Служба подавления помех: решения компании Sumida
Повсеместное применение электротехнических приборов и радиоэлектронных систем в промышленности, медицине, быту, их стремительное развитие ставит перед разработчиками ряд технических задач, одной из которых является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС).
ГОСТ определяет понятие электромагнитной совместимости как «способность технических средств функционировать с заданным качеством, в заданной электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам» [1].
Международные стандарты разделяют электромагнитные помехи на низкочастотные (основная часть энергетического спектра которых находится ниже 9 кГц), высокочастотные (в пределах от 9 кГц до 30 МГц) и радиочастотные (со спектральным составом свыше 30 МГц).
Фильтры сетевых помех компании Sumida главным образом ориентированы на подавление высокочастотных помех в диапазоне 9 кГц…30 МГц, поэтому в данной статье не рассматриваются вопросы качества энергоснабжения, связанные с просадкой сетевого напряжения, перенапряжением, расфазировкой, мощными импульсными помехами и др.
Природа сетевых электромагнитных помех
Источниками сетевых электромагнитных помех могут быть:
- импульсные блоки питания;
- тиристорные регуляторы яркости свечения ламп;
- электроинструменты (электродрели, электрорубанки, и др.), бытовая техника;
- электронные пусковые устройства (балласты) люминесцентных ламп дневного света.
Импульсные блоки питания (ИБП) являются неотъемлемой частью современного оборудования информационных технологий, автоматизации, бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Развитие схемотехники и элементной базы ИБП способствует увеличению экономичности, а также — уменьшению массогабаритных показателей за счет увеличения частоты преобразования электромагнитной энергии в пределах от нескольких сотен кГц до десятков МГц.
Регуляторы яркости свечения ламп работают на частотах от десятков до сотен кГц, электронные балласты люминесцентных ламп — на сотнях кГц.
Все перечисленное обостряет проблему надежности и стабильности одновременного функционирования различных технических средств в неблагоприятной обстановке, где, с одной стороны, необходимо обеспечить нормальное функционирование помехочувствительных приборов, с другой — защитить сеть и выполнить нормы по помехоэмиссии для потребителей электроэнергии, которые сами являются источниками помех.
Рассмотрим типы помех с точки зрения способа их распространения по сети электропитания. Различают синфазные и дифференциальные помехи (рисунок 1).
Рис. 1. Принцип проникновения синфазной (а) и дифференциальной (б) помехи в сеть электропитания
Синфазная помеха возникает тогда, когда напряжение помехи воздействует на фазный и нейтральный проводники сети электропитания относительно заземляющего контакта. В этом случае токи помехи ICM1 и ICM2 текут по двум проводникам в одинаковом направлении, замыкаясь через цепь заземления.
Дифференциальная помеха в сети питания возникает в случае, когда напряжение помехи приложено между фазным и нейтральным проводниками, а токи дифференциальной помехи IDIFF имеют одинаковую величину, но противоположное направление.
Диаграмма (рисунок 2) условно разделяет помехи на дифференциальные и синфазные, показывает используемые в современной технике типовые методы подавления в зависимости от области спектра частот, в которой сконцентрирована основная доля их энергии.
Рис. 2. Диаграмма типов помех и методов их подавления
С целью фильтрации синфазных помех широко применяются дроссели со встречной намоткой (рисунок 3). Синфазные помеховые токи ICM1 и ICM2 текут через дроссель и, ослабляясь, замыкаются через цепь заземления. Сигнальный дифференциальный ток IS проходит через дроссель без ослабления.
Рис. 3. Схема подавления синфазной помехи дросселем со встречной намоткой
Для подавления дифференциальной помехи, как правило, используется проходной дроссель (рисунок 4). Дифференциальный ток IDIFF в обоих проводниках имеет одинаковую величину, но противоположное направление, и ослабляется дросселем.
Рис. 4. Схема подавления дифференциальной помехи проходным дросселем
В таких устройствах, как импульсные источники питания, электронные балласты, стиральные машины или электрические инструменты, симметричная помеха может быть преобразована в дифференциальную. Для подавления помех от таких источников используются схемы фильтрации, комбинирующие описанные способы.
Нормативно-правовая база
К техническим средствам, предназначенным для подключения к низковольтным распределительным и промышленным электрическим сетям, отечественные ГОСТы предъявляют требования и устанавливают нормы по ограничению помехоэмиссии и обеспечению устойчивости к воздействию электромагнитных помех.
