Ограничитель импульсных помех в трансивере: эффективное подавление электромагнитных помех — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает ограничитель импульсных помех в трансивере. Какие элементы используются для подавления помех. Как правильно спроектировать схему фильтрации помех в импульсном блоке питания. На что обратить внимание при выборе компонентов для подавления помех.

Содержание

Принцип работы ограничителя импульсных помех в трансивере

Ограничитель импульсных помех в трансивере представляет собой комплекс схемотехнических решений, направленных на подавление электромагнитных помех от импульсных источников питания и других узлов устройства. Основными элементами такого ограничителя являются:

Дроссели для подавления синфазных помех
Конденсаторы для фильтрации дифференциальных и синфазных помех
Y-конденсаторы для безопасного отвода высокочастотных токов на корпус
Ферритовые кольца и бусины на кабелях
Экранирование чувствительных узлов

Правильно спроектированный ограничитель позволяет значительно снизить уровень помех и обеспечить электромагнитную совместимость трансивера с другим оборудованием.

Основные источники импульсных помех в трансивере

Главными источниками импульсных помех в трансивере являются:

Импульсный блок питания — генерирует высокочастотные помехи при работе ключевых элементов.
Синтезатор частоты — создает паразитные гармоники при формировании сигналов.
Процессор цифровой обработки сигналов — является источником широкополосных цифровых помех.
Усилитель мощности передатчика — при работе в импульсном режиме создает мощные помехи.
Коммутационные элементы — реле, переключатели диапазонов генерируют импульсные помехи при переключениях.

Для эффективного подавления помех необходимо принимать меры по их ограничению непосредственно в источнике, а также применять комплексную фильтрацию.

Схемотехника ограничителя импульсных помех

Рассмотрим типовую схему ограничителя импульсных помех в импульсном блоке питания трансивера:

«` C3 Импульсный преобразователь C4 «`

Ключевые элементы данной схемы:

L1, L2 — дроссели для подавления синфазных помех
C1 — конденсатор большой емкости для фильтрации низкочастотных помех
C2, C3 — Y-конденсаторы для отвода ВЧ-токов на корпус
C4 — выходной фильтрующий конденсатор

Дроссели L1 и L2 подавляют синфазные помехи, идущие от преобразователя в сеть. Конденсатор C1 фильтрует низкочастотные дифференциальные помехи. Y-конденсаторы C2 и C3 отводят высокочастотные синфазные токи на корпус устройства. Конденсатор C4 сглаживает пульсации на выходе преобразователя.

Выбор компонентов для ограничителя помех

При выборе компонентов для ограничителя импульсных помех необходимо учитывать следующие факторы:

Дроссели L1 и L2 должны иметь индуктивность около 1-10 мГн и сохранять ее на высоких частотах.
Конденсатор C1 выбирается емкостью 0.1-1 мкФ с низким ESR.
Y-конденсаторы C2 и C3 должны иметь емкость 1-10 нФ и выдерживать импульсное напряжение до 5 кВ.
Выходной конденсатор C4 подбирается по токам пульсаций преобразователя.
Все компоненты должны быть рассчитаны на соответствующие рабочие напряжения и токи.

Правильный выбор номиналов и типов компонентов критически важен для эффективной работы ограничителя помех.

Методы повышения эффективности ограничителя помех

Для дальнейшего повышения эффективности ограничителя импульсных помех в трансивере можно применить следующие методы:

Использование многозвенных LC-фильтров для лучшего подавления высокочастотных помех
Применение ферритовых колец на входных и выходных проводах
Тщательное экранирование импульсного преобразователя
Оптимизация топологии печатной платы для минимизации паразитных связей
Использование снабберных цепей для снижения выбросов при коммутации

Комплексное применение этих методов позволяет значительно улучшить характеристики ограничителя помех и обеспечить высокую электромагнитную совместимость трансивера.

Особенности проектирования печатной платы ограничителя помех

При проектировании печатной платы ограничителя импульсных помех необходимо соблюдать следующие правила:

Разделять входные и выходные цепи фильтра
Минимизировать длину проводников в высокочастотных цепях
Использовать сплошные полигоны земли
Располагать компоненты фильтра максимально близко друг к другу
Применять экранирующие слои в многослойных платах

Правильная компоновка и трассировка печатной платы позволяет значительно повысить эффективность ограничителя помех за счет минимизации паразитных связей между элементами схемы.

Тестирование и отладка ограничителя импульсных помех

После изготовления ограничителя импульсных помех необходимо провести его тщательное тестирование и отладку. Основные этапы этого процесса:

Измерение уровня кондуктивных помех на входе и выходе фильтра
Анализ спектра излучаемых помех от трансивера

Проверка работы трансивера во всех режимах
Тестирование в предельных условиях эксплуатации
Длительные испытания на надежность

По результатам тестирования может потребоваться корректировка схемы и компонентов фильтра для достижения оптимальных характеристик подавления помех.

Подавление помех от импульсных источников питания

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

Даже если предположить идеальный случай — соответствие 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 всей полосе КВ в радиусе десятков метров. Поэтому важно знать, как подавлять паразитное излучение кабелей импульсного блока питания, чтобы правильно дорабатывать существующие устройства и выбирать новые.

На рис. 1 приведена упрощённая схема импульсного блока питания. Точнее, узел преобразования напряжения показан предельно упрощённо, а вот цепи подавления помех, наоборот, полностью. И общий случай питания — от трёхпроводной (с отдельным проводом электротехнического заземления) розетки.

Рис. 1. Схема импульсного блока питания

Дроссели L1 и L2 подавляют синфазные помехи, идущие от блока питания и подключённого к нему устройства (например, трансивера с антенной) в сетевой провод и далее в линии электропитания. Обмотки дросселя L1 обычно имеют индуктивность около 30 мГн. 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 блока питания (десятки-сотни килогерц) до нескольких мегагерц.

А в ответственных случаях (чувствительные приёмники и их антенны рядом) — до десятков-сотен мегагерц. Один дроссель это сделать не может. Поэтому в таких случаях последовательно с L1 и L2 включают такие же дроссели, но с индуктивностью в 50…500 раз меньшей, чем указано на рис. 1. Эти дополнительные дроссели должны иметь 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 ёмкости С2 и С3, включённые параллельно С1.

Но это не единственная функция С2 и С3. Они также замыкают синфазную составляющую импульсов переключения на корпус устройства.

Разберёмся с этим подробнее. На стоке силового транзистора присутствуют прямоугольные импульсы с размахом около 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 всё равно в мощных блоках питания транзистор нагревается. Для охлаждения его закрепляют на теплоотводе, в качестве которого в некоторых случаях используют металлический корпус блока питания (про экранирование не забываем). Транзистор изолируют от корпуса прокладкой. Ёмкость стока на корпус может достигать нескольких десятков пикофарад.

А теперь посмотрим, что у нас получилось: транзисторный генератор прямоугольных импульсов с размахом 300 В через конденсатор в несколько десятков пикофарад (конструктивный между стоком охлаждаемого транзистора и корпусом устройства на рис. 1 показан штриховыми линиями) подключён к корпусам и блока питания, и питаемого им устройства. Мы считаем, что это корпус с нулевым потенциалом, а на самом деле там протекает большой ВЧ-ток через конструктивную ёмкость теплоотвода. Это приведёт к появлению большого синфазного тока (а значит, и помех) на корпусах всех устройств, подключённых к нашему источнику питания.

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

Но проблемы с высоковольтными короткими фронтами импульсов на стоке силового транзистора не заканчиваются с установкой конденсаторов С2 и С3. Есть ещё одна паразитная ёмкость — между обмотками трансформатора (тоже показана на рис. 1 штриховыми линиями). Через неё импульсы тока 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 лёгкий путь для протекания.

Конденсаторы С2-С4 оказываются включёнными между безопасными для человека цепями (выходами и корпусом источника) и силовой сетью 230 В. Для обеспечения безопасности людей номинальное напряжение этих конденсаторов делают очень высоким (несколько киловольт), а их конструкцию такой, чтобы в случае аварии они обрывались, а не замыкались. Конденсаторы, устанавливаемые на месте С2-С4, выпускаются как отдельный тип и называются Y-конденсаторами. Конденсаторы с маркировкой Y1 рассчитаны на импульсы напряжения до 8 кВ, Y2 — до 5 кВ.

С точки зрения подавления помех, ёмкость конденсаторов С2-С4 желательно иметь побольше. Но надо иметь в виду, что при двухпроводной сети (или обрыве провода заземления в трёхпроводной) выходы и корпус источника через конденсаторы С2-С4 оказываются соединёнными с сетевым фазным проводом. Поэтому их суммарная ёмкость должна выбираться так, чтобы ток частотой 50 Гц на корпус не превышал 0,5 мА (неприятно, но не смертельно). С учётом возможного максимального напряжения в сети, разброса, температурных уходов и старения получается не более 5000 пФ.

Рассмотрим теперь ошибки, допускаемые в фильтрации помех импульсных источников.

Иногда, для экономии, ставят только один из двух конденсаторов С2 или С3. Идея, на первый взгляд, кажется разумной: всё равно ведь они соединены параллельно через большую ёмкость конденсатора С1. Но на высоких частотах конденсаторы большой ёмкости совсем не являются коротким замыканием, а имеют заметный индуктивный импеданс. Поэтому такая экономия может привести к тому, что на десятках мегагерц (выше резонансной частоты С1, которая окажется невелика, поскольку это конденсатор большой ёмкости) заметно снизится подавление синфазного тока, протекающего на корпус.

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

Отсутствие С2, С3 может быть допустимо, но только если выполняются все три следующих условия сразу: сеть двухпроводная, корпус блока питания не имеет контакта с корпусами питаемых устройств (пластмассовый, например), силовой транзистор установлен не на теплоотводе-корпусе. Если хотя бы одно из условий нарушено, С2 и С3 должны быть.

Установка перемычек вместо основного развязывающего дросселя L1 редко, но всё же встречается в дешёвых источниках плохих производителей. Экономят, видимо. Лечится это установкой нормального дросселя. В крайнем случае такой дроссель можно сделать, намотав сетевой шнур на большом ферритовом магнитопроводе.

Перемычка вместо L2 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 без него можно обойтись и в трёхпроводной. Увы, нет, поскольку это открывает прямую дорогу в сеть для синфазных помех (и помех из сети на корпус). Исправляется установкой L2 в разрыв провода между разъёмом сети и платой. На худой конец допустим внешний дроссель на сетевом шнуре.

В завершение рассмотрим частую ошибку, которая относится не только к импульсным, но и ко всем блокам питания. Нередко слева (по рис. 1) от L1 устанавливают дополнительные конденсаторы, как показано на рис. 2. Они должны блокировать чужие помехи, идущие из сети в источник питания. Конденсатор С1 блокирует дифференциальные помехи и нам не мешает. А вот конденсаторы С2 и С3, замыкающие синфазные помехи в сетевых проводах на земляной провод, могут стать причиной соединения по ВЧ корпуса устройства и силовых (фазы и нуля) проводов сети. Это произойдёт, если среднюю точку С2 и С3 соединить с корпусом устройства, как показано штриховой линией красного цвета на рис. 2. Делать так нельзя (хотя печально, часто именно так и подключают). ВЧ синфазные помехи из сети пойдут через С2 и С3 на корпус устройства. И назад: синфазные токи устройства (например, трансивера с антенной) потекут в сеть. Правильное подключение средней точки С2 и С3 должно быть только к выводу заземления трёхпроводной розетки, но не к корпусу устройства, т. е. к левому выводу дросселя L2, как показано линией зелёного цвета на рис. 2.

Рис. 2. Схема блока питания

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, так как это прямая дорога для ВЧ синфазных токов из сети в ваше устройство и назад.

А если сеть трёхпроводная, то установите дроссель L2 между корпусом своего устройства и землёй сети (он разорвёт путь для синфазных токов между ними), а среднюю точку входных конденсаторов (С2, С3 по рис. 2) переместите на землю сети.

