1/(LCL)0,5



Вследствие влияния ёмкости CL при измерении на высокой частоте f определяется не истинная индуктивность L, а действующее, или динамическое, значение индуктивности



Lд = L/(1-(2*π*f)2*LCL) = L/(1-f2/ fL2)



которое может заметно отличаться от индуктивности L, измеренной на низких частотах.

С повышением частоты возрастают потери в катушках индуктивности, обусловленные поверхностным эффектом, излучением энергии, токами смещения в изоляции обмотки и каркасе, вихревыми токами в сердечнике. Поэтому действующее активное сопротивление Rд катушки может заметно превышать её сопротивление RL, измеренное омметром или мостом постоянного тока. От частоты f зависит и добротность катушки: ……………. QL = 2*π*f*Lд/Rд.

На рис. 1, б, представлена эквивалентная схема катушки индуктивности с учётом её действующих параметров. Так как значения всех параметров зависят от частоты, то испытание катушек, особенно высокочастотных, желательно проводить при частоте колебаний источника питания, соответствующей их рабочему режиму. При определении результатов испытания индекс «д» обычно опускают.

2.6 Измерение индукции насыщения и напряженности магнитного поля магнитопровода


Наиболее просто измерить индукцию насыщения образца магнитопровода с помощью специализированного прибора: тесламетра. Промышленность выпускает тесламетры, принцип действия которых основан на использовании ядерного магнитного резонанса, баллистического гальванометра, преобразователя Холла и пр. Однако тесламетры — это довольно дорогие измерительные приборы, и к тому же — весьма дефицитные. Не все разработчики могут себе позволить специальное оборудование и часто используют известный способ измерения, для которого не требуется тесламетр. Рассмотрим его.

Измерить индукцию насыщения и напряженность поля магнитопровода можно с помощью электронно-лучевого осциллографа, причем измерение может быть выполнено с погрешностью, не превышающей нескольких процентов. Принципиальная схема стенда изображена на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Схема измерительной установки


Резистор R1 обычно выбирают сопротивлением 0,1..1 Ом [44, с. 44]. Для того чтобы его наличие существенно не влияло на измеряемые параметры петли гистерезиса, этот резистор следует использовать с как можно меньшим сопротивлением. Однако, чем меньше сопротивление резистора R1, тем меньшее падение напряжение на нем, а, значит, для измерений может потребоваться высокочувствительный осциллограф. Спаянные выводы резистора R1, первичной обмотки трансформатора TV1 и провода к пластине горизонтального отклонения луча могут быть заземлены и электрически объединены с цепью, соединяющей выводы вторичной обмотки трансформатора TV1, конденсатора С1 и провода к пластине вертикального отклонения луча.

Трансформатор TV1 — это образец с искомыми магнитными параметрами. Переменное напряжение на его первичной обмотке пропорционально напряженности магнитного поля:


Uw1 = Rl•H•lo/Wl,



где R1 — сопротивление резистора R1;

Н — мгновенная напряженность поля магнитопровода, А/м;

lо — протяженность тороидального магнитопровода вдоль осевой линии, м;

W1 — число витков в первичной обмотке.

Ток первичной обмотки трансформатора, протекая через резистор R1, создает на нем падение напряжения, которое пропорционально напряженности магнитного поля в образце. Это падение напряжения подводят к пластинам осциллографа, отклоняющим луч в горизонтальной плоскости. Во вторичной обмотке трансформатора возникает ЭДС величиной Е = -dФ•W2/dt. Для того чтобы сигнал на пластинах осциллографа, отклоняющих луч в вертикальной плоскости, был пропорционален магнитной индукции Ф/S, напряжение, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора, следует проинтегрировать. Интегрирование может быть выполнено RC-цепью, как изображено на рис. 8.1, или с помощью операционного усилителя, включенного как интегратор. Чтобы паразитные сопротивления не вносили существенной погрешности, сопротивление резистора R2 должно быть принято весьма высоким и превышать на порядки реактивное сопротивление конденсатора С1. Напряжение на выводах конденсатора С1, пропорциональное магнитной индукции в сердечнике, можно найти по формуле:



Перед проведением измерений следует отградуировать каналы осциллографа. От генератора на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины подают среднеквадратические напряжения Uy и Ux известных величин и вычисляют мас­штабные коэффициенты.