Вводится понятие «электромагнитной помехи» — любого электромагнитного явления, которое может ухудшить качество функционирования устройства, оборудования или системы. В частности, под сетевой помехой понимается электромагнитная помеха, передаваемая техническому средству по проводам, соединяющим его с электрической сетью [1].
Согласно нормам помехоэмиссии, выделяют два класса технических средств:
- Класс А- технические средства всех видов и назначений, предназначенные для применения только в промышленных зонах, подключаемые к питающей сети с помощью штепселей и разъемов, предназначенных исключительно для подключения к промышленным электрическим сетям;
- Класс Б- технические средства, предназначенные для применения в жилых, коммерческих и производственных зонах с малым энергопотреблением.
Нормы кондуктивных помех в полосе частот 0,15…30 МГц, согласно ГОСТу, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Нормы напряжения радиопомех на входных портах электропитания ТС в полосе частот 0,15…30 МГц [2]
| Полоса частот, МГц | Норма, дБ (мкВ) | |||
|---|---|---|---|---|
| ТС класса А | ТС класса Б | |||
| квазипиковое значение | среднее значение | квазипиковое значение | среднее значение | |
| 0,15…0,5 | 79 | 66 | 56…66 | 56…46 |
| 0,5…5 | 73 | 60 | 56 | 46 |
| 5…30 | 73 | 60 | 60 | 50 |
| Примечание: Норма уменьшается линейно с логарифмом частоты. На граничной частоте нормой является меньшее значение. | ||||
Решения компании Sumida
для подавления сетевых помех
Компоненты для подавления ассиметричных помех от Sumida с одной стороны ориентированы на защиту конечной аппаратуры пользователей от помех, распространяющихся по сети электропитания, с другой — на обеспечение требований международных стандартов по помехоэмиссии технических средств в сторону сети электропитания.
Портфолио компании Sumida включает в себя решения для борьбы как с синфазными, так и с дифференциальными помехами.
Как было сказано выше, для подавления синфазных помех применяются дроссели, которые содержат две одинаковые обмотки, включенные встречно. Такие дроссели чаще всего строятся на магнитопроводе с высокой магнитной проницаемостью. Конструктивной особенностью решений компании Sumida является применение многосекционной намотки катушек с уменьшенной собственной межвитковой емкостью и, соответственно, с большей частотой собственного резонанса.
При изменении частоты от нуля до частоты собственного резонанса катушки импеданс дросселя носит преимущественно индуктивный характер, при дальнейшем увеличении частоты сигнала начинает преобладать емкостной характер. Именно поэтому такой параметр, как частота собственного резонанса (Self Resonant Frequency) является одной из ключевых характеристик подобного рода устройств.
Наряду с классическими компонентами для подавления помех (рисунки 5 и 6), портфолио компании Sumida включает в себя собственные уникальные разработки — фильтры серии RK17S, RK23S, которые подробно рассмотрены в данной статье.
Рис. 5. Внешний вид фильтров DP-F14
Рис. 6. Внешний вид фильтров серии DK
Преимущества фильтров для подавления сетевых помех компании Sumida:
- соответствие климатическим категориям 40/125/56 стандарта IEC 68-1;
- номинальная индуктивность на частоте 10кГц;
- технологический допуск индуктивности обмоток +50…-30%;
- соответствие стандартам электробезопасности EN 50176, EN 61347, EN 61800, EN 60335, EN 60065;
- тестовое напряжения между обмотками 1500В, 50Гц, в течении двух секунд;
- допустимый перегрев обмоток до 55°С;
- максимальная рабочая температура обмоток 115°C.
В таблице 2 приведены основные параметры фильтров Sumida:
Ln — номинальная индуктивность обмотки в синфазном режиме;
In — максимальный рабочий ток через обмотку;
RCU — максимальное сопротивление обмотки;
Lleakage — номинальная величина индуктивности обмотки в дифференциальном режиме;
Qth — термосопротивление корпуса;
SRF — частота собственного резонанса фильтра.
