Помехи от импульсного блока питания: причины возникновения и способы устранения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как возникают электромагнитные помехи в импульсных блоках питания. Какие виды помех создают импульсные источники питания. Как подавить помехи от импульсного блока питания. Основные схемы и компоненты для фильтрации помех в импульсных БП. Типичные ошибки при проектировании фильтров помех.

Содержание

Природа возникновения помех в импульсных блоках питания

Импульсные блоки питания (ИБП) являются одним из основных источников электромагнитных помех в современной электронной аппаратуре. Это обусловлено принципом их работы, основанном на высокочастотном преобразовании напряжения.

Основные причины возникновения помех в ИБП:

Наличие прямоугольных импульсов напряжения с крутыми фронтами на силовых ключах
Циркуляция больших импульсных токов в цепях преобразователя
Паразитные емкостные и индуктивные связи между узлами схемы
Наводки от импульсного трансформатора

Каковы основные характеристики помех от ИБП? Они имеют широкий спектр частот — от десятков килогерц до сотен мегагерц. Амплитуда может достигать сотен вольт. Помехи распространяются как по цепям питания, так и излучаются в окружающее пространство.

Виды помех, создаваемых импульсными источниками питания

Импульсные блоки питания генерируют два основных вида помех:

1. Дифференциальные (несимметричные) помехи

Это помехи, которые распространяются между фазным и нулевым проводами питающей сети. Они обусловлены пульсациями входного тока преобразователя.

2. Синфазные (симметричные) помехи

Данный вид помех возникает между проводами питания и «землей». Причиной является наличие паразитных емкостей между первичными и вторичными цепями ИБП.

Какой из видов помех более опасен? Синфазные помехи обычно имеют большую амплитуду и сложнее поддаются фильтрации, поэтому представляют большую проблему.

Основные методы подавления помех в импульсных блоках питания

Для эффективного подавления электромагнитных помех в ИБП применяется комплекс мер:

1. Использование входных и выходных фильтров

Входные фильтры препятствуют проникновению помех в питающую сеть. Выходные — снижают уровень пульсаций на нагрузке. Как правило, применяются LC-фильтры низких частот.

2. Экранирование

Все высокочастотные цепи преобразователя должны быть тщательно экранированы для снижения уровня излучаемых помех. Особое внимание уделяется экранировке импульсного трансформатора.

3. Оптимизация топологии печатной платы

Правильная компоновка элементов и трассировка проводников позволяет минимизировать паразитные связи и снизить уровень помех. Каковы основные правила?

Разделение силовых и сигнальных цепей
Минимизация площади контуров с большими импульсными токами
Использование заземляющих полигонов

4. Применение снабберных цепей

Снабберы (демпфирующие RC-цепочки) позволяют снизить выбросы напряжения на силовых ключах и уменьшить уровень высокочастотных помех.

Схемотехника фильтров для подавления помех в ИБП

Рассмотрим типовую схему входного фильтра импульсного блока питания:

[Здесь можно было бы разместить схему фильтра, но у меня нет возможности вставить изображение]

Основные элементы схемы:

L1, L2 — дроссели для подавления синфазных помех
C1 — конденсатор для подавления дифференциальных помех
C2, C3 — Y-конденсаторы для подавления синфазных помех
C4 — конденсатор для подавления помех от трансформатора

Какие требования предъявляются к компонентам фильтра? Дроссели должны иметь высокую индуктивность (десятки миллигенри) и хорошие частотные свойства. Y-конденсаторы должны выдерживать высокое импульсное напряжение.

Типичные ошибки при проектировании фильтров помех в ИБП

При разработке схем подавления помех часто допускаются следующие ошибки:

1. Отсутствие или неправильное подключение Y-конденсаторов

Y-конденсаторы играют ключевую роль в подавлении синфазных помех. Их отсутствие или неверное подключение резко снижает эффективность фильтрации.

2. Использование перемычек вместо дросселей

Иногда для экономии дроссели заменяют перемычками. Это недопустимо, так как открывает прямой путь для проникновения помех в сеть.

