ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

Страница находится в стадии разработки. Статья не окончена.

Разборные помехоподавляющие ферритовые муфты в пластиковых корпусахРазборные ферритовые муфты в пластиковых корпусах позволяют защёлкивать элемент на круглом электрическом кабеле.
Предназначены для поглощения электрических помех, которые наводятся в протяжённых проводниках.
Ферритовые муфты типа RU создают значительное сопротивление для высокочастотных составляющих сигнала в диапазоне от единиц МГц до сотен МГц.
Для применения на проводниках диаметром от 3,5 мм до 140 мм.











Электромагнитные помехи

В настоящеее время вопрос электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры становится всё более актуальным. Требования к качеству электроэнергии в нашем веке гораздо выше, чем в прошлом. Под качеством электрической энергии понимают совокупность характеристик уровня помех, которые вызывают отклонение напряжения, частоты и формы синусоидальной кривой напряжения от установленных значений.

ВИДЫ ЭЛЕКТРОПОМЕХ ВТОРИЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯНизкочастотные помехи в электросетях чаще всего создаются работой электромеханического оборудования, например, электродвигателей. Импульсные источники вторичного электропитания (ИИВЭП) создают высокочастотные электромагнитные помехи (ЭМП).

Высокочастотные помехи обладают большой проникающей способностью. Наиболее чувствительна к электромагнитному шуму воспроизводящая аппаратура, в том числе компьютеры. Разработчику электронной аппаратуры приходится учитывать возможность существования помех как в питающей сети, так и в окружающем пространстве, что вызывает необходимость защищать свои электронные схемы от их воздействия. Кроме того, разрабатываемая аппаратура сама не должна генерировать ЭМП.

Электромагнитные помехи распространяются как по проводам (кондуктивные помехи), так и через окружающее пространство (пространственные, излучаемые помехи). Кондуктивные помехи можно разделить на две составляющие: синфазные (common-mode) и дифференциальные (differential-mode). Синфазные помехи проходят по линиям электропитания и не связаны с заземлением. Они измеряются между двумя проводами линии. Дифференциальные помехи измеряются между одним из проводов и землёй.

Стандартизация ЭМП

Производители электронного оборудования, предназначенного для продажи на рынке стран Европейского Союза, должны выполнять стандарт по электромагнитной совместимости EN55022. Стандарт введен с изменениями 01.10.2009г. Любые электронные аппараты, которые будут размещаться на рынке ЕС, должны быть проверены на соответствие стандарту EN55022. При прохождени процедуры на соответствие с правом нанесения маркировки СЕ на каком-либо электронном изделий, необходимы исследования на помехоустойчивость и электромагнитную эмиссию, которые регулируют стандарты - нормы выбросов регулируется EN55022 и иммунитет регулируется стандартом EN55024.
На американском рынке в области электронного оборудования применяется стандарт FCC (Федеральная Комиссия по Связи) раздел 15, подраздел J.
Требования немецкого стандарта VDE0871 по уровню кондуктивных помех в электросети долгое время были самыми жёсткими. Для выполнения требований Европейского Союза в Германии был принят национальный стандарт VDE0878, эквивалентный EN55022.

Международный стандарт EN 55022:2010 применим к любому электрооборудованию или устройствам, которые работают с номинальным напряжением питания, не превышающим 600 В и основной функцией которых является запись, хранение, отображение, поиск, передача, обработка, коммутация или управление данными, а также к оборудованию, которое может быть использовано в комбинации с одним или более портами-​терминалами, основной функцией которых является передача информации. Стандарт EN 55022:2010 не распространяется на оборудование или устройства, основной функцией которых является передача или прием радиосигналов.

ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ СПЕКТРА КОНДУКТИВНЫХ ПОМЕХ В ЭЛЕКТРОСЕТИ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ КЛАССОВ А И Б В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ ОТ 10 кГц ДО 30 МГц СОГЛАСНО СТАНДАРТАМ EN55022, VDE0871, FCCСтандартизация на излучаемые ЭМП распространяется на два вида радиоэлектронного оборудования:
● Промышленное оборудование -
(Класс А / Class A) -
может использоваться только в промышленных или других специальных зонах.
● Бытовое оборудование -
(Класс Б / Class B) -
может использоваться в жилых, офисных и других подобных помещениях.

Стандарт EN55022 не регламентирует уровень помех в частотном диапазоне до 150кГц.
Для диапазона частот 150кГц - 30МГц для оборудования класса А нормативы EN55022 и VDE0871 совпадают.
Стандарт FCC ограничивает уровни ЭМП на частотах 450кГц - 30МГц на более низком уровне.
В отличие от двух других стандартов, стандарт VDE0871 ограничивает уровни распространяемых помех ещё и в диапазоне частот от 10кГц до 150кГц.

Сравнение ограничений уровней излучаемых ЭМП для различных стандартов довольно затруднительно, поскольку нормы стандартов EN55022, VDE0871, FCC задаются для разных расстояний от точки измерения до источника излучения.
Обычно, для ИИВЭП малой и средней мощности (до 300 Вт или работающих с токами до 10 А) в составе аппарутуры, вопрос соблюдения норм излучения ЭМП решается с помощью экранирования. Блок питания заключают в металлический корпус внутри металлизированного или металлического корпуса питаемого аппарата.

Методы снижения электромагнитных помех

Основные методы снижения уровня электромагнитных помех:
● Применение экранов в качестве корпусов электронных приборов.
● Экранирование отдельных узлов аппаратуры.
● Правильное построение электронных схем для снижения паразитных параметров.
● Применение помехоподавляющих фильтров (ППФ).

 ТРАНСФОРМАТОР ЗАКРЫТ ЗАЩИТНЫМ ЭКРАНОМ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФОЛЬГИМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ КОРПУС АППАРАТА СЛУЖИТ ЭКРАНОМ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХЭкранирование препятствует распространению излучаемых электромагнитных помех за пределы источника шума.

Корпус аппарата должен служить электромагнитным экраном для шума, излучаемого отдельными узлами и препятствовать проникновению ЭМП из окружающего пространства в аппарат.
В конструкции корпуса следует использовать магнитные материалы на металлической основе. Для пластиковых корпусов имеется ассортимент проводящих красок, которые можно использовать для экранирования корпуса от электромагнитных помех.

Экранирование отдельных узлов