Таблица 2. Параметры фильтров для подавления помех компании SUMIDA
| Серия | Наименование | Ln, мГн | In,A | Rcu, мОм | Lleakage, мкГн | Q th, K/Вт | SRF, MГц | Размеры, ШxДxВ, мм |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DP | DP-F14 | 3,3…100 | 0,35…1,8 | 110…3700 | 32…1100 | – | 0,15…2,0 | 15,1×19,0×14,0 21,0×19,0×12,5 |
| RK | RK 17 | 3,3…47 | 0,4…1,5 | 0,19…2,7 | 25…350 | 70 50 | 0,3…2,0 | 15,0×18,0×20,0 14,5×24,5×13,5 |
| RK 17 + Bypass | 3,3…47 | 0,4…1,0 | 0,18…2,5 | 120…1500 | – | 0,3…2,0 | 14,5×24,5×15,0 | |
| RK 19 | 3,3…47 | 0,6…2,1 | 0,12…1,2 | 25…330 | 52 | 0,25…1,5 | 18,0×21,0×23,0 | |
| RK 23 | 3,3…47 | 0,9…2,25 | 0,09…0,87 | 65…1000 | 33 | 0,25…1,0 | 24,5×26,5×14,0 | |
| RK 23 + Bypass | 3,3…47 | 0,42…1,3 | 0,08…0,75 | 120…1500 | – | 0,22…1,0 | 24,5×28,0×14,0 | |
| RK 26 | 3,3…47 | 1,0…3,9 | 0,054…0,82 | 25…330 | 35 | 0,2…1,0 | 22,5×27,0×28,5 | |
| RK 28 | 3,3…47 | 1,4…4,6 | 0,048…0,52 | 25…310 | 30 | 0,2…0,8 | 24,5×29,0×31,0 | |
| DK | DK 30 | 3,3…47 | 0,3…1,5 | 0,17…2,5 | 35…540 | 65 | 0,2…1,5 | 17,5×18,0×13,0 |
| DK 31 | 3,3…47 | 0,3…1,5 | 0,17…2,5 | 35…540 | 58 | 0,2…1,5 | 13,5×18,5×20,5 | |
| DK 40 | 3,3…27 | 0,8…2,5 | 0,07…0,6 | 0…240 | 50 | 0,18…1,2 | 22,5×22,5×15,5 | |
| DK 41 | 3,3…27 | 0,8…2,5 | 0,07…0,6 | 0…240 | 45 | 0,18…1,2 | 16,0×23,5×25,5 | |
| DK 50 | 3,3…47 | 0,6…2,8 | 0.06-1.1 | 40…600 | 37 | 0,2…0,8 | 27,5×28,0×18,0 | |
| DK 51 | 3,3…47 | 0,6…2,8 | 0.06-1.1 | 40…600 | 34 | 0,2…0,8 | 18,5×27,5×30,5 | |
| DK 60 | 3,3…10 | 1,8…4,0 | 0,06…0,22 | 35…130 | 30 | 0,2…0,8 | 32,5×33,0×18,0 | |
| DK 61 | 3,3…10 | 1,8…4,0 | 0,06…0,22 | 35…130 | 24 | 0,2…0,8 | 18,5×32,5×35,5 | |
| E | E 16/4.7 | 14…60 | 0,2…0,32 | 1,8…4,1 | 270…1220 | 76 | 0,12…0,4 | 13,5×18,0×18,5 |
| E 20/5.9 | 21…112 | 0,2…0,55 | 0,78…5,2 | 350…1800 | 57 56 | 0,075…0,2 | 21,5×21,5×16,5 13,5×21,0×23,5 |
| Серия | Наименование | Схема фильтра | Область применения |
|---|---|---|---|
| DP | DP-F14 |  | подавление синфазной помехи |
| RK | RK 17 |  | подавление синфазной помехи |
| RK 17 + Bypass | подавление синфазной помехи подавление дифференциальной помехи | ||
| RK 19 | подавление синфазной помехи | ||
| RK 23 | |||
| RK 23 + Bypass | подавление синфазной помехи подавление дифференциальной помехи | ||
| RK 26 |  | подавление дифференциальной помехи | |
| RK 28 |  | ||
| DK | Вся линейка |  | подавление синфазной помехи высокое значение тока нагрузки |
| E | E 16/4.7 |  | подавление синфазной помехи гальваническая развязка |
| E 20/5.9 |
Фильтры серии RK с дополнительным магнитопроводом
Особый интерес представляют фильтры серии RK (рисунок 7) с дополнительным магнитопроводом (Magnetic Bypass) — RK17S и RK23S (рисунок 8).
Рис. 7. Внешний вид фильтров серии RK
Источник