Сетевой фильтр, показанный на рис. 2 с конденсаторами С1-С3, является общим случаем для питания любых устройств, генерирующих радиочастотные помехи, например КВ-передатчиков.

Автор: Игорь Гончаренко (DL2KQ), г. Бонн, Германия

Подавление помех от импульсных источников питания — R3RTambov

В основном импульсные блоки питания создают электромагнитную, так называемую, «пелену» помех в полосе частот от 1 до 100 МГц. В эту «пелену» попадают все КВ-диапазоны и начало УКВ. Осложняется это ещё и тем, что количество таких блоков исчисляется порой десятками в одной квартире (компьютеры, мониторы, освещение, различные зарядные устройства и т. п.) и сотнями в одном доме — в ближней зоне КВ антенны любительской радиостанции.

Рис. 1. Схема импульсного блока питания

Рассмотрим теперь ошибки, допускаемые в фильтрации помех импульсных источников.

Рис. 2. Схема блока питания

И. Гончаренко DL2KQ

73!

Помехи от AC/DC- и DC/DC-преобразователей, источники и борьба

Введение

При сертификационных испытаниях готового изделия нередко возникают проблемы при испытаниях на электромагнитную совместимость (ЭМС). Найти быстрое и безболезненное решение этих проблем для готового изделия далеко не всегда возможно. Следовательно, лучше уже на этапе разработки принять все возможные меры по удовлетворению требований стандартов.

Одним из главных источников помех являются DC/DC- и AC/DC-преобразователи. Существует несколько способов уменьшения коммутационных помех, создаваемых преобразователем. К ним относятся: применение помехоподавляющих компонентов, увеличение длительности фронтов коммутации силовых ключей, использование топологии силовых каскадов с аккумулированием энергии индуктивности рассеяния трансформаторов, оптимальная топология печатной платы.

Требования к ЭМС задаются стандартами CISPR (Международный специальный комитет по радиопомехам) и EN (Европейские нормы). Электронное оборудование, как правило, подпадает под действие стандартов EN 55022/CISPR 22 и EN 55032/CISPR 32, которым соответствуют российские стандарты ГОСТ 30805.22–2013 [1] и ГОСТ CISPR 32–2015 [2]. На рис. 1 в качестве примера приведены нормируемые уровни кондуктивных помех в стандарте ГОСТ 30805.22–2013 (CISPR 22:2006) для оборудования классов А (рис. 1а) и Б (рис. 1б).

Рис. 1. Уровни кондуктивных помех в стандарте ГОСТ 30805.222013 (CISPR 22:2006) для оборудования классов А и Б

При испытаниях необходимо изолировать испытываемую схему от сети. С этой целью используется эквивалент сети LISN, который стабилизирует полное сопротивление сети и «отрезает» испытываемый прибор от помех и нестабильности импеданса сети. Электрическая схема испытаний показана на рис. 2. Как видно из рисунка, схема LISN, по сути, представляет собой П-фильтр. Величина индуктивности 50 мкГн характерна для индуктивности сети.

Рис. 2. Электрическая схема испытаний на ЭМС

Дифференциальные и синфазные шумы и помехи

Создаваемые преобразователем помехи удобно разделить на дифференциальные и синфазные. Соответственно и токи, которые создают эти помехи, также разделяются на дифференциальные и синфазные. На рис. 3 упрощенно показаны понижающий и повышающий DC/DC-преобразователи и токи, образующие дифференциальные и синфазные помехи. Контуры дифференциальных токов IDM выделены синим цветом, а синфазных токов ICM — красным. Синфазные токи протекают через паразитные емкости между силовыми шинами питания и земли преобразователей.

Рис. 3. Токи дифференциальных и синфазных помех в
а) понижающих;
б) повышающих преобразователях

Дифференциальные токи помех образуются при коммутации силовых ключей. Они протекают по силовым шинам питания L1 и земли L2. Генерируемые этими токами помехи тем больше, чем больше скорость изменения тока dI/dt и меньше импеданс контура. Источником этих помех является и несинусоидальная форма тока, порождающая высшие гармоники. Эти помехи отчасти ослабляются входным конденсатором CIN, но эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) и эквивалентное последовательное сопротивление ESR конденсатора не позволяют полностью избавиться от этих помех.

Токи синфазных помех протекают через паразитные емкости между линиями L1, L2 и землей. Их величина тем больше, чем больше скорость изменения напряжения dV/dt. В случае неизолированного преобразователя величина синфазных токов, главным образом, зависит от dV/dt в узле переключения преобразователя.

Паразитные емкости в этом случае определяются, в основном, емкостями между корпусом прибора, металлическим корпусом силового ключа и между корпусом теплоотвода. Паразитные емкости могут образоваться между жгутом сетевых проводов, идущих от входного разъема к плате с преобразователем, и корпусом прибора. Синфазные токи помех обычно значительно меньше дифференциальных, но площадь контура, по которому протекают токи синфазных помех, больше. Фактически этот контур представляет собой антенну, и потому справиться с этими токами сложнее.

На рис. 4 показаны контуры дифференциальных и синфазных токов помех для изолированного преобразователя. Синфазный ток протекает через межобмоточную емкость преобразователя C_PS, а путь обратного тока образуется через паразитную емкость между вторичной стороной и корпусом прибора.

Рис. 4.
а) контур синфазного тока в изолированном преобразователе;
б) эквивалентная схема контура синфазного тока

Эквивалентная схема контура синфазного тока показана на рис. 4б. Заметим, что на рис. 4 показана упрощенная схема. В ней не учтены емкости силовых MOSFET и выпрямительных диодов, емкость дросселя выходного фильтра. Столь строгое разделение помех на дифференциальные и синфазные несколько условно, хотя и значительно упрощает анализ. Например, дифференциальные помехи из-за несимметричности линий могут переходить в синфазные.

Рис. 5. Эквивалентная электрическая схема распространения и измерения помех

Эквивалентная электрическая схема распространения и измерения помех показана на рис. 5. Схема состоит из трех частей: источник помех с выходными импедансами Z_S1, Z_S2, Z_SС; линия распространения помех с импедансами Z_P1, Z_P2, Z_PС и приемник помех LISN с 50‑Ом сопротивлениями, по падению напряжения на которых и измеряются помехи. Величина дифференциальной помехи определяется из выражения:

Величина синфазной помехи вычисляется из соотношения:

Разделение помехи на синфазную и дифференциальную составляющие необходимо для того, чтобы скорректировать схему, в частности для построения фильтра электромагнитных помех — ЭМП-фильтра. Простой пример схемной реализации упомянутых выше выражений показан на рис. 6. Для реализации этой схемы следует выбрать широкополосный трансформатор. В противном случае результаты будут искажены. Подобные трансформаторы выпускаются несколькими компаниями, например Coilcraft и Bourns.

Рис. 6. Схема измерения синфазных и дифференциальных помех

Поскольку импеданс источника и линии передачи синфазного шума носит явно выраженный емкостной характер, с увеличением частоты он уменьшается. Импеданс источника дифференциального шума имеет резистивный или индуктивной характер и возрастает при увеличении частоты. Для уменьшения шума требуется либо уменьшить его величину в источнике шума, либо увеличить импеданс линии распространения шума с помощью фильтров или других шумоподавляющих компонентов, например ферритовых бусин. Для уменьшения синфазного шума необходимо также уменьшить величину dV/dt в узле переключения преобразователя.

Традиционный способ подавления помех во входной цепи преобразователя заключается в использовании пассивных фильтров. Желательно установить эти фильтры в цепи переменного тока, но если такая возможность отсутствует, следует установить их в цепи выпрямленного напряжения. Заметим, что при установке пассивного фильтра в цепь постоянного напряжения магнитные сердечники дросселя не перемагничиваются по полной петле гистерезиса, и потому следует выбирать дроссели с запасом по току насыщения.

На рис. 7а показан пример фильтра, в котором совмещены фильтры дифференциальных и синфазных помех. На рисунках 7б–в из этого фильтра вычленены цепи фильтрации дифференциальных помех (рис. 7б) и цепи фильтрации синфазных помех (рис. 7в). Помимо компонентов для фильтрации помех в этой схеме присутствует выпрямительный мост, установленный за ним сглаживающий конденсатор C_IN и ограничитель перенапряжения D₁.

Рис. 7. Пассивный ЭМП-фильтр синфазных и дифференциальных помех

Дроссели L_CM представляют собой две магнитосвязанные обмотки на одном сердечнике. Учитывая, что токи синфазных помех в линиях L1 и L2 текут в одном направлении, обмотки включены согласно, чтобы магнитные потоки от этих токов суммировались и индуктивность дросселя возрастала. При малых дифференциальных помехах в качестве дросселей L_DM можно использовать индуктивность рассеяния дросселей L_CM. В этом случае дроссели L_DM не должны быть экранированными. Если дифференциальные помехи велики, лучше использовать дискретные дроссели L_DM.

Конденсаторы C_X1 и C_X2 принадлежат фильтру дифференциальных помех, а C_Y1 и C_Y2 — фильтру синфазных помех. В ЭМП-фильтрах должны использоваться специальные помехоподавляющие конденсаторы, которые разделяются на классы X и Y. Конденсаторы класса X включаются между фазами или между фазой и нулем. В рассматриваемом примере (рис. 5) они включены между линиями L₁ и L₂. Конденсаторы класса Y включаются между фазами и корпусом. В примере на рис. 5 они включены между линиями L₁, L₂ и корпусом.

Конденсаторы класса X делятся на два подкласса – X1 и X2. Конденсаторы подкласса X1 используются в трехфазных цепях. Их рабочее напряжение составляет 400–630 В. Они должны выдерживать всплески напряжения до 4 кВ. Конденсаторы подкласса X2 применяются в однофазных цепях. Их рабочее напряжение обычно не превышает 300–310 В, и они должны выдерживать всплески напряжения до 2,5 кВ.

Конденсаторы класса Y делятся на три подкласса – Y1, Y2 и Y4. Рабочее напряжение обоих подклассов не превышает 500 В. Конденсаторы подкласса 1 должны выдерживать всплески перенапряжения до 5 кВ, а подкласса 2 – до 8 кВ. К конденсаторам подкласса Y4 требования значительно ниже. Их рабочее напряжение не превышает 150 В, и они должны выдерживать всплески напряжения до 2,5 кВ [3].

При разработке топологии печатной платы необходимо выявить цепи, генерирующие помехи. К таковым относятся проводники с высокой скоростью изменения токов и напряжений. На рис. 8 показан выходной силовой каскады синхронного понижающего преобразователя без учета паразитных индуктивностей.

Рис. 8. Выходной силовой каскад синхронного понижающего преобразователя без учета паразитных индуктивностей

Красным фоном на рис. 8 выделена область, которую образует контур из силовых ключей и входного конденсатора. Поскольку в этой области протекают силовые токи, пульсирующие с частотой коммутации ключей, иногда ее называют горячей областью. Контуры, в которых протекает ток затвора, обозначены цифрами 2 и 3. В контур затвора верхнего силового ключа также включена бутстрепная цепь из резистора R_BOOT, конденсатора C_BOOT, диода D_BOOT.

На рис. 9 показан этот же преобразователь, но с учетом всех паразитных индуктивностей проводников, выводов корпусов микросхем, ключей и емкости силовых ключей. Красным цветом на рис. 9 выделены токи, протекающие в цепи затворов силовых ключей. Синим цветом выделены силовые контуры, а стрелками зеленого цвета обозначены узлы с высокой скоростью изменения напряжения dV/dt.

Рис. 9. Выходной силовой каскад синхронного понижающего преобразователя с учетом паразитных индуктивностей

Помехи появляются из-за высокой скорости изменения напряжений или токов и распространяются посредством электрического или магнитного поля, соответственно. Они трансформируются в кондуктивные и в радиопомехи. Топология печатной платы определяет площадь и конфигурацию описанных выше контуров, а, следовательно, и уровень излучаемых помех.