Коэффициент масштабирования mx, выраженный в В/см, для горизонтально отклоняющих пластин вычисляют согласно выражению:



где lх — расстояние смещения луча по абсциссе, см.

Аналогичным образом, можно найти коэффициент масштабирования my в В/см для вертикально отклоняющих пластин по формуле:




где lу — расстояние, на которое смещается луч вдоль ординаты, см.

Достоинство такого способа измерения заключается в возможности визуального контроля петли гистерезиса. Образец может быть исследован на высокой частоте, если это позволит полоса пропускания примененного осциллографа. Зная индукцию насыщения магнитопровода и напряженность поля, легко можно вычислить магнитную проницаемость по известной формуле :

μ0 = В/(μ0 • Н),


где В — магнитная индукция, Тл;

Н — напряженность поля, А/м;

μ0 — магнитная постоянная вакуума, Гн/м.

Недостатки состоят в необходимости собирать макетную установку, состоящую из нескольких компонентов, и в наличии довольно большой погрешности измерения, основной вклад в которую вносит погрешность осциллографа и погрешность визуального считывания показаний. [4].


    1. Конденсаторы подавления электромагнитных помех

Подключаемые непосредственно к линии и подверженные перенапряжениям и переходным процессам, которые возникают в линии, могут повредить конденсаторы. По этой причине, к конденсаторам предъявляются особые требования, которые отражены в соответствующих стандартах безопасности на конденсаторы подавления ЭМП. Различают два типа таких конденсаторов

  • X-конденсаторы - которые подключаются между фазами, эффективны

для подавления симметричной помехи (синфазный режим). Применяются в электроприборах, где неисправность конденсатора не приведет к опасному электрическому удару. X-конденсаторы разделены на три подкласса согласно пиковому импульсному напряжению, которому они подвергаются при тестировании. Эти перенапряжения могут быть вызваны молнией или коммутационными процессами в сети.


  • Y- конденсаторы - которые подключаются между фазой и нейтралью,

эффективны при подавлении асимметричной (дифференциальной) помехи. Используются там, где неисправность конденсатора может привести к электрическому удару. Ограничение их ёмкости предназначено для уменьшения тока, проходящего через конденсатор на землю для предотвращения ложного срабатывания УЗО и поражения человека током.


    1. Дроссель для подавления шума

Для подавления шума встраиваются фильтры, подавляющие только синфазную составляющую и не оказывающие никакого влияния на дифференциальные сигналы. В качестве таких фильтров часто используются синфазные дроссели, удовлетворяющие требованиям. Самый простой синфазный дроссель состоит из двух катушек, намотанных на один сердечник, связанных общим магнитным полем. Когда через катушки протекают дифференциальные токи, магнитные поля, индуцированные этими токами, взаимно уничтожают друг друга. Следовательно, входной импеданс этих катушек равен нулю (если пренебречь их омическим сопротивлением) и теоретически они не влияют на дифференциальные сигналы. Но в случае появления синфазных токов магнитные потоки обоих катушек складываются, и входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов и значительному снижению шума.

3 Обзор сетевых фильтров.


3.1 Фильтрация

Сетевые фильтры — техника, абсолютно необходимая для обеспечения стабильности работы сложных электронных приборов(Рис 2).


Рис 2. Сетевые фильтры


Если посмотреть на этикетку, расположенную на блоке питания компьютера, рядом с кабелем подачи электроэнергии принтера или монитора, то сможем найти на ней характеристики входного напряжения. Как правило, производитель указывает значения порядка 220—230 В при частоте 50—60 Гц. Почему же указан диапазон, если номинал напряжения в электросети составляет 220 В при частоте в 50 Гц? Потому что реальные параметры электропитания отличаются от эталонных, предусмотренных ГОСТом.