3. Неправильное подключение конденсаторов на входе фильтра

Конденсаторы, установленные до дросселя L1, должны подключаться только к заземляющему проводу сети, а не к корпусу устройства. Почему это важно? Такое подключение предотвращает проникновение синфазных помех на корпус.

Влияние помех от ИБП на работу электронной аппаратуры

Помехи от импульсных блоков питания могут оказывать следующее негативное воздействие:

Ухудшение качества изображения в телевизорах и мониторах
Снижение чувствительности радиоприемной аппаратуры
Сбои в работе цифровых устройств
Ложные срабатывания систем автоматики

Насколько серьезной может быть эта проблема? В некоторых случаях помехи от ИБП могут полностью вывести из строя чувствительное электронное оборудование.

Нормативные требования к уровню помех от импульсных БП

Уровень электромагнитных помех, создаваемых импульсными блоками питания, регламентируется следующими стандартами:

ГОСТ Р 51317.3.2 — Эмиссия гармонических составляющих тока
ГОСТ Р 51317.3.3 — Колебания напряжения и фликер
ГОСТ Р 51318.14.1 — Радиопомехи от бытовой техники

Какие основные требования предъявляются? Уровень кондуктивных помех в диапазоне 0,15-30 МГц не должен превышать 66-56 дБмкВ. Уровень излучаемых помех на расстоянии 10 м в диапазоне 30-1000 МГц — не более 30-47 дБмкВ/м.

Современные тенденции в области снижения помех от ИБП

Основные направления совершенствования импульсных блоков питания с точки зрения электромагнитной совместимости:

Применение топологий с мягким переключением (резонансные преобразователи)
Использование цифровых систем управления
Интегрированные решения с встроенными фильтрами ЭМС
Активные системы подавления помех

Какие преимущества дают эти технологии? Они позволяют значительно снизить уровень генерируемых помех при сохранении высокой эффективности преобразования энергии.

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.

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

Типы помех в электроснабжении

Хотя стандартные методы электроснабжения обычно достаточны для работы в большинстве коммерческих или промышленных приложений, электрические помехи могут иногда нарушать работу чувствительного оборудования или прерывать жизненно важные операции. Помехи в электроснабжении могут быть особенно опасны в компьютеризированных системах, которым требуется стабильное, непрерывное электропитание для снижения риска потери данных и искажения управляющих сигналов. По этим причинам производители электронных блоков питания предлагают защиту от определенных нежелательных условий. В этом смысле блоки бесперебойного питания (ИБП) могут обеспечить значительные преимущества для стабильности производительности и экономической эффективности за счет сокращения времени простоя промышленной системы, снижения частоты сбоев в работе оборудования и снижения вероятности прерывания технологического процесса.

Полное отключение питания от источника питания является редкостью в большинстве условий, но даже незначительные колебания мощности и кратковременные перерывы в подаче тока могут оказаться опасными, особенно если они происходят на критической стадии обработки. Нарушающие работу электрические помехи, такие как скачки напряжения, могут быть вызваны различными причинами, включая операции переключения питания, наличие другого электрооборудования вблизи операционной системы и природные явления, такие как молнии и грозы. Понимание различных видов электрических помех и их влияния на системы электроснабжения может помочь в разработке стратегий защиты уязвимых промышленных процессов.

Электрические шипы

Одним из наиболее распространенных и непредсказуемых источников внезапных скачков напряжения являются атмосферные молнии, которые могут серьезно повредить сеть электроснабжения. Удар молнии в линию электропередач, передающую подстанцию, воздушную линию или кабель может вызвать всплеск высокого напряжения, который нарушит передачу тока. Точно так же операции переключения, особенно вблизи другого чувствительного электрооборудования, также могут вызывать всплески. Распределительное устройство, работающее на сильном токе, и некоторые предохранители могут давать переходные пики даже при стандартных рабочих условиях. Крупные неисправности электрической системы могут вызывать высокоамплитудные переходные всплески до сотен или тысяч вольт, хотя они кратковременны и обычно имеют короткое время нарастания. Другие распространенные источники скачков напряжения включают:

Коллекторные двигатели с регулируемой скоростью
Натриевые и ртутные газоразрядные лампы
Ртутные дуговые выпрямители в устройствах, производящих ток
Твердотельные полупроводники, используемые в системах управления

Пуск и останов асинхронных двигателей переключателем, например приводных насосов и вентиляторов, может привести к сравнимым пиковым эффектам. Случайные электрические всплески обычно имеют амплитуду не более 800 вольт и время нарастания всего несколько наносекунд.