Суммарная индуктивность горячей области (область 1 на рис. 8) определяется следующим соотношением:

L_LOOP = L_PCB1 + L_PCB2 + L_D1INT + L_D2EXT + L_D2INT + L_S2INT + L_S2EXT + L_CIN,

где L_D — суммарная индуктивность контура; L_LOOP, L_PCB1 и L_PCB2 — индуктивности проводников печатной платы; L_D1INT и L_D2EXT — индуктивности стока, соответственно, внутри кристалла и внешнего вывода; L_S2INT + L_S2EXT — индуктивность истока, соответственно, внутри кристалла и внешнего вывода; L_CIN — эквивалентная последовательная индуктивность входного конденсатора C_IN.

Заметим, что в состав индуктивности контура затвора входит индуктивность истока верхнего ключа Q₁. На ней в процессе замыкания ключа Q₁ при нарастании тока индуцируется напряжение обратной полярности по отношению к напряжению управления затвором. Таким образом, напряжение, появляющееся на индуктивности истока, препятствует росту напряжения затвора, затягивает открытие ключа и увеличивает коммутационные потери.

Для уменьшения индуктивности необходимо не только уменьшить цепи, выделенные на рис. 8–9, но и путь обратного тока через слой земли. Этот слой не должен иметь существенных разрывов и прорезей, удлиняющих путь обратного тока.

Входная C_ISS, выходная C_OSS емкости и емкость обратной связи C_RSS определяются следующими соотношениями:

C_ISS = C_GS + C_GD,

C_OSS = C_DS + C_GD,

C_RSS = C_GD,

где C_GS — емкость затвор–исток; C_GD — емкость затвор–сток; C_DS — емкость сток–исток.

Значительное влияние на коммутацию оказывает процесс восстановления обратной характеристики диода D_B1, следствием которого являются всплески тока на ключе Q₁ в процессе открытия. Эти всплески схожи с всплесками тока при заряде емкости C_OSS2, поэтому эффект от их действия часто оценивается в совокупности. Шумы и помехи, создаваемые преобразователем, удобно разделить на три составляющие, как показано в таблице.

Таблица. Типы шумов и помех преобразователя
Вид шума и помех	Преобладающий источник шума и помех	Частотный диапазон	Вид помех
низкочастотные помехи	гармоники частоты коммутации	150 кГц…50 МГц	кондуктивные
широкополосные помехи	звон при замыкании/ размыкании силовых ключей	50–200 МГц	кондуктивные и радиопомехи
высокочастотные помехи	восстановление обратной характеристики диода	свыше 200 МГц	радиопомехи

Однако даже в случае идеального переключения без упомянутых выше помех преобразователи создают шум из-за несинусоидальной формы токов и напряжений. Учитывая, что производители ЭМП-фильтров приводят ослабление фильтра на разных частотах, для корректного выбора ЭМП-фильтров желательно хотя бы в первом приближении оценить гармонический состав помех преобразователя в зоне низкочастотных помех (см. табл.).

Рис. 10. Гармонический состав идеального импульса напряжения в узле переключения

На рис. 10 слева показан импульс напряжения при идеальной коммутации без «звона» и «хвостов». Справа на рис. 10 показаны огибающие гармоник при разложении импульса напряжения в ряд Фурье. Амплитуда k-й гармоники вычисляется по формуле:

где A_k — амплитуда гармоники; k — номер гармоники; t_R = t_F — длительность фронта нарастания и спада импульса напряжения; T_SW — период следования импульсов; D = t₁/(T_SW – t₁) — длительность импульса на уровне 0,5.

Индуктивность L_LOOP контура вызывает дополнительные выбросы на фронтах импульса коммутации, которые приводят к увеличению помех в диапазоне 50–200 МГц. Уменьшение площади петли приводит и к уменьшению индуктивности. Кроме того, следует учесть, что петля создает не только кондуктивные помехи, но также является излучающей антенной. Для минимизации излучения используется земляной слой, экранирующий петлю.

Следует также иметь в виду возможность резонанса в цепи, состоящей из входного конденсатора C_IN и выходного фильтра. Этот резонансный контур может возникнуть из-за паразитной емкости дросселя выходного фильтра. Следовательно, при подборе дросселя фильтра выбирается дроссель с минимальной эквивалентной параллельной емкостью, т. е. с максимальным значением собственной резонансной частоты SFR.

При выборе конденсатора C_IN при прочих равных условиях следует отдать предпочтение конденсатору с большей частотой SFR. В этом случае резонансная частота контура станет очень большой, достигнув многих сотен МГц или ГГц. При такой частоте в значительной степени проявится поверхностный эффект в проводниках, что приведет к увеличению их сопротивления, следовательно, к возрастанию коэффициента демпфирования и подавления колебаний.

Рассмотрим подробнее процессы в узле коммутации преобразователя. На рис. 10 мы оценили низкочастотные помехи (см. табл.), возникающие из-за несинусоидальной формы напряжения в узле коммутации. При этом мы пренебрегли звоном на фронтах, возникающим из-за паразитных резонансных контуров. На рис. 11 во всех подробностях показан импульс напряжения в узле коммутации. Звон на фронтах зависит от паразитных элементов. При правильно разработанной топологии длительность переходного колебательного процесса не превышает одного–двух периодов. Заметим, что при определении коэффициента демпфирования β в состав R_LOOP входит также сопротивление открытого канала силового ключа R_DS(ON).

Рис. 11. Форма импульса напряжения в узле переключения с учетом паразитных контуров

Колебания (звон) на фронтах возникают в паразитном резонансном контуре, образованном индуктивностью петли L_LOOP и емкостями силовых ключей. На рис. 11 справа приведены упрощенные эквивалентные схемы этих паразитных контуров для отрезков времени, когда силовые ключи Q₁ и Q₂ замкнуты. В первом приближении величину паразитной индуктивности можно определить из соотношения:

Нормативные требования к радиопомехам и условия их измерения приведены в [4]. Для уменьшения радиопомех требуется прибегнуть к тем же средствам, что и к описанным ранее для уменьшения кондуктивных помех. Как бы то ни было, для уменьшения излучаемых помех применяется специфическое средство – клетка Фарадея или, как принято чаще говорить, экранирование с помощью слоев земли на печатной плате

Рис. 12. Экранирование четырехслойной печатной платы двумя заземляющими слоями

На рис. 12 [5] приведен вариант экранирования четырехслойной печатной платы двумя заземляющими слоями, а на рис. 13 показаны результаты измерения радиопомех для такого экранирования. На этом же рисунке показаны максимально допустимые уровни излучаемых помех по стандарту CISPR 22 (ГОСТ 30805.22–2013). Как видно из рисунка, максимальная амплитуда излучаемых помех составила 28,5 дБмкВ/м.

Рис. 13. Результаты измерения радиопомех для экранирования, показанного на рис. 12

Эффективность экранирования зависит от формы экрана. Например, при разрыве в экранирующих земляных слоях максимальный уровень помех составил уже 33,5 дБмкВ/м, тогда как при полном отсутствии экрана уровень помех немногим увеличился и составил 34 дБмкВ/м.

В качестве практического примера выберем для рассмотрения неизолированный понижающий DC/DC-преобразователь. Преобразователь этого типа наиболее часто встречается на практике. Его упрощенная схема показана на рис. 14. Красным цветом на рис. 14 выделен контур с высокой скоростью изменения тока di/dt, протекающего через силовые ключи Q₁ и Q₂. Синим цветом на этом же рисунке выделен контур с высокой скоростью изменения тока di/dt драйверов затворов. И, наконец, в проводнике, отмеченном малиновым цветом, скорость изменения напряжения dv/dt тоже высока.

Рис. 14. Упрощенная схема неизолированного понижающего DC/DCпреобразователя

Для минимизации помех необходимо уменьшить площадь упомянутых контуров и длину проводника с высоким значением dv/dt. Вернемся к рисунку 11; на нем показаны эквивалентные схемы контуров при открытом и закрытом состоянии ключа Q1, которые представляют собой последовательные резонансные цепи, а также показан импульс напряжения в точке коммутации SW. Колебания (звон) на фронтах обусловлены колебательным переходным процессом в контурах.

Колебания возникают при выполнении условия β<1, где β = R_LOOP/2L_LOOP; R_LOOP и L_LOOP – соответственно, сопротивление и индуктивность контура.

Чем лучше выполняется неравенство, тем больше проявляется колебательный процесс и тем ближе частота колебания к резонансной частоте контура. Таким образом, необходимо максимально уменьшить индуктивность рассеяния контура, для чего следует минимизировать его площадь. При этом уменьшится и сопротивление контура, но его величина ограничена снизу сопротивлением открытого канала ключа R_DS(ON), выходным сопротивлением источника V_IN, в состав которого входит и эквивалентное последовательное сопротивление ESR входного сглаживающего конденсатора C_IN, и сопротивлением проводников печатной платы. Причем последнее вызвано в основном поверхностным эффектом, т. е. это сопротивление возрастает с увеличением частоты. Учитывая, что при уменьшении индуктивности увеличивается резонансная частота, возрастет и сопротивление проводников из-за поверхностного эффекта. Следовательно, увеличится и коэффициент демпфирования β.

Необходимо сказать несколько слов о сглаживающем конденсаторе C_IN. Это как раз тот случай, суть которого можно описать известным выражением «наши достоинства – продолжение наших недостатков». Эквивалентное последовательное сопротивление этого конденсатора позволяет увеличить сопротивление контура и, следовательно, коэффициент демпфирования β. Как это ни парадоксально звучит, но из практики известны случаи, когда использование отличных конденсаторов с малым ESR в шине постоянного тока приводило к явно выраженному колебательному переходному процессу при резком изменении нагрузки DC/DC-преобразователя. Мы не призываем использовать плохие электролитические конденсаторы, но это обстоятельство следует иметь в виду, особенно если используются ключи с малым сопротивлением R_DS(ON).

Отдельно стоит рассмотреть выбор дросселя сглаживающего фильтра. Не стоит экономить на дросселях — следует выбирать дроссели, предназначенные для использования в сглаживающих фильтрах импульсных преобразователей. При возможности применяются дроссели с минимальным числом слоев обмотки, но в этом случае увеличиваются габариты устройства – увеличивается высота сердечника. Из известных производителей дросселей, присутствующих на отечественном рынке, упомянем Bourns, Coilcraft, TDK Epcos, Wurth.

При подключении дросселя начало его обмотки (помеченное точкой на корпусе) должно соединяться с узлом коммутации SW (рис. 11). В этом случае уменьшаются электромагнитные помехи, излучаемые дросселем. Для уменьшения этих помех также выбирается полуэкранированный или полностью экранированный дроссель. В обоих случаях уменьшается поле рассеяния и, следовательно, величина излучаемых помех. Однако следует учитывать, что в полуэкранированных дросселях уменьшается ток насыщения по сравнению с неэкранированными аналогами. Еще в большей мере этот эффект выражен в полностью экранированных дросселях, что также приводит к увеличению габарита дросселей.

Существует немало рекомендаций по выбору компонентов и топологии печатных плат с импульсными преобразователями. Многие из них сводятся к уменьшению площади силовых контуров. Не будем повторять их все, но приведем некоторые, наиболее важные на взгляд автора:

Все элементы силового каскада, составляющие «горячие» контуры (рис. 14), должны располагаться на верхней стороне печатной платы.
Байпасные конденсаторы следует располагать как можно ближе к соответствующим выводам питания; другая обкладка этих конденсаторов должна подключаться к «своей» земле до объединения земель.
Желательно экранировать бутстрепный конденсатор и узел коммутации SW медными проводниками.
Слой земли следует располагать как можно ближе к верхнему слою, на котором находятся все элементы силового каскада, составляющие «горячие» контуры.
Компоненты ЭМП-фильтра не следует устанавливать рядом с узлом коммутации SW. Если нет возможности разместить их на расстоянии хотя бы 7–10 мм, лучше расположить их на другой стороне печатной платы.
Паразитные емкости проводников, в т. ч. проводников возвратного тока, соединяющих компоненты ЭМП-фильтра должны быть минимальными, т. к. они могут изменить АЧХ фильтра.
Если крутизна фронтов при переключении силовых ключей составляет несколько наносекунд, начинают сказываться паразитные параметры корпуса DC/DC-преобразователя.