Электростанции питают огромное количество потребителей электричества, в результате каждое подключение/отключение больших нагрузок (к примеру, производственных мощностей) может вызывать скачки напряжения как вверх, скажем до 250 В, так и вниз, например до 200 В. При сбоях электрооборудования на самой подстанции может меняться частота напряжения, что не менее губительно для чувствительной компьютерной техники.

Фильтры оборудованы встроенной схемой, поглощающей скачки напряжения и искажения частоты, а для более крупных помех у них имеется сложная схема фильтрации в которой имеется к примеру такие устройства как синфазный дроссель, или дифференциальный каскад. Все это очень важно, поскольку в случае небольших искажений электропитания техника будет совершать ошибки и быстрее изнашиваться, а при серьезных помехах может выйти из строя.


3.2 Основные свойства сетевых фильтров

Хотя в основе сетевых фильтров лежит достаточно простая компенсационная схема, они тем не менее обладают рядом отличий, объясняющих разницу в цене и возможностях.

Первое, что отличает сетевые фильтры, — количество розеток для подключения техники. Чем больше розеток, тем больше устройств вы сможете подсоединить — компьютер, монитор, принтер, стереосистему, зарядное устройство для телефона. Поэтому сегодня фильтры выпускаются с количеством розеток от одной до восьми.

Следует помнить, что подключение к фильтру большого количества техники чревато отключением всех устройств в случае перегрузки. И это объясняется наличием второго параметра — максимальной нагрузки (измеряется в кВт или В∙А).

Третье — это возможность защиты телефонной линии. В связи с постоянными изменениями нагрузки на общую телефонную сеть, напряжение в телефонной линии также может изменяться и искажаться. В некоторых фильтрах предусмотрена схема сглаживания указанных искажений для телефонной линии, что позволяет обеспечить бесперебойную работу модема или факса.

Кроме того, сетевые фильтры характеризуются способностью фильтровать помехи в компьютерной сети. Последние возникают при использовании слишком длинных кабелей между сетевыми устройствами или при плохом качестве самих устройств. Если же концентраторы сети применяются в здании с нестабильным электропитанием без фильтров, скачки напряжения в компьютерной сети тоже становятся более вероятными.

Сетевые фильтры имеют также максимальный поглощаемый импульсный выброс. Данный параметр измеряется в джоулях (Дж), и чем он больше, тем более серьезные краткосрочные отклонения в параметрах электропитания может компенсировать фильтр.

Можно обратить внимание и на длину провода (сетевой фильтр часто выполняет функции удлинителя, позволяющего подключить всю компьютерную периферию).

Сегодня, существуют модели сетевых фильтров оснащенные индикаторами работоспособности. Чаще всего индикаторы выполнены в виде светодиодов, которые загораются в случае подключения сетевого фильтра к электросети. В случае срабатывания защиты и выхода из строя какого-либо элемента, происходит отключение индикатора. Наличие такого рода индикаторов имеет необходимость так как данная индикация позволяет отслеживать работоспособность всей системы в целом. И при возникновении проблемы, своевременно заменить элемент или сетевой фильтр целиком, если замена элемента невозможна.

4.Моделирование синфазного фильтра


4.1 Расчет фильтра синфазной помехи

При разработке импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭП) серьезной задачей ста­новится обеспечение электромагнитной совмести­мости этих устройств с другой аппаратурой. В силу своего принципа действия, импульсный ИВЭП яв­ляется источником разнообразных электромагнит­ных помех. Уровни таких помех должны удовлетво­рять требованиям соответствующих стандартов. Далее рассмотрим аспект этой проблемы, касающийся кондуктивных помех, которые отдает ИВЭП в питающую сеть.

Зарубежные стандарты — CISPR22, EN55022 и дру­гие определяют допустимый уровень помех в по­лосе частот 150 кГц — 30 МГц для двух классов ап­паратуры: Class А — для использования в промыш­ленности, Class В — для использования в быту (более жесткие требования). Основным отечественным стан­дартом, нормирующим уровни кондуктивных по­мех для стабилизированных ИВЭП и методы их из­мерений, является [ 1 ]. Уровням Class А и Class В в [ 1] соответствуют уровень D и уровень В (рис 3.).


Рис 3. Таблица


Методика измерения синфазной помехи в указан­ной полосе частот согласно [1] сводится, по сути, к измерению падения напряжения на входных зажи­мах ИВЭП относительно корпуса на тестовых под­гружающих резисторах номиналом 50 Ом (рис. 4). При этом по постоянному напряжению измеритель­ная цепь отвязана от цепей питания конденсатором (0,25 мкФ для уровней потребляемого тока до 25 А либо 0,1 мкФ для уровня свыше 25 А), а влияние им­педанса питающей цепи на измеряемые характери­стики в области интересующих частот исключается при помощи так называемого эквивалента сети. При­менение эквивалента сети также ослабляет возмож­ное влияние помех от самой питающей сети.

Рис 4. Схема измерения синфазной помехи

Измерения производят при помощи измерителя радиопомех, имеющего входное сопротивление 50 Ом, поочередно для каждого из питающих выво­дов. Одно из показанных (на рис. 4) сопротивлений 50 Ом отображает в этом случае входное сопротив­ление измерителя, а другое является подгрузочным. Переключения измерителя и подгрузочного резис­тора производятся с помощью коммутирующих це­пей, не показанных для простоты на рисунке.

Испытания на электромагнитную совместимость, в том числе кондуктивных помех, производятся на сертифицированном оборудовании и требуют оп­ределенных финансовых затрат. Поэтому еще на эта­пе разработки ИВЭП необходимо учитывать основ­ные факторы, влияющие на результаты подобных испытаний. Одним из основных источников синфаз­ных помех в ИВЭП в полосе частот 150 кГц — 30 МГц являются процессы, связанные с самим принципом действия ИВЭП с ШИМ, а именно наличие тактовой частоты преобразования и ее высших гармоник в из­меряемом сигнале. Другим заметным фактором мо­гут быть коммутационные процессы, происходящие в ключевых элементах ИВЭП, — они могут про­явиться в области высоких частот диапазона. Цель настоящей статьи — показать возможность расчета уровней синфазной помехи для основной гармони­ки и ряда высших гармоник преобразователя с ШИМ (то есть с постоянной частотой), для того чтобы учесть как минимум первый указанный фактор при проектировании фильтра синфазной помехи ИВЭП.


4.2 Практическая методика измерения синфазной помехи

Специальное, особенно сертифицирован­ное оборудование для измерения синфазной помехи не всегда доступно инженеру при ис­следовании макетов ИВЭП на этапе разработки. Однако для приблизительной оценки уров­ней помех в области относительно низких частот можно использовать более доступные средства — например, цифровой осциллограф. Идея состоит в том, чтобы оцифровать осцил­лограммы напряжения на тестовых резисто­рах, являющиеся периодическими сигналами, а затем рассчитать их гармонический состав посредством преобразования Фурье.

Рис.5 Осциллограмма синфазной помехи в первом случае

Рис.6 Осциллограмма синфазной помехи во втором случае


На рис. 5 и рис.6 показаны осциллограммы напряжения Uизм1, и Uизм2 относительно заземления (согласно рис. 4) для блока RCA300.10240A [2] при следующих параметрах: Vin = 60 V, Vo = 24 V, Io = 1,25 А. Данный блок питается от сети постоянного напряжения, но имеет в своем составе фильтр синфазной помехи.

Так же на рис.7 и рис.8 показан спектральный состав измеренных сигналов, рассчитанный с помощью преобразования Фурье до частоты, равной половине от частоты дискретизации оцифрованного сигнала (в данном случае до 12,5 МГц).

Рис. 7 Спектральный состав синфазной помехи в первом случае

Рис. 8 Спектральный состав синфазной помехи во втором случае


На рис. 7 и рис.8 черным цветом показана ограничительная кривая по Class А, а синим цветом — по Class В. Как видно из рисунка, наиболее критичный диапазон с точки зрения удовлетворения требованиям стандарта первые пять гармоник частоты преобразования (однако первая гармоника, чуть выше 100 кГц, не попадает еще в интересующий нас диапазон частот). Следует отметить, что различие в осциллограммах и спектрах сигналов, снятых на разных выводах блока, связано с отсутствием фильтра дифференциальной помехи в его составе, так что сигнал дифференциальной помехи в первом случае (осциллограмма Рис.5) вычитается из сигнала синфазной помехи, а во втором случае (Рис. 6) складывается с ним. Тем не менее и в том, и в другом случае блок не удовлетворяет требованиям по Class В, но «проходит» по Class А.


4.3 Определение источников синфазной помехи

  • Учет дифференциальной составляющей

При отсутствии специального фильтра диф­ференциальной помехи в ИВЭП, ее доля в син­фазной составляющей, отдаваемой в сеть, мо­жет быть весьма существенной. Источником помехи можно считать напряжение Uдиф — напряжение на входе ИВЭП (после фильтра). Здесь LI, Cl, С2 со­ставляют стандартную схему фильтра синфаз­ной помехи. При этом дифференциальная со­ставляющая без помех проходит через дрос­сель синфазного фильтра и выделяется с соответствующим знаком на делителе напря­жения, образованном тестовыми резистора­ми (рис. 9). Разделительные конденсаторы не показаны, так как их импедансом в рассма­триваемой полосе частот можно пренебречь.


Рис. 9 Дифференциальная составляющая помехи


Напряжение Uдиф может быть достаточно хорошо определено исходя из анализа электрических процессов в преобразователе, в ча­стности в качестве Uдиф может быть принята высокочастотная пульсация на входном конденсаторе, входящем в составе ИВЭП. Как можно видеть, дифференциальная составляющая совершенно не подавляется синфазным фильтром и может присутствовать в измеря­емом сигнале в результате применения методики измерения из [ 1 ]. Хороший метод исключения этой составляющей из сигнала помехи — применение дополнительного фильтра дифференциальной помехи (в простейшем случае LC-фильтра).

  • Учет синфазной составляющей

Однако основной составляющей помехи относительно заземления (особенно при хорошем фильтре дифференциальной помехи) служит именно синфазная помеха — то есть помеха, одинаковая для обоих входных выводов ИВЭП в заданном частотном диапазоне. Для данного случая справедлива схема заме­щения, показанная на рис. 10.


Рис. 10 Синфазная составляющая помехи


Сигнал помехи Uсинф выделяется на Y- конденсаторах фильтра (для данной схемы замещения они оказываются включенными парал­лельно), в результате деления напряжения некого эффективного источника помехи Uef емкостным делителем с коэффициентом передачи (1), верхнее плечо которого образует эффективная емкость Сef


(1)……...……… (2)



Чем больше суммарная емкость Y-конденсаторов Сy , по сравнению с Сef тем меньше напряжение помехи. Отметим, что ограничения на увеличение емкости Y-конденсаторов накладывают стандарты безопасности, нормирующие максимально допустимый ток утечки. Далее сигнал помехи фильтруется LR-фильтром с коэффициентом передачи (2), составлен­ным из индуктивности синфазного дросселя L1 и тестовых сопротивлений R, соединенных параллельно, согласно схеме замещения (рис. 10).

Задача определения Uэф и Cэф в общем случае нетривиальна. Ее решение будет зависеть от примененных схемы ИВЭП, компонентов, конструкции и технологии. В простейшем слу­чае Сэф определяется межобмоточной емкос­тью трансформатора, a Uэф — напряжением, приложенным между его обмотками. Очевидно, что чем больше индуктивность дросселя L1, тем сильнее подавляется синфазная помеха.


4.4 Примеры расчета

  • Расчет в одной точке

В качестве первого примера рассмотрим расчет уровня синфазной помехи для преоб­разователя, экспериментальные характерис­тики которого были показаны на рис. 2. В дан­ном случае ставится скорее задача анализа — для проверки методики и сравнения с экспе­риментальными результатами.

В этом случае сначала была рассчитана син­фазная составляющая сигнала помехи Uсинф (рис. 10), являвшаяся для данного режима пря­моугольными импульсами напряжения с раз­махом (от пика до пика) dUl (3), где Vin, V0— входное и выходное напряжения преобразо­вателя, wl, w2 — числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Преобразователь — обратноходовый, работа­ющий при данном Vin в режиме непрерывно­го тока и скважностью G = tJT.


(3)


Затем сигнал Uсинф раскладывался на гармо­ники с помощью процедуры быстрого преоб­разования Фурье и умножался на коэффици­ент передачи фильтра Кs (2). После этого полу­ченный сигнал восстанавливался во временной области с помощью обратного быстрого пре­образования Фурье. Таким образом была по­лучена синфазная составляющая в измеряемом сигнале.

После этого к полученному сигналу была прибавлена с соответствующим знаком диф­ференциальная составляющая (рис. 9), опре­деленная как произведение тока во входном конденсаторе преобразователя на его ESR (эк­вивалентное последовательное сопротивле­ние). Дифференциальная составляющая в этом случае определялась по (4), где I0 — на­чальное значение тока первичного ключа пре­образователя, L — индуктивность намагни­чивания. Отметим, что начальное значение тока I0 в данном случае было близко к нулю, то есть блок был близок к граничному режиму. Также следует отметить: сложение сигналов на тестовых резисторах производилось без уче­та их постоянных составляющих, что позво­лило существенно упростить расчеты во вре­менной области. В результате были получены идеализированные эпюры напряжений на из­мерительных резисторах (рис. 11),

Рис. 11 Идеализированные эпюры напряжений на измерительных резисторах


которые можно сравнить с экспериментальными ос­циллограммами (рис. 5 ; рис. 6):

при 0





где


при GT < t < T Uдиф = 0


Спектральный состав (до 7-й гармоники) этих временных характеристик представлен на рис. 12


















Рис.12 Спектральный состав напряжений на измерительных резисторах


Несмотря на некоторые отличия от характеристик, вычисленных по экспери­ментальным данным, можно утверждать, что в первом приближении расчет дает правиль­ные результаты.

Приведем значения всех пара­метров, использовавшихся при расчетах дан­ного примера:


  • Vin = 60 В — входное напряжение преобра­зователя;

  • V0 = 24 В — выходное напряжение преоб­разователя;

  • 10= 1,25 А — выходной ток преобразовате­ля;

  • wl = 60, w2 = 27 — витки трансформатора;

  • Т = 10 мкс — период коммутации;

  • G = 0,48 — коэффициент заполнения (скваж­ность);

  • Cef= 62 пФ — межобмоточная емкость трансформатора;

  • Су = 4,4 нФ — суммарная емкость Y-конден- саторов;

  • Ls = 3,8 мГн — индуктивность синфазного дросселя;

  • L = 40 нГн — индуктивность намагничива­ния силового трансформатора, приведен­ного к единичному витку;

  • ESR = 20 мОм — эквивалентное последова­тельное сопротивление входного конденса­тора;

  • I0 = 0,06 А — значение тока первичного ключа преобразователя при t = 0;

  • R = 50 Ом — номинал тестового резистора


Расчет при вариации параметров

Расчет в одной точке не всегда удовлетво­ряет разработчика, так как параметры пре­образователя (например, входное напряже­ние) могут меняться. На основе знания о ха­рактере влияния тех или иных параметров разработчик может сделать окончательный выбор параметров фильтра синфазной по­мехи.

Для примера рассмотрим, как будут менять­ся гармонический состав дифференциальной и синфазной составляющих помехи, измеря­емой на тестовом резисторе, в зависимости от питающего напряжения ИВЭП. Данный пример касается серии ИВЭП, рассчитанных на расширенный диапазон входного напряже­ния (85-342 Vdc) и выходную мощность 30 Вт. Для этой серии ИВЭП был сделан расчет за­висимости амплитуд первых пяти гармоник, измеряемых на тестовом резисторе (рис. 4), от входного напряжения преобразователя. На рис. 13 показаны результаты этого расчета для наихудшего случая в ряду выходных на­пряжений (V0 = 5 В).

Рис. 13 Дифференциальная (слева) и синфазная (справа) составляющие помехи для первых пяти гармоник

1-я гармоника - 100 кГц (красн.); 2-я гармоника - 200 кГц (син.); 3-я гармоника - 300 кГц (зел.); 4-я гармоника - 400 кГц (фиол.); 5-я гармоника - 500 кГц (голуб.)

Из рисунка видно, что в части дифферен­циальной составляющей блок не может удов­летворять требованиям ГОСТ [1] и необхо­димо введение фильтра дифференциальной помехи. В части синфазной помехи при ис­пользовании синфазного дросселя номина­лом 8,2 мГн блоки попадают в Class А (про­мышленное применение). Выход из группы Class В происходит на второй гармонике при Vin > 200 В. Увеличение индуктивности син­фазного дросселя на 20% позволит согласно расчету удовлетворить требованиям Class В (бытовое применение).

5.Пути модернизации.

Компания TDK разработала самый миниатюрный в мире фильтр синфазных помех с габаритами всего 0.45 × 0.30 × 0.23 мм, что на 75% меньше, чем выпускаемые в настоящее время фильтры в корпусах типоразмера 0806 (по стандарту обозначений комиссии IEC). Несмотря на миниатюрные размеры, тонкопленочный фильтр TCM0403S-350-2P имеет прекрасные параметры. При частоте среза 7 ГГц фильтр подавляет синфазные помехи, не искажая высокоскоростных дифференциальных сигналов. Таким образом, фильтр совместим с такими интерфейсами, как MIPI, USB 2.0 и USB 3.0. Отличное затухание на частоте 2.4 ГГц улучшает чувствительность приема работающих в беспроводных сетях смартфонов, мобильных телефонов и других портативных устройств. TDK приступила к серийному производству фильтров. [3].

Ставшая очередной вехой в миниатюризации радиокомпонентов, новая разработка TDK основана на передовых технологиях формирования тонкопленочных структур, высокопрецизионных катушек и внешних выводов. Благодаря существенно меньшим размерам, фильтры позволят увеличить плотность монтажа в электронных устройствах.


6. Библиографический список.


  1. ГОСТ Р 51527-99 (МЭК 60478-3-89). Совместимость технических средств электромагнитная. Стабилизированные источники питания постоянного тока. Кондуктивные электромагнитные помехи. Нормы и методы испытаний.

  2. Каталог www.continent-tm.ru

  3. Статья “Радио Лоцман” http://www.rlocman.ru/news/new.html?di=135253

  4. Москатов Е.А. “Источники питания”. ― К.: “МК-Пресс”, СПб.: "КОРОНА-ВЕК", 2011.

  5. Измерение параметров катушек индуктивностей http://zpostbox.ru/izmerenie_parametrov_katushek_induktivnosti.html

  6. Сетевой фильтр http://ru.wikipedia.org/wiki/Сетевой фильтр

7.Заключение

В данной работе проведен теоретический обзор, рассмотрен сетевой фильтр электропитания и его компоненты. Проведено исследование параметров фильтра синфазных помех. На примере блока RCA300.10240A выполнен расчет синфазной помехи. Выявлена практическая методика измерения синфазной помехи.




скачать файл | источник
просмотреть