Провалы и выбросы

Непреднамеренные скачки напряжения в электросети чаще всего являются следствием отключения больших электрических нагрузок, а провалы напряжения возникают при включении. Наиболее важным фактором как для всплесков, так и для провалов является размер коммутируемой нагрузки по отношению к номинальной мощности трансформатора в источнике питания. Продолжительность всплеска или провала может варьироваться от одного полупериода формы сигнала питания до нескольких полупериодов, при этом отклонение от стандартного напряжения часто превышает 6 процентов выше или ниже оптимального диапазона. Большие колебания в питающей сети высокого напряжения могут быть вызваны системными неисправностями или переключениями нагрузки на промышленной электростанции, а частота и масштабы возмущений напряжения за пределами исходного источника электроснабжения зависят от качества местной распределительной электрической сети.

В некоторых промышленных процессах возможность скачков и спадов может быть серьезной проблемой. Применения, в которых используются нагрузки большой мощности, такие как дуговые печи, используемые при обработке стали, или приводы двигателей реверсивных станов, могут вызывать сильные колебания напряжения. При передаче по питающей сети эти колебания могут вызвать помехи в работе или мерцание. Мерцание представляет собой более незначительное возмущение, обычно с силой всего несколько герц и характеризующееся амплитудой напряжения с относительно небольшим отклонением от стандартного диапазона.

Частоты гармоник

Гармоники — еще одна распространенная причина электрических помех между блоками питания. В большинстве энергосистем переменного тока колебания напряжения происходят вдоль частоты синусоидальной волны, но нелинейная электрическая нагрузка может генерировать другую частоту для формы волны тока. Эти гармонические изменения могут вызвать увеличение тока в системе, что может привести к чрезмерному нагреву и неисправности компонентов. Типичными источниками гармоник являются твердотельные полупроводники, выпрямители тока, газоразрядные лампы, а также двигатели с переменной скоростью и асинхронные двигатели. Хотя в большинстве распределительных систем гармонические колебания обычно не превышают 2-5 процентов, в некоторых случаях может иметь место более высокая степень гармонических колебаний. Управление научной и технической информации Министерства энергетики предоставляет дополнительную информацию об измерениях гармоник.

Прочие электрические изделия

Ведущие производители и поставщики трансформаторов в США и во всем мире
Ведущие производители и поставщики реле в США и во всем мире
Электрические опорные изоляторы
Лучшие поставщики и производители автоматических выключателей в США и во всем мире
Огнестойкие электрические шкафы
Основные электрические разъемы
Электрические двухслойные конденсаторы (суперконденсаторы)
Как работают сердечники трансформатора
Жизнь вне сети — альтернативные источники энергии
Типы систем бесперебойного питания (ИБП)
Типы электрических выключателей
Что такое гидроэлектроэнергия? Взгляд на гидроэнергетический процесс
Для чего используется конденсатор? Переменные типы/функции конденсаторов
Основной электрический выключатель, определение, использование и применение
Распределительные коробки
Типы разъемов электропитания
Общие типы трансформаторов
Общие типы электрических разъемов
Все о понижающих повышающих трансформаторах

Прочие «Типы» изделий

Полное руководство по приводам (типы, характеристики, области применения и поставщики)
Что такое втулка? Взгляд на этот тип подшипника скольжения (он же подшипник скольжения)
Типы кодировщиков — Руководство по покупке ThomasNet
Типы фильтров — Руководство для покупателей ThomasNet
Типы элементов управления и контроллеров — Руководство по покупке ThomasNet
Различные типы воздушных фильтров
Типы катушек индуктивности и сердечников
Аэрокосмический крепеж: типы и материалы
Типы защелок
Типы труб из нержавеющей стали
Типы медицинской упаковки — Руководство для покупателей ThomasNet
Типы контроллеров двигателей и приводов
Типы ЧПУ
Типы порошковых покрытий
Типы фенолов и фенольных материалов — Руководство для покупателей ThomasNet
Типы операций высечки
Типы сверл с ЧПУ
Типы мультиплексоров
Типы кримперов — Руководство по покупке ThomasNet
Типы датчиков температуры

Больше от Electric & Power Generation

Шумоподавление импульсных источников питания｜Мир силовой электроники｜Узнайте о технологии с помощью TDK

Часть 7: Шумоподавление импульсных источников питания

фейсбук
твиттер
Линкедин

Эта статья представляет собой переиздание переработанного/переписанного контента из прошлого. Он может содержать устаревшую техническую информацию и ссылки на продукты, которые в настоящее время не доступны в TDK.

Импульсные источники питания

заменили обычные линейные источники питания в качестве основного источника питания для электронного оборудования. Они имеют отличные характеристики, такие как небольшой размер, легкий вес и высокая эффективность. Однако у них есть и одна слабость, характерная для импульсных источников питания: высокочастотный шум, возникающий при включении и выключении тока полупроводниковыми элементами на высоких скоростях. История технологии импульсных источников питания была синонимом борьбы за достижение высокой эффективности, а также борьбы с шумом. В импульсных источниках питания применяется широкий спектр мер по подавлению помех.

Импульсные источники питания используют четыре стратегии ЭМС: отражение, поглощение, обход и экранирование

Меры противодействия шуму для электронного оборудования также называются мерами ЭМС. Проблемы с шумом включают EMI (электромагнитные помехи или проблемы с излучением) и EMS (электромагнитная восприимчивость или проблемы с помехоустойчивостью). Идея решения обоих этих вопросов называется ЭМС (электромагнитная совместимость). Другими словами, ЭМС заключается в том, чтобы «не создавать шумовых помех другим системам (EMI)» и «остаться незатронутыми внешним или собственным шумом» (EMS).

Импульсный источник питания является идеальным примером для изучения основ и применения мер ЭМС. Импульсные источники питания являются точкой входа внешнего шума из других систем, а также точкой выхода для передачи шума на нагрузку (например, микросхемы). Импульсный блок питания сам по себе также является источником шума. Этот шум не только распространяется по линиям электроснабжения в виде кондуктивного шума, но и становится излучаемым шумом (вредным электромагнитным излучением), который отрицательно влияет на себя и другое электронное оборудование. Не будет преувеличением сказать, что импульсные источники питания были бы бесполезны без мер ЭМС.

Существует четыре стратегии ЭМС: (1) отражение — блокирование прохождения компонентов шума с помощью LC-фильтров, (2) поглощение — использование ферритовых сердечников и микрочипов для поглощения шума и преобразования его в тепло, (3) обход — использование конденсаторов и варисторы для отвода шума на землю; (4) экранирование — удаление излучаемого шума путем направления его на землю через металлический корпус или его поглощение с помощью поглотителя радиоволн, такого как феррит.

В качестве примера мы будем использовать импульсные источники питания переменного/постоянного тока, чтобы изучить меры ЭМС, применяемые в оборудовании силовой электроники. Импульсный источник питания переменного/постоянного тока представляет собой устройство, которое выпрямляет и сглаживает коммерческую мощность переменного тока, а затем преобразует ее в стабильный постоянный ток постоянного напряжения для вывода с помощью преобразователя постоянного тока. Меры ЭМС применяются к входу, основному корпусу и выходу устройства.

Первый шаг — ввод. Коммерческий переменный ток — это не только линия электроснабжения, но и точка входа для различных типов кондуктивных помех, таких как грозовые перенапряжения, высокочастотный шум от другого электрического/электронного оборудования и импульсный шум. Чтобы исключить попадание таких помех, на входе ставится ЭМС-фильтр (сетевой фильтр), предназначенный для блоков питания. Фильтр ЭМС также играет роль в подавлении обратного шума (шума обратной связи), который генерируется внутри оборудования и просачивается наружу.

Принцип работы синфазных дросселей в фильтрах ЭМС источника питания

Кондуктивный шум, протекающий по линиям электропитания и сигнальным линиям, имеет два типа режимов проводимости: дифференциальный режим и общий режим. Шум дифференциального режима — это шум, передаваемый через два проводника, один в исходящем направлении и один в обратном направлении (дифференциальный означает, что направления тока противоположны друг другу). Источник питания и сигнальные токи находятся в дифференциальном режиме, также называемом нормальным режимом.

Синфазный шум, с другой стороны, является более сложным. Например, излучаемый шум, создаваемый внутри электронного устройства, может просачиваться в виде слабого тока через металлический корпус или пол и проникать в другое электронное оборудование. Этот тип шумового тока называется синфазным шумом. Он отличается от шума дифференциального режима тем, что он входит независимо от исходящих/обратных путей силовых и сигнальных линий и течет в одном и том же направлении по двум проводникам. Характерно, что синфазный шум распространяется на большую площадь, хотя уровни напряжения низкие. Поскольку в последние годы управляющие напряжения ИС и БИС снижались примерно до 2–1 В или менее, меры по борьбе с синфазным шумом, которые могут вызывать неисправности ИС и БИС, становятся центральной частью мер по электромагнитной совместимости в электронном оборудовании.

Дифференциальный шум можно уменьшить с помощью LC-фильтров, которые сочетают в себе катушку индуктивности (L) и конденсатор (C), но они неэффективны против синфазного шума. По этой причине фильтры ЭМС, сочетающие в себе фильтр синфазных помех и конденсатор, необходимы на входной секции оборудования источника питания.

Фильтр синфазных помех состоит из кольцевого ферритового или аморфного сердечника с двумя проводами, намотанными в одном направлении. Поскольку ток синфазного шума течет в том же направлении, магнитный поток внутри сердечника также генерируется в том же направлении, создавая большой импеданс и блокируя проникновение шума. Конденсаторы на обоих концах синфазного фильтра (называемые X-конденсаторами) уменьшают дифференциальный шум, а конденсаторы на выходе (называемые Y-конденсаторами) уменьшают синфазный шум, пропуская его на землю. TDK предлагает широкий ассортимент фильтров ЭМС для источников питания для различных применений, в том числе для встраиваемых и входных розеток.

Решения Total EMC поддерживают оборудование электропитания от входа до выхода

В основном корпусе оборудования источника питания применяются различные меры ЭМС. В импульсных источниках питания TAC-DC даже после выпрямления и сглаживания переменного тока все еще присутствуют волнообразные колебания напряжения, которые можно охарактеризовать как «остатки» переменного тока. В секции преобразователя постоянного тока, где преобразуется постоянное напряжение, на эти колебания напряжения накладывается высокочастотный шум переключения. Кроме того, резкий шум, называемый пиковым шумом, также генерируется коммутирующим диодом на вторичной стороне и накладывается на него. В устройствах, использующих постоянный ток от аккумуляторов, нет волнистости, как в случае с переменным током, но в секции преобразователя постоянного тока по-прежнему генерируются высокочастотный шум переключения и пиковый шум. Чтобы уменьшить этот шум, цепь снаббера CR, состоящая из конденсатора (C) и резистора (R), размещена параллельно транзистору и коммутирующему диоду.

При проектировании печатных плат компоненты с катушками, такие как трансформаторы и дроссели, должны быть размещены с осторожностью. Это связано с тем, что утечка потока из катушки может магнитно связываться с другими катушками и вызывать шум. Также при включении и выключении большого тока на высокой скорости индукторная составляющая проводки создает шум. Фактором могут быть даже выводы электронных компонентов, поэтому они должны быть как можно короче. В этом отношении SMD-компоненты для поверхностного монтажа, такие как многослойные керамические микросхемы-конденсаторы, более предпочтительны, поскольку они не имеют выводов.

Когда высокочастотный ток течет по петле, петля работает как антенна и излучает шум. Поэтому размер петли должен быть как можно меньше. Компактные блоки питания полностью покрыты металлическим корпусом для защиты от излучаемых помех и предотвращения их утечки.