К настоящему времени разработаны и производятся специальные корпуса с меньшей паразитной индуктивностью. На рис. 15 показан переходный процесс при коммутации в стандартном корпусе QFN и в специально разработанном корпусе HotRod FCOL с пониженной паразитной индуктивностью. Как видно из рисунка, в корпусе HotRod FCOL переходный колебательный процесс практически отсутствует.

Рис. 15.
а) переходный процесс при коммутации в стандартном корпусе QFN;
б) в специально разработанном корпусе HotRod FCOL

Схема многокаскадного ЭМП-фильтра показана на рис. 16. Дифференциальный фильтр состоит из двух каскадов. Первый, высокочастотный каскад, используется для подавления сигналов высокой частоты в районе 100 МГц. Вполне возможно, что не удастся подобрать требуемый дроссель для этого каскада. В таком случае в качестве индуктивности L_FB можно использовать ферритовую бусину.

Рис. 16. Схема многокаскадного ЭМП-фильтра

Однако следует учитывать, что параметры ферритовой бусины нормируются лишь в определенном диапазоне частот, в котором она хорошо работает в качестве фильтра. Таким образом, требуется второй фильтр низкой частоты с дросселем L_DM и электролитическим конденсатором C_BULK. Эквивалентное последовательное сопротивление последнего достаточно велико, но в данном случае это достоинство, а не недостаток, т. к. ESR увеличивает коэффициент демпфирования β и предотвращает возникновение колебательных переходных процессов, т. е. повышает устойчивость системы.

Фильтр синфазного сигнала с дросселем L_СM ослабляет синфазный сигнал, а его индуктивность рассеяния дополнительно ослабляет дифференциальный сигнал. Однако, к сожалению, его использование невозможно в системах, где по той или иной причине нельзя подключить корпус фильтра к земляной шине.

Еще один способ уменьшить электромагнитные помехи заключается в уменьшении крутизны фронта переключения силовых ключей. При увеличении длительности фронта импульса ни собственная частота колебательного звена, ни коэффициент демпфирования не меняются, но амплитуда колебательных переходных процессов уменьшается. Это обстоятельство используется и при мягком старте преобразователей. Уменьшение крутизны фронта — не самое лучшее решение, т. к. при этом возрастают потери на коммутацию, но иногда оно единственно возможное решение, позволяющее соблюсти требования стандартов ЭМС.

Для уменьшения крутизны фронта силового ключа верхнего плеча можно либо последовательно бутстрепному конденсатору включить небольшой, не более 10 Ом, резистор, либо ввести резистор в цепь затвора ключа. Последнее решение показано на рис. 17. В этом универсальном варианте драйвер затвора имеет тотемный выход; при этом сток и исток выходного каскада объединяются не внутри микросхемы, а подсоединены к внешним выводам, что позволяет использовать разные по величине резисторы в цепи затвора при закрытии и открытии ключа.

Рис. 17. Введение резисторов в цепь затвора силового ключа

Если схему с отдельными резисторами в цепи затвора реализовать невозможно, используется один резистор. Иногда его шунтируют диодом так, чтобы исключить этот резистор из цепи затвора при запирании ключа.

В статье были описаны синфазные и дифференциальные кондуктивные электромагнитные помехи, создаваемые AC/DC- и DC/DC-преобразователями, рассмотрено влияние паразитных параметров на формирование электромагнитных помех. Были также показаны механизмы их формирования, позволяющие принять меры для снижения уровня помех на стадии проектирования. Все приведенные соображения и рекомендации распространяются только на устройства, установленные на печатные платы. В заключительной части статьи рассмаотрены методы, позволяющие уменьшить электромагнитные помехи.

Литература

 ГОСТ 30805.22–2013 (CISPR 22:2006). Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование информационных технологий. Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений.
 ГОСТ CISPR 32–2015. Электромагнитная совместимость оборудования мультимедиа. Требования к электромагнитной эмиссии.
 ГОСТ IEC 60384–14–2015. Конденсаторы постоянной емкости для электронной аппаратуры. Часть 14. Групповые технические условия: Конденсаторы постоянной емкости для подавления радиопомех и подключения к питающей магистрали.
 The Engineer’s Guide to EMI in DCDC Converters (Part 4): Radiated Emissions.
 Low Radiated EMI Layout Made SIMPLE with LM4360x and LM4600x.

Способы устранения помех в импульсных блоках питания

Импульсные блоки питания (ИБП), построенные на основе преобразователей постоянного (выпрямленного сетевого) напряжения в переменное, генерируют нежелательные помехи. На коллекторах (стоках) силовых ключей контролеров ИБП присутствует напряжение, близкое по форме к прямоугольному, размахом, достигающим 600…700В. Кроме того, в ИБП существуют замкнутые цепи, по которым циркулируют импульсные токи с достаточно крутыми фронтами и спадами (0,1… 1 мкс) и амплитудой до 3…5А и более.

Поэтому ИБП служит источником интенсивных помех, спектр которых простирается от 16…20 кГц до десятков мегагерц. Эти помехи распространяются в питающую сеть переменного тока и в нагрузку блока питания, создавая интерференционные полосы на экранах телевизоров, мониторов, снижая отношение сигнал-шум в трактах записи-воспроизведения видеозаписывающей аппаратуры и т.д. Величина этих паразитных сигналов зависит от частоты преобразования, качества входных и выходных фильтрующих цепей, а на частотах свыше 1 МГц — от конструкции и монтажной схемы преобразователя.

Вообще говоря, ШИМ-преобразователи, которые работают с постоянной частотой переключений, генерируют помехи в известной полосе частот, что облегчает задачу их подавления и является одной из причин их широкого применения в схемах импульсных БП бытовой техники.

Однако, импульсные блоки питания, независимо от типа применяемого ШИМ-преобразователя, должны быть оснащены схемами подавления двух основных видов помех. Этими помехами являются входная несимметричная (дифференциальная) и входная симметричная (синфазная) помехи.

Механизмы возникновения, распространения и методы борьбы в импульсных блоках питания с данными помехами рассмотрим на примере соответствующих эквивалентных схем преобразователей.

Рис.1 Возникновение несимметричной помехи

Входная несимметричная помеха является шумовым током, протекание которого обусловлено разностью напряжений Vin между двумя входными проводниками (рис. 1). Ключевой транзистор преобразователя представлен на рисунке в виде переключателя Fs, который последовательно включается и выключается с частотой пдэекточения преобразователя. Нагрузка изображена в виде переменного резистора R_L, сопротивление которого изменяется в зависимости от тока нагрузки. Пассивные элементы L и С соответствуют входному фильтру, встроенному в преобразователь. Кроме того, практически все преобразователи оснащены входным конденсатором Cь, а некоторые также имеют, по крайней мере, небольшую последовательную индуктивность (дроссель), учитываемую в импедансе источника Zs (в Zs также учтена собственная индуктивность сглаживающего электролитического конденсатора сетевого выпрямителя).

Эффективное подавление несимметричной помехи достигается посредством шунтирующего действия конденсатора Сь, который должен иметь высокое качество и характеризоваться малыми эквивалентными последовательными индуктивностью (ЭПИ) и сопротивлением (ЭПС) в соответствующем диапазоне частот (обычно в области частот переключения и выше). В реальных схемах Сь обычно представляет собой конденсатор постоянной емкости 0,1… 1,0 мкф, шунтирующий электролитический конденсатор сетевого выпрямителя. В выпрямителе одновременно стремятся применять высококачественные, как правило, танталовые, электролитические конденсаторы с малыми ЭПИ и ЭПС.

Рис.2 Возникновение паразитной помехи

Симметричная помеха возникает следующим образом. В преобразователе ключевой транзистор, как правило, устанавливается таким образом, чтобы обеспечивался хороший тепловой контакт между его корпусом и шасси БП (радиатором). С целью обеспечения максимальной теплопередачи толщина электрической изоляции между коллектором или стоком ключевого транзистора и шасси делается как можно меньше. В результате между стоком или коллектором транзистора и шасси образуется паразитная емкость Ср (рис.2). Когда транзисторный ключ замыкается или размыкается, возникает ток помехи, протекающий от переключателя через паразитную емкость Ср, R_L и С, а затем через заземление обратно к шасси. Этот ток довольно мал, поскольку паразитная емкость невелика (ее типичное значение меньше 10 пф). В то же время, используемый в преобразователе LC фильтр совершенно неэффективен против этого вида тока помехи, поскольку он протекает не через фильтр, а в обход его.

Симметричная помеха подавляется с помощью симметрирующего трансформатора, который представляет собой катушку индуктивности с двумя обмотками, имеющими одинаковое число витков. Она обладает высоким импедансом для симметричного тока, но практически нулевым для несимметричного.

Несимметричный ток (включающий потребляемый ток) втекает в верхнюю обмотку трансформатора и вытекает из нижней. Поскольку токи через эти обмотки равны по величине и противоположны по направлению, а число витков в обмотках одинаково, результирующий магнитный поток в сердечнике, обусловленный несимметричным током, оказывается равным нулю, хотя величина потребляемого тока может быть очень велика. Благодаря этому в симметрирующем трансформаторе обычно используют сердечник с высокой магнитной проницаемостью без воздушного зазора. Причем он имеет достаточно высокую индуктивность для симметричного тока при использовании обмоток всего в несколько витков. Значительно меньший по величине ток симметричной помехи протекает в основном через нижнюю обмотку, а также и через верхнюю в одном и том же направлении. Следовательно, симметрирующий трансформатор обладает высоким импедансом для токов симметричной помехи.

В качестве дополнительных мер подавления помех в импульсных БП применяются следующие:

уменьшение паразитных емкостных связей между цепями первичного (сетевого) напряжения и вторичными цепями; выбор оптимальных режимов переключения транзисторов и диодов, предотвращающих резкие перепады напряжения; сокращение площади контуров, охватываемых цепями, по которым протекают большие импульсные токи. Важное значение имеет конструкция импульсного трансформатора ИБП. Первичную обмотку, как правило, разбивают на две равные секции, одна из которых наматывается в первых слоях катушки, а другая — в последних. Таким образом, все остальные области располагаются между этими секциями. Кроме того, первичные и вторичные обмотки обычно разделяются внутренним экраном. Достаточно эффективным является применение общего экрана в виде короткозамкнутого витка из медной фольги, охватывающего импульсный трансформатор.

Перечисленных мер, как правило, оказывается достаточно, и поэтому в бытовой аппаратуре импульсные БП обычно применяются без экранирующих кожухов.

Рис.3 Типовая схема сетевого фильтра и выпрямителя

Некоторые из рассмотренных способов борьбы с помехами в ИБП иллюстрируются на примере типовой схемы сетевого выпрямителя (рис. 3), применяемого в конструкциях ВМ и ТВ. Конденсаторы С5…С8, установленные параллельно диодам Д1…Д4 мостового выпрямителя сетевого напряжения служат для подавления несимметричных помех. Эту же роль выполняют конденсаторы С1,2, которые симметрируют потенциалы сетевого провода относительно шасси радиоэлектронной технике.

Схема подключения УЗИП — 3 ошибки и правила монтажа. Защита от импульсных перенапряжений.

Для всех нас стало нормой, что в распределительных щитках жилых домов, обязательна установка вводных автоматических выключателей, модульных автоматов отходящих цепей, УЗО или дифф.автоматов на помещения и оборудование, где критичны возможные утечки токов (ванные комнаты, варочная панель, стиральная машинка, бойлер).

Помимо этих обязательных коммутационных аппаратов, практически никому не требуется объяснять, зачем еще нужно реле контроля напряжения.

УЗИП или реле напряжения

Устанавливать их начали все и везде. Грубо говоря оно защищает вас от того, чтобы в дом не пошло 380В вместо 220В. При этом не нужно думать, что повышенное напряжение попадает в проводку по причине недобросовестного электрика.

Вполне возможны природные явления, не зависящие от квалификации электромонтеров. Банально упало дерево и оборвало нулевой провод.

Также не забывайте, что любая ВЛ устаревает. И даже то, что к вашему дому подвели новую линию СИПом, а в доме у вас смонтировано все по правилам, не дает гарантии что все хорошо на самой питающей трансформаторной подстанции – КТП.

Там также может окислиться ноль на шинке или отгореть контакт на шпильке трансформатора. Никто от этого не застрахован.

Именно поэтому все новые электрощитки уже не собираются без УЗМ или РН различных модификаций.

Что же касается устройств для защиты от импульсных перенапряжений, или сокращенно УЗИП, то у большинства здесь появляются сомнения в необходимости их приобретения. А действительно ли они так нужны, и можно ли обойтись без них?

Подобные устройства появились достаточно давно, но до сих пор массово их устанавливать никто не спешит. Мало кто из рядовых потребителей понимает зачем они вообще нужны.

Первый вопрос, который у них возникает: ”Я же поставил реле напряжения от скачков, зачем мне еще какой-то УЗИП?”

Запомните, что УЗИП в первую очередь защищает от импульсов вызванных грозой. Здесь речь идет не о банальном повышении напряжения до 380В, а о мгновенном импульсе в несколько киловольт!

Никакое реле напряжения от этого не спасет, а скорее всего сгорит вместе со всем другим оборудованием. В то же самое время и УЗИП не защищает от малых перепадов в десятки вольт и даже в сотню.

Например устройства для монтажа в домашних щитках, собранные на варисторах, могут сработать только при достижении переменки до значений свыше 430 вольт.

Поэтому оба устройства РН и УЗИП дополняют друг друга.

Защита дома от грозы

Гроза это стихийное явление и просчитать его до сих пор не особо получается. При этом молнии вовсе не обязательно попадать прямо в линию электропередач. Достаточно ударить рядышком с ней.

Даже такой грозовой разряд вызывает повышение напряжения в сети до нескольких киловольт. Кроме выхода из строя оборудования это еще чревато и развитием пожара.

Даже когда молния ударяет относительно далеко от ВЛ, в сетях возникают импульсные скачки, которые выводят из строя электронные компоненты домашней техники. Современный электронный счетчик с его начинкой, тоже может пострадать от этого импульса.

Общая длина проводов и кабелей в частном доме или коттедже достигает нескольких километров.

Сюда входят как силовые цепи так и слаботочка:

интернет

видеонаблюдение

охранная сигнализация

Все эти провода принимают на себя последствия грозового удара. То есть, все ваши километры проводки получают гигантскую наводку, от которой не спасет никакое реле напряжения.

Единственное что поможет и защитит всю аппаратуру, стоимостью несколько сотен тысяч, это маленькая коробочка называемая УЗИП.

Монтируют их преимущественно в коттеджах, а не в квартирах многоэтажек, где подводка в дом выполнена подземным кабелем. Однако не забывайте, что если ваше ТП питается не по кабельной линии 6-10кв, а воздушной ВЛ или ВЛЗ (СИП-3), то влияние грозы на среднем напряжении, также может отразиться и на стороне 0,4кв.

Поэтому не удивляйтесь, когда в грозу в вашей многоэтажке, у многих соседей одновременно выходят из строя WiFi роутеры, радиотелефоны, телевизоры и другая электронная аппаратура.

Молния может ударить в ЛЭП за несколько километров от вашего дома, а импульс все равно прилетит к вам в розетку. Поэтому не смотря на их стоимость, задуматься о покупке УЗИП нужно всем потребителям электричества.

Цена качественных моделей от Шнайдер Электрик или ABB составляет примерно 2-5% от общей стоимости черновой электрики и средней комплектации распредщитка. В общей сумме это вовсе не такие огромные деньги.

На сегодняшний день все устройства от импульсных перенапряжений делятся на три класса. И каждый из них выполняет свою роль.
Модуль первого класса гасит основной импульс, он устанавливается на главном вводном щите.
После погашения самого большого перенапряжения, остаточный импульс принимает на себя УЗИП 2 класса. Он монтируется в распределительном щитке дома.
Если у вас не будет устройства I класса, высока вероятность что весь удар воспримет на себя модуль II. А это может для него весьма печально закончится.
Поэтому некоторые электрики даже отговаривают заказчиков ставить импульсную защиту. Мотивируя это тем, что раз вы не можете обеспечить первый уровень, то не стоит вообще на это тратить денег. Толку не будет.
Однако давайте посмотрим, что говорит об этом не знакомый электрик, а ведущая фирма по системам грозозащиты Citel:
То есть в тексте прямо сказано, класс II монтируется либо после класса 1, либо КАК САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО.
Третий модуль защищает уже непосредственно конкретного потребителя.
Если у вас нет желания выстраивать всю эту трехступенчатую защиту, приобретайте УЗИП, которые изначально идут с расчетом работы в трех зонах 1+2+3 или 2+3.
Такие модели тоже выпускаются. И будут наиболее универсальным решением для применения в частных домах. Однако стоимость их конечно отпугнет многих.
Схема электрощита с УЗИП
Схема качественно укомплектованного с точки зрения защиты от всех скачков и перепадов напряжения распределительного щита, должна выглядеть примерно следующим образом.
На вводе перед счетчиком — вводной автоматический выключатель, защищающий прибор учета и цепи внутри самого щитка. Далее счетчик.
Между счетчиком и вводным автоматом — УЗИП со своей защитой. Электроснабжающая организация конечно может запретить такой монтаж. Но вы можете обосновать это необходимостью защиты от перенапряжения и самого счетчика.
В этом случае потребуется смонтировать всю схемку с аппаратами в отдельном боксе под пломбой, дабы предотвратить свободный доступ к оголенным токоведущим частям до прибора учета.
Однако здесь остро встанет вопрос замены сработавшего модуля и срыва пломб. Поэтому согласовывайте все эти моменты заранее.
После прибора учета находятся:
реле напряжения УЗМ-51 или аналог
УЗО 100-300мА – защита от пожара
УЗО или дифф.автоматы 10-30мА – защита человека от токов утечки
простые модульные автоматы
Если с привычными компонентами при комплектации такого щитка вопросов не возникает, то на что же нужно обратить внимание при выборе УЗИП?
На температуру эксплуатации. Большинство электронных видов рассчитано на работу при окружающей температуре до -25С. Поэтому монтировать их в уличных щитках не рекомендуется.
Второй важный момент это схемы подключения. Производители могут выпускать разные модели для применения в различных системах заземления.
Например, использовать одни и те же УЗИП для систем TN-C или TT и TN-S уже не получится. Корректной работы от таких устройств вы не добьетесь.
Схемы подключения
Вот основные схемы подключения УЗИП в зависимости от исполнения систем заземления на примере моделей от Schneider Electric. Схема подключения однофазного УЗИП в системе TT или TN-S:
Здесь самое главное не перепутать место подключения вставного картриджа N-PE. Если воткнете его на фазу, создадите короткое замыкание.
Схема трехфазного УЗИП в системе TT или TN-S:
Схема подключения 3-х фазного устройства в системе TN-C:
На что нужно обратить внимание? Помимо правильного подключения нулевого и фазного проводников немаловажную роль играет длина этих самых проводов.
От точки подключения в клемме устройства до заземляющей шинки, суммарная длина проводников должны быть не более 50см!
А вот подобные схемы для УЗИП от ABB OVR. Однофазный вариант:
Трехфазная схема:
Давайте пройдемся по некоторым схемкам отдельно. В схеме TN-C, где мы имеем совмещенные защитный и нулевой проводники, наиболее распространенный вариант решения защиты – установка УЗИП между фазой и землей.
Каждая фаза подключается через самостоятельное устройство и срабатывает независимо от других.
В варианте сети TN-S, где уже произошло разделение нейтрального и защитного проводника, схема похожа, однако здесь монтируется еще дополнительный модуль между нулем и землей. Фактически на него и сваливается весь основной удар.
Именно поэтому при выборе и подключении варианта УЗИП N-PE, указываются отдельные характеристики по импульсному току. И они обычно больше, чем значения по фазному.
Помимо этого не забывайте, что защита от грозы это не только правильно подобранный УЗИП. Это целый комплекс мероприятий.
Их можно использовать как с применением молниезащиты на крыше дома, так и без нее.
Особое внимание стоит уделить качественному контуру заземления. Одного уголка или штыря забитого в землю на глубину 2 метра здесь будет явно не достаточно. Хорошее сопротивление заземления должно составлять 4 Ом.
Принцип действия
Принцип действия УЗИП основан на ослаблении скачка напряжения до значения, которое выдерживают подключенные к сети приборы. Другими словами, данное устройство еще на вводе в дом сбрасывает излишки напряжения на контур заземления, тем самым спасая от губительного импульса дорогостоящее оборудование.
Определить состояние устройства защиты достаточно просто:
зеленый индикатор – модуль рабочий
красный – модуль нужно заменить
При этом не включайте в работу модуль с красным флажком. Если нет запасного, то лучше его вообще демонтировать.
УЗИП это не всегда одноразовое устройство, как некоторым кажется. В отдельных случаях модели 2,3 класса могут срабатывать до 20 раз!
Автоматы или предохранители перед УЗИП
Чтобы сохранить в доме бесперебойное электроснабжение, необходимо также установить автоматический выключатель, который будет отключать узип. Установка этого автомата обусловлена также тем, что в момент отвода импульса, возникает так называемый сопровождающий ток.
Он не всегда дает возможность варисторному модулю вернуться в закрытое положение. Фактически тот не восстанавливается после срабатывания, как по идее должен был.
В итоге, дуга внутри устройства поддерживается и приводит к короткому замыканию и разрушениям. В том числе самого устройства.
Автомат же при таком пробое срабатывает и обесточивает защитный модуль. Бесперебойное электроснабжение дома продолжается.
Запомните, что этот автомат защищает в первую очередь не разрядник, а именно вашу сеть.
При этом многие специалисты рекомендуют ставить в качестве такой защиты даже не автомат, а модульные предохранители.
Объясняется это тем, что сам автомат во время пробоя оказывается под воздействием импульсного тока. И его электромагнитные расцепители также будут под повышенным напряжением.
Это может привести к пробою отключающей катушки, подгоранию контактов и даже выходу из строя всей защиты. Фактически вы окажетесь безоружны перед возникшим КЗ.

Поэтому устанавливать УЗИП после автомата, гораздо хуже, чем после предохранителей.
Есть конечно специальные автоматические выключатели без катушек индуктивности, имеющие в своей конструкции только терморасцепители. Например Tmax XT или Formula A.
Однако рассматривать такой вариант для коттеджей не совсем рационально. Гораздо проще найти и купить модульные предохранители. При этом можно сделать выбор в пользу типа GG.
Они способны защищать во всем диапазоне сверхтоков относительно номинального. То есть, если ток вырос незначительно, GG его все равно отключит в заданный интервал времени.
Есть конечно и минус схемы с автоматом или ПК непосредственно перед УЗИП. Все мы знаем, что гроза и молния это продолжительное, а не разовое явление. И все последующие удары, могут оказаться небезопасными для вашего дома.
Защита ведь уже сработала в первый раз и автомат выбил. А вы об этом и догадываться не будете, потому как электроснабжение ваше не прерывалось.
Поэтому некоторые предпочитают ставить УЗИП сразу после вводного автомата. Чтобы при срабатывании отключалось напряжение во всем доме.
Однако и здесь есть свои подводные камни и правила. Защитный автоматический выключатель не может быть любого номинала, а выбирается согласно марки применяемого УЗИП. Вот таблица рекомендаций по выбору автоматов монтируемых перед устройствами защиты от импульсных перенапряжений:
Если вы думаете, что чем меньше по номиналу автомат будет установлен, тем надежнее будет защита, вы ошибаетесь. Импульсный ток и скачок напряжения могут быть такой величины, что они приведут к срабатыванию выключателя, еще до момента, когда УЗИП отработает.
И соответственно вы опять останетесь без защиты. Поэтому выбирайте всю защитную аппаратуру с умом и по правилам. УЗИП это тихая, но весьма своевременная защита от опасного электричества, которое включается в работу мгновенно.
Ошибки при подключении
1Самая распространенная ошибка — это установка УЗИП в электрощитовую с плохим контуром заземления.
Толку от такой защиты не будет никакого. И первое же “удачное” попадание молнии, сожгет вам как все приборы, так и саму защиту.
2Не правильное подключение исходя из системы заземления.
Проверяйте техдокументацию УЗИП и проконсультируйтесь с опытным электриком ответственным за электрохозяйство, который должен быть в курсе какая система заземления используется в вашем доме.
3Использование УЗИП не соответствующего класса.
Как уже говорилось выше, есть 3 класса импульсных защитных устройств и все они должны применяться и устанавливаться в своих щитовых.
Статьи по теме
Диодные ограничители | HomeElectronics
Всем доброго времени суток! Продолжаю рассказывать про импульсные устройства и всё, что с ними связано. В предыдущей статье я рассказывал про RC и RL цепи и как они влияют на прохождение через них различных импульсов. Сегодняшняя статья про амплитудные ограничители и фиксаторы уровня сигнала. Что же это такое и зачем они нужны?
Амплитудные ограничители. Введение
Амплитудный ограничитель представляет собой электронное устройство, которое имеет пороги ограничения, за пределами которых входной сигнал практически не изменяется и остаётся равным пороговому значению. Исходя из этого, можно выделить три типа амплитудных ограничителей:
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
ограничитель по максимуму или сверху. В данном случае сигнал на выходе устройства при превышении порогового значения тока или напряжения остаётся практически неизменным;
ограничитель по минимуму или снизу. В таком устройстве устройства остаётся неизменным при значении входного сигнала меньше некоторого порогового значения;
двухсторонний ограничитель. Такое устройство ограничивает сигнал и по максимуму и по минимуму входного сигнала.
Абсолютное большинство амплитудных ограничителей строят на основе ключевых свойств радиоэлектронных элементов, поэтому основным элементом ограничителей являются диоды или транзисторы в ключевом режиме работы. Диодные ограничители довольно простые по устройству, поэтому наиболее часто встречающиеся. Амплитудные ограничители на основе транзисторов несколько сложнее по устройству, но кроме амплитудного ограничения они позволяют усиливать сигнал, поэтому их ещё называют усилителями-ограничителями.
Различают также последовательные и параллельные ограничители. Эта их особенность зависит от способа включения ключевого элемента относительно нагрузки. Необходимо отметить, что последовательные ограничители включаются в работу, когда ключ разомкнут, а параллельные ограничители работают в режиме ограничения в случае замкнутого ключевого элемента.
Последовательные диодные ограничители
Как говорилось выше, ограничители бывают по максимуму, по минимуму и двухсторонние, которые ограничивают уровень сигнала сверху и снизу. Устройство последовательных диодных ограничителей довольно простое и оно основано на ключевом свойстве полупроводникового диода: в открытом состоянии диод пропускает электрический ток, а в закрытом – электрический ток через диод не проходит.
Последовательные диодные ограничители состоят из диода (VD1), источника смещения (E_CM) и сопротивления нагрузки (R1). Различие состоит в том, как подключен диод: в ограничителе по минимуму диод включен в прямом направлении, а в ограничителе по максимуму – в обратном направлении.
Рассмотрим принцип работы ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения U_ВХ меньше, чем напряжение смещения Е_СМ, диод VD1 будет находиться в закрытом состоянии и напряжение на выходе U_ВЫХ будет соответствовать напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит напряжение смещения, диод откроется и через него начнёт проходить электрический ток, а напряжение на выходе будет соответствовать входному напряжению.

Схема и эпюры напряжения последовательного ограничителя по минимуму.
Принцип работы ограничителя по максимуму состоит в следующем. При значении входного напряжения U_ВХ меньше напряжения смещения диод VD1 находится в открытом состоянии и напряжение на выходе U_ВЫХ будет равным напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит значение напряжения смещения, диод откроется и выходное напряжение будет равным входному напряжению.

Схема и эпюры напряжения последовательного ограничителя по максимуму.
Для ограничения сигналов сверху и снизу используются двухсторонние ограничители, которые чаще всего состоят из двух последовательно включённых односторонних ограничителей.

Схема двухстороннего последовательного ограничителя и эпюры напряжения.
Принцип работы двухстороннего ограничителя заключается в следующем. Напряжение источников смещения выбирают так, чтобы в отсутствии входного сигнала диод VD2 был открыт (Е_СМ1СМ2). Уровень ограничения напряжения по максимуму определяется напряжением смещения Е_СМ2, а уровень ограничения по минимуму – напряжением в точке соединения диодов VD1 и VD2, которое соответствует напряжению отпирания диода VD1. Диод VD1 открывается, когда напряжение на входе превышает величину напряжения Е_СМ1. При этом напряжение на выходе ограничителя примерно равно напряжению на входе, а когда входное напряжение превышает величину Е_СМ2, то диод VD2 закрывается и напряжение на выходе будет равно напряжению Е_СМ2.
Довольно часто вместо предыдущей схемы используется эквивалентная схема двухстороннего ограничителя с общим источником смещения.

Схема двухстороннего последовательного ограничителя с общим источником смещения.
Расчёт данной схемы аналогичен предыдущей, если пересчитать её параметры с помощью следующих соотношений:

[math]R_{1}= \frac {R’_{1} R’_{2}}{R’_{1}+R’_{2}}; R_{2}=\frac {R’_{3} R’_{4}}{R’_{3}+R’_{4}}[/math]
[math]E_{CM1}= \frac {E R’_{2}}{R’_{1}+R’_{2}}; E_{CM2}=\frac {E R’_{4}}{R’_{3}+R’_{4}}[/math]
Расчёт последовательных диодных ограничителей
Простейший последовательный диодной ограничитель представляет собой схему, состоящую из диода VD1, включённого последовательно с резистором R1. Данная схема в отсутствии дополнительного источника напряжения смещения Е_см является ограничителем с нулевым уровнем ограничения. Фактически данная схема представляет собой диодный ключ, вследствие конечных значений сопротивления закрытого и открытого ключа, данную схему можно преобразовать в делитель напряжения на резисторах, а выходное напряжение тогда определится по следующей формуле:

[math]U_{BbIX}= \frac {U_{BX} * R1}{R_{VD} + R1}[/math]
где U_BX – входное напряжение,
R1 – сопротивление нагрузки,
R_VD – сопротивление диода в прямом направлении.
В случае использования дополнительного источника напряжения смещения выходное напряжение определится по следующей формуле:

[math]U_{BbIX}= \frac {U_{BX} * R1 + E_{CM}R_{VD}}{R_{VD} + R1}[/math]
где Есм – напряжение смещения.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что при сопротивлении нагрузки R1 >> R_VD, то есть чем больше сопротивление нагрузки R1 по отношению к сопротивлению диода в прямом направлении, тем больше напряжение на выходе соответствует входному напряжению.
Параллельные диодные ограничители
Так же как и последовательные диодные ограничители, параллельные диодные ограничители бывают по максимуму, по минимуму и двухсторонние. Основное отличие в принципе работы параллельных ограничителей от последовательных ограничителей состоит в том, что параллельные пропускают сигнал, когда диод находится в закрытом состоянии, и ограничивают, когда диод открыт.
Параллельные диодные ограничители в основном состоят из следующих элементов: источник напряжения смещения Е_СМ служит для установки уровня ограничения, сопротивление R1 создает вместе с диодом VD1 делитель напряжения и непосредственно диод VD1 выполняет роль ключевого элемента. Различие между ограничителями сверху и снизу, как уже говорилось выше, состоит в том, как подключен диод.
Рассмотрим схему и принцип работы параллельного ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения U_ВХ меньше, чем напряжение смещения Е_СМ, диод VD1 будет находиться в открытом состоянии, а так как R1 и сопротивление диода в открытом состоянии невелико, то всё напряжение будет оставаться на сопротивлении R1, а на выходе напряжение U_ВЫХ будет равно сумме напряжений Е_СМ и падению напряжения на диоде. Как только входное напряжение превысит напряжение смещения, диод закроется и так как сопротивление диода в закрытом состоянии очень велико, то на выходе ограничителя будет напряжение равное входному напряжению.

Схема и эпюры напряжения параллельного ограничителя по минимуму.
Принцип работы параллельного ограничителя по максимуму отличается от параллельного ограничителя по минимуму только направлением включения диода. Таким образом, при входном напряжении U_ВХ меньшем напряжении смещения Е_СМ диод будет закрыт и всё входное напряжение будет приложено к нагрузке. Как только входное напряжение превысит значение равное сумме напряжения смещения и напряжения падения на диоде, то диод откроется, и напряжение на выходе останется равным сумме напряжения смещения и напряжения падения на диоде.

Схема и эпюры напряжения параллельного ограничителя по максимуму.
Как говорилось выше, существуют также двухсторонние ограничители параллельного типа, которые представляют собой последовательно соединенные параллельные ограничители по минимуму и по максимуму. По принципу работы двухсторонние ограничители аналогичны односторонним ограничителям, но в этом случае резистор R1 является общим для двух последовательно включенных ограничителей.

Схема и эпюры напряжения параллельного двухстороннего ограничителя.
Расчёт параллельных диодных ограничителей
Простейший параллельный диодный ограничитель представляет собой схему состоящую из диода VD1, включённого параллельно нагрузке и ограничительного резистора R1. В отсутствии источника напряжения смещения Е_см данная схема является амплитудным ограничителем с нулевым уровнем ограничения. Как и схема с последовательным диодом, данную схему можно представить в виде делителя напряжения на резисторах, в которой выходное напряжение будет равно:

[math]U_{BbIX}= \frac {U_{BX} R_{VD}}{R_{VD} + R1}[/math]
где U_BX – входное напряжение,
R1 – ограничительный резистор,
R_VD – сопротивление диода в обратном направлении.
В случае использования дополнительного источника напряжения смещения выходное напряжение определится по следующей формуле:

[math]U_{BbIX}=E_{CM} + \frac {U_{BX} * R_{VD}-E_{CM} * R_{VD}}{R_{VD} + R1}[/math]
где Есм – напряжение смещения.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что при сопротивлении нагрузки R1 VD, то есть чем меньше ограничительное сопротивление по отношению к сопротивлению диода в обратном направлении, тем напряжение на выходе больше соответствует входному напряжению.
Амплитудные ограничители находят самое широкое распространение в импульсных схемах и могут выполнять следующие функции:
формирование импульсов с плоской вершиной;
пропускание импульсов с определённой полярностью и амплитудой;
формирование импульсов стандартной амплитуды;
ограничение уровня сигнала для сокращения длительности фронта и среза;
фиксирование уровня сигнала для поддержание напряжения и тока на заданном уровне;
демпферирование колебаний ударного возбуждения в контурах.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
ИБП
и ограничитель перенапряжения
Клиенты часто просят нас объяснить разницу между сетевым фильтром и системой бесперебойного питания (ИБП), а также какое устройство лучше подходит для их среды.
Дело в том, что ни ИБП, ни устройства защиты от перенапряжения (SPD) сами по себе не обеспечат полной защиты коммерческих систем. Наиболее эффективная установка обеспечивается за счет использования комбинации обеих форм регулирования мощности.
Устройства защиты от перенапряжения (или ограничители) обеспечивают именно это: линию защиты от скачков напряжения, которые представляют собой кратковременные высокие напряжения, превышающие 110 процентов от номинального. Они часто связаны с ударами молнии и переключением электросети, но на самом деле 80% скачков напряжения происходят внутри объекта. Это происходит из-за электрического переключения или других помех, создаваемых различными устройствами в здании. Независимо от источника повышенное напряжение в результате скачков напряжения может повредить компоненты электрических систем, такие как компьютеры, сети и оборудование для управления технологическими процессами.
Даже если сразу ничего не разрушить, со временем повышенная нагрузка может вызвать преждевременный выход из строя дорогостоящих компонентов. Важно отметить, что защита от перенапряжения не сохранит ваше оборудование в рабочем состоянии во время отключения электроэнергии, но повреждающие скачки напряжения происходят гораздо чаще, чем отключения электроэнергии. Правильно спроектированная система резервного питания всегда должна включать каскадный подход к применению защиты от перенапряжения (то есть двухуровневый подход), работающий вместе с ИБП. Первый импульсный блок (SPD, расположенный выше по потоку) смягчает основной удар энергии импульсного перенапряжения, в то время как второй блок (ИБП) снижает остаточную энергию перенапряжения до несущественного уровня.
ИБП обеспечивает защиту второго уровня от скачков напряжения; его никогда не следует рассматривать как первичное устройство защиты от перенапряжения. Он также постоянно регулирует входящее напряжение и имеет внутреннюю батарею, которая позволяет подключенному оборудованию продолжать работу даже при отключении питания. Чтобы ваши электронные устройства продолжали работать даже при отключении питания, вам понадобится ИБП, а часто и резервный генератор.
Итак, как последовательно применять эти устройства? Защита от перенапряжения должна быть установлена на стороне электросети вашего ИБП, в идеале — на байпасной линии.Это обеспечивает следующие режимы защиты:
а. Значительно продлевает срок службы компонентов защиты от перенапряжения в ИБП
b. Обеспечивает защиту от перенапряжения для вашей нагрузки, когда ИБП отключен для обслуживания
Защита от перенапряжения, установленная на ИБП со стороны электросети, также помогает защитить ИБП. Резкое скачок напряжения, такое как удар молнии, может быть связано с более чем 20 кВ и 5 кА. Типичное пропускное напряжение устройства защиты от перенапряжения (включая ИБП) при воздействии этого уровня перенапряжения составляет примерно 2000 В, что все еще достаточно, чтобы вызвать повреждение оборудования.Чтобы устранить это, мы устанавливаем блок перед входом и позволяем ИБП смягчать эффекты оставшейся энергии скачка, то есть снижать конечное пропускное напряжение до примерно 200 В, что значительно ниже точки, которая может вызвать повреждение.
Кроме того, может оказаться целесообразным установить SPD между выходом ИБП и системой распределения нагрузки. Это особенно актуально, если панель нагрузки расположена на большом расстоянии от ИБП. Чем больше расстояние, тем выше вероятность того, что внутренний всплеск может повлиять на нагрузку.
Итак, какая форма защиты электропитания лучше всего подходит для вашей среды? Ответ — оба. Критически важные серверы, рабочие станции, ПК, POS- и VoIP-оборудование, а также другие ключевые бизнес-устройства защищены путем подключения ИБП, гарантирующего, что они могут работать в случае отключения электроэнергии и, при необходимости, корректно отключиться, если питание остается на длительный период времени. Устройства защиты от перенапряжения также необходимы для защиты как критически важного оборудования, так и самого ИБП.
Для получения дополнительных разъяснений по часто задаваемым вопросам, связанным с питанием, обратитесь к Руководству по основам управления ИБП и питанием.
ПРИНЦИП И КОНСТРУКЦИЯ ЗАЩИТЫ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ
Схема защиты от перенапряжения — это та, которую многие называют защитой от скачков напряжения в линиях сети переменного тока; однако это не ограничено конкретно линиями сети переменного тока. Устройство защиты от перенапряжения или устройство защиты от перенапряжения — это устройство, которое обеспечивает подавление перенапряжения или скачков напряжения, так что чувствительные устройства не будут повреждены.
Устройство защиты от перенапряжения может выдерживать скачки напряжения до нескольких киловольт (в зависимости от типа устройства защиты от перенапряжения).Существуют также ограничители перенапряжения, рассчитанные только на несколько сотен вольт, и так далее. Хотя устройство защиты от перенапряжений спроектировано так, чтобы выдерживать скачки высокого напряжения в течение короткого периода времени, оно не рассчитано на работу с высокими напряжениями в течение длительного времени.
Что такое скачок напряжения?
Всплеск в целом — это внезапное увеличение уровня или величины от нормального или стандартного значения. В электричестве скачок напряжения часто используется для описания переходного процесса напряжения, скачка напряжения или скачков напряжения.Скачки напряжения, скачки или переходные процессы не являются постоянным событием. Это происходит только в течение короткого периода времени, но более чем достаточно, чтобы разрушить устройства, если нет контрмер.
Скачок напряжения присутствует не только в линиях электропередач, но и в цепях с индуктивными свойствами. Однако скачок напряжения в линиях электропередачи является наиболее разрушительным, поскольку он может достигать нескольких киловольт.
На рисунке ниже показан скачок напряжения в сети переменного тока.
Устройство защиты от перенапряжения для переходных процессов в сети переменного тока обычно устанавливается в домах, офисах и зданиях для предотвращения повреждения приборов или устройств.Его следует устанавливать в том разделе, где все устройства или приборы получают свои источники. Таким образом, все устройства будут защищены от скачков и скачков напряжения в сети. Такой подход называется универсальной защитой от перенапряжения . Универсальный сетевой фильтр может не понадобиться, если все приборы или устройства имеют свою локальную схему защиты от перенапряжения.
Две основные категории схем защиты от перенапряжения, используемых в линиях электропередач
1. Первичное устройство защиты от перенапряжений
Устройство первичной защиты от перенапряжения устанавливается в точке ввода электропроводки дома, офиса или здания.Он защитит все устройства или устройства, которые подключаются к линии после точки входа. В общем, первичный сетевой фильтр очень мощный; однако он огромный и громоздкий, а также дорогой.
2. Вторичный сетевой фильтр
Вторичный сетевой фильтр не такой эффективный и мощный, как первичный.
Однако он портативный и удобный в использовании. В основном, этот тип устройства защиты от перенапряжения легко подключается к розеткам.Он будет обеспечивать защиту только устройствам, которые получают питание от розетки, к которой установлен вторичный сетевой фильтр.
На схеме ниже показано, как в здании устанавливаются первичные и вторичные сетевые фильтры.
Общие типы вторичных цепей защиты от перенапряжения
Известно несколько вторичных схем защиты от перенапряжения. Один из них — это так называемые удлинители . Сетевые фильтры легко подключаются к розетке.Помимо этого, он поставляется с несколькими розетками, к которым могут подключаться несколько устройств и приборов, которые защищены от скачков напряжения. Самая важная особенность удлинителя — способность отключать питание в случае скачка напряжения.
Другой известный тип вторичного устройства защиты от перенапряжения — это хорошо известный ИБП или источник бесперебойного питания . Некоторые сложные ИБП имеют встроенное устройство защиты от перенапряжения, которое обеспечивает те же функции безопасности, что и удлинитель.
Как работает сетевой фильтр?
Есть разновидность устройства защиты от перенапряжения
, который может отключать питание при скачке напряжения. Этот тип сетевого фильтра сложнее, сложнее и, конечно, дорого. Основными компонентами этого типа являются датчик напряжения , контроллер и схема фиксации / разблокировки . Датчик напряжения будет контролировать линейное напряжение, контроллер считывает измеренное напряжение и решает, когда сигнализировать о прекращении напряжения в цепи фиксации / разблокировки.Цепь фиксации / разблокировки представляет собой управляемый силовой контактор или выключатель питания, который может подключать или отключать сетевое напряжение.
Существует также устройство защиты от перенапряжения, которое не обеспечивает отключение напряжения, а просто ограничивает переходные процессы напряжения и поглощает энергию. Этот тип защиты от перенапряжения обычно используется как встроенная защита от перенапряжения, например, в импульсном источнике питания. Этот тип защиты эффективен до нескольких тысяч вольт. Этот тип защиты от перенапряжения лучше всего описать в схеме, показанной на рисунке ниже.
Устройство защиты от перенапряжения 1 в ЛИНИЯХ 1 и 2 переменного тока называется подавлением перенапряжения в дифференциальном режиме. В то время как оба устройства защиты от перенапряжений 2 и 3 называются синфазным подавлением перенапряжения. Подавление перенапряжения в дифференциальном режиме ограничивает любые скачки напряжения на ЛИНИИ 1 и 2 переменного тока. Это называется дифференциальным, потому что оно устанавливается на двух проводах под напряжением. С другой стороны, общий режим — это термин, используемый для устройств защиты от перенапряжения 2 и 3, поскольку оба являются ограничением переходных процессов напряжения на отдельном горячем проводе по отношению к земле или земле.При не столь жестких требованиях к перенапряжениям устройства защиты от перенапряжения 1 уже достаточно, чтобы соответствовать стандарту. Однако

Для очень строгих требований, таких как повышенное импульсное напряжение, добавляются устройства защиты от перенапряжения 2 и 3.
Причины скачков напряжения
Существует несколько факторов, вызывающих скачок напряжения. Это может быть из-за молнии, переключения энергосистемы, например, конденсаторных батарей, резонансных цепей с переключающими устройствами, неисправной проводки, а также внезапного включения и выключения переключателей, электродвигателей и других высокоиндуктивных приборов и устройств.Скачки напряжения в сети переменного тока присутствуют в любой точке мира. Поэтому рекомендуется защитить устройства и приборы от этого разрушительного события.
Некоторая распространенная среда перенапряжения
Это распространенный путь, по которому скачки напряжения или скачки напряжения могут попасть в устройства или устройства, использующие его.
Линии электропередач — это среда номер один для перенапряжения, поскольку все электрические и электронные устройства используют энергию от линии переменного тока. Скачки напряжения в сети переменного тока распространены во всем мире.
РЧ линии — включая антенну. Антенна восприимчива к ударам молнии. Молния способна вызвать всплеск очень высокого напряжения за короткое время. Когда молния поражает антенну, она проникает в РЧ-приемник.
Автомобильный генератор переменного тока — В автомобильной электронике также определяется скачок напряжения. Это связано с тем, что генератор переменного тока может создавать выбросы высокого напряжения во время сброса нагрузки.
Индуктивные цепи / нагрузки — любые индуктивные цепи или нагрузки всегда создают импульсное напряжение.Чаще всего такой выброс называют индуктивной отдачей.
Стандарт перенапряжения согласно IEC
IEC 61000-4-5 определяет стандарт для перенапряжения в линиях питания переменного тока. В таблице ниже приведены конкретные объяснения классов и уровней напряжения. Таблица взята из ссылки ниже
В соответствии с этим стандартом максимальное переходное напряжение, которое устройство должно выдерживать и выдерживать, составляет 4 кВ в классе 4 (хотя есть класс 5, но он по-прежнему называет класс 4).
Переходное напряжение, определенное стандартом IEC 61000-4-5 , смоделировано с помощью рисунка ниже.Он имеет нарастание на 1,2 мсек при ширине импульса 50 мксек. Таблица взята из ссылки ниже
AN4275 компании STMicroelectronics.
IEC 61000-4-5 также определяет формы тока короткого замыкания, как показано на рисунке ниже. Он имеет нарастание 8 мкс и ширину импульса 20 мкс. Таблица взята из AN4275 компании STMicroelectronics.
В таблице ниже указан соответствующий уровень импульсного тока или тока короткого замыкания для каждого класса. Наихудшее значение — 2000 А. Таблица взята из AN4275 компании STMicroelectronics.
Что такое ток короткого замыкания согласно IEC 61000-4-5? Чтобы ответить на этот вопрос, позвольте мне начать с того, что все оборудование, подключенное к линиям электропередач, должно иметь защиту от перенапряжения. Защита от перенапряжения работает, ограничивая переходные напряжения до более безопасного уровня. После срабатывания схемы защиты от перенапряжения произойдет короткое замыкание от источника к устройству защиты и обратно к заземлению источника.
Как разработать схему защиты от перенапряжения
Спроектировать устройство защиты от перенапряжения несложно.Фактически, встроенная защита от перенапряжения для некоторого электронного оборудования может быть только одним устройством. Это может быть MOV, металлооксидный варистор или ограничители переходных напряжений TVS. Предположим, что на иллюстрации ниже устройства защиты от перенапряжения 1–3 могут быть MOV или TVS.
Иногда устройства защиты от перенапряжения между линиями переменного тока достаточно, чтобы соответствовать стандарту IEC. В некоторых случаях требуется схема защиты от перенапряжения между линией и землей. Это особенно важно при более высоких требованиях к импульсному напряжению (4 кВ и выше).

Использование MOV в качестве устройства защиты от перенапряжения
Основные свойства
MOV — Металлооксидный варистор; обычно используется защита от перенапряжения в линиях электропередач
MOV — резистор, зависящий от напряжения
MOV Принцип работы похож на диод, который имеет нелинейные и неомические характеристики тока и напряжения, но двунаправленный
Его работу также можно сравнить с двунаправленным ограничителем переходного напряжения TVS
Когда напряжение зажима не достигается, происходит разрыв цепи
Ниже представлена вольт-амперная кривая MOV.Как видите, напряжение в квадрантах 1 и 3 практически постоянное, что делает его двунаправленным устройством. ZnO и SiC обозначают оксид цинка и карбид кремния соответственно. Это два распространенных материала, из которых изготавливается MOV.
Выбор устройства
Для универсальной линии 90–264 В переменного тока обычное номинальное напряжение MOV будет 300 В среднеквадратического значения. 300Vrms — это среднеквадратичное значение или постоянное приложенное напряжение, которое может выдержать MOV. Это еще не напряжение зажима. Например, мы собираемся использовать предохранитель TMOV14RP300ML2B7 от Littel, его номинальное напряжение переменного тока составляет 300 В переменного тока, но его напряжение фиксации составляет 775 В при пиковом токе 50 А, в соответствии с таблицей данных.
Следующее, что нужно проверить, это то, что номинальный импульсный ток MOV способен выдерживать уровень, указанный в таблице 2 выше (с учетом максимального уровня). Основываясь на выбранной таблице данных MOV ниже, при 2000 А и длительности импульса 20 мкс, MOV способен обрабатывать более 15 ударов, но менее 100 ударов. Я нанес пунктирную линию на графике устройства, оценивая 2000А.
Хотя в таблице данных указано напряжение зажима, оно может больше не действовать при 2000 А. График ниже показывает соответствующее напряжение зажима при 2000 А с использованием выбранного MOV.Пересечение желтых линий — это напряжение зажима. Обратите внимание, что оно уже превышает 1000 В. Убедитесь, что все устройства, используемые в оборудовании, могут выдерживать этот уровень напряжения. В противном случае рассмотрите другой MOV с более низким напряжением ограничения.
MOV Идеальное место для защиты от скачков напряжения в линии электропередач
MOV, который действует как устройство защиты от перенапряжения, должен быть установлен в непосредственной близости от предохранителя, как показано на рисунке ниже. При таком подключении, когда импульсный ток становится слишком большим, чтобы его мог обработать MOV, предохранитель выйдет из строя и разомкнет цепь и предотвратит возможный катастрофический отказ.
Подавление перенапряжения в автомобильной промышленности
Как упоминалось выше, скачки напряжения происходят не только в линиях электропередачи переменного тока. Скачки напряжения также очень распространены в автомобильных системах. В автомобильной системе используется только свинцово-кислотный аккумулятор с типичным напряжением полной зарядки около 12,9 В для 6 последовательно соединенных ячеек с напряжением 2,15 В. В расчетах часто используется максимальное напряжение батареи 14 В. Этот уровень не является разрушительным, и устройств с рейтингом 30 В более чем достаточно, чтобы выжить в долгосрочной перспективе.Однако такое восприятие верно только в установившемся режиме, но не во время так называемого «сброса нагрузки». Сброс нагрузки — это термин, используемый для описания внезапного отключения аккумуляторной батареи во время ее зарядки от генератора. Для системы на 12 В сброс нагрузки может привести к скачку напряжения до 120 В, что более чем достаточно для разрушения устройств, если не принять во внимание.
Чтобы противодействовать этому сценарию сброса нагрузки, часто используется схема защиты от перенапряжения, такая как варистор.
В автомобилестроении форма сигнала сброса нагрузки определяется стандартом ISO 7637, как показано на рисунке ниже.Пиковое напряжение составляет максимум 125 В. Нарастание и длительность импульса (T1 и T) больше по сравнению со стандартом, определенным в IEC 61000-4-5.
Идеальное расположение ограничителей перенапряжения в автомобилестроении
Пример выбора варистора для низкого напряжения постоянного тока, например, для автомобильных систем
Требования к конструкции
Вход: 24 В постоянного тока
Форма волны тока для скачка напряжения 8/20 мкс; напряжение равно 1.2/50 мкс
Пиковый импульсный ток: 800A
Должен пережить 40 скачков
Чувствительные устройства для защиты рассчитаны на 250 В максимум
Определите напряжение постоянного тока варистора
Для системы на 24 В также не выбирайте варистор с номинальным напряжением 24 В. Вместо этого включите минимум 20% запаса прочности. Однако не следует преувеличивать запас, поскольку он будет соответствовать физически большому варистору и более высокому напряжению ограничения.
Итак,
Напряжение варистора = 24 В x 1.2 = 28,8 В
На основании списка низковольтных варисторов Littelfuse, я бы предпочел использовать часть с напряжением 31 В постоянного тока
рейтинг.
Выберите деталь, которая соответствует импульсному току и количеству импульсов
Вышеуказанные части с номиналом 31 В постоянного тока являются кандидатами. Однако есть еще несколько критериев, которым необходимо удовлетворить. Рассмотрим пиковый импульсный ток и количество импульсов и выберем ту часть, которая сможет удовлетворить его с запасом.
Ниже представлена длительность импульса в микросекундах в сравнении с допустимым пиковым импульсным током в амперах для 14-миллиметровой детали, указанной в таблице выше. Судя по графику, при токе 800А 14-миллиметровая деталь не может выдержать необходимое количество импульсов. Поэтому не выбирайте эту часть.
Ниже представлен график для детали диаметром 20 мм. При пиковом импульсном токе 800 А устройство может гарантировать более 40 импульсов. Поэтому выбирайте деталь размером 20мм.
В приведенной выше таблице есть две части размером 20 мм.Мы рассмотрим первый V20E25P. Как упоминалось ранее, мы не можем выбирать часть, потому что она будет соответствовать более высокому напряжению зажима.
Проверка напряжения зажима
Последний шаг — проверка напряжения зажима. Все, что мы сделали до сих пор, будет бесполезно, если максимальное напряжение зажима превышает требования. Ниже указано максимальное напряжение зажима для деталей диаметром 20 мм. Как видно из графика, V20E25P — идеальное устройство для защиты от перенапряжения.
Как работают сетевые фильтры | HowStuffWorks
Когда вы собираете компьютерную систему, вы, вероятно, купите одну часть стандартного оборудования — это сетевой фильтр . Большинство разработок выполняют одну очевидную функцию — они позволяют подключать несколько компонентов к одной розетке. Со всеми различными компонентами, из которых состоит компьютерная система, это определенно полезное устройство.
Но другая функция удлинителя с защитой от перенапряжения — защита электроники в вашем компьютере от скачков напряжения — гораздо важнее.В этой статье мы рассмотрим устройства защиты от перенапряжения, также называемые ограничителями перенапряжения, чтобы узнать, что они делают, когда они вам нужны и насколько хорошо они работают. Мы также узнаем, какие уровни защиты доступны, и посмотрим, почему у вас может не быть всей необходимой защиты, даже если вы используете качественный сетевой фильтр.
Основная задача системы защиты от перенапряжения — защита электронных устройств от «скачков напряжения». Итак, если вам интересно, что делает сетевой фильтр, первый вопрос: «Что такое скачки напряжения?» А потом: «Зачем нужно защищать электронику от них?»
Скачок напряжения или переходное напряжение — это повышение напряжения значительно выше заданного уровня в потоке электричества.В обычной бытовой и офисной электропроводке в США стандартное напряжение 120 вольт . Если напряжение поднимается выше 120 вольт, существует проблема, и сетевой фильтр помогает предотвратить повреждение компьютера этой проблемой.
Чтобы разобраться в проблеме, полезно кое-что узнать о напряжении. Напряжение является мерой разности электрической потенциальной энергии . Электрический ток проходит от точки к точке, потому что на одном конце провода имеется большая электрическая потенциальная энергия, чем на другом.Это тот же принцип, при котором вода под давлением вытекает из шланга — более высокое давление на одном конце шланга подталкивает воду к области с более низким давлением. Вы можете представить себе напряжение как меру электрического давления .
Как мы увидим позже, различные факторы могут вызвать кратковременное повышение напряжения.
Когда увеличение длится три наносекунды (миллиардные доли секунды) или более, это называется всплеском .
Когда он длится всего одну или две наносекунды, он называется всплеском .
Если выброс или выброс достаточно высок, они могут нанести серьезный ущерб машине. Эффект очень похож на приложение слишком большого давления воды к шлангу. Если давление воды слишком велико, шланг лопнет. Примерно то же самое происходит, когда через провод проходит слишком большое электрическое давление — провод «лопается».

Принцип работы ограничителя импульсных помех в трансивере

Основные источники импульсных помех в трансивере

Схемотехника ограничителя импульсных помех

Выбор компонентов для ограничителя помех

Методы повышения эффективности ограничителя помех

Особенности проектирования печатной платы ограничителя помех

Тестирование и отладка ограничителя импульсных помех

Подавление помех от импульсных источников питания

Подавление помех от импульсных источников питания — R3RTambov

Помехи от AC/DC- и DC/DC-преобразователей, источники и борьба

Введение

Дифференциальные и синфазные шумы и помехи

Способы устранения помех в импульсных блоках питания

Схема подключения УЗИП — 3 ошибки и правила монтажа. Защита от импульсных перенапряжений.

УЗИП или реле напряжения

Защита дома от грозы

Схема электрощита с УЗИП

Схемы подключения

Принцип действия

Автоматы или предохранители перед УЗИП

Ошибки при подключении

Статьи по теме

Диодные ограничители | HomeElectronics

Амплитудные ограничители. Введение

Последовательные диодные ограничители

Расчёт последовательных диодных ограничителей

Параллельные диодные ограничители

Расчёт параллельных диодных ограничителей

и ограничитель перенапряжения

ПРИНЦИП И КОНСТРУКЦИЯ ЗАЩИТЫ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ

Что такое скачок напряжения?

Две основные категории схем защиты от перенапряжения, используемых в линиях электропередач

Общие типы вторичных цепей защиты от перенапряжения

Как работает сетевой фильтр?

Причины скачков напряжения

Некоторая распространенная среда перенапряжения

Стандарт перенапряжения согласно IEC

Как разработать схему защиты от перенапряжения

Использование MOV в качестве устройства защиты от перенапряжения

Основные свойства

Выбор устройства

MOV Идеальное место для защиты от скачков напряжения в линии электропередач

Подавление перенапряжения в автомобильной промышленности

Идеальное расположение ограничителей перенапряжения в автомобилестроении

Пример выбора варистора для низкого напряжения постоянного тока, например, для автомобильных систем

Требования к конструкции

Как работают сетевые фильтры | HowStuffWorks

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий Отменить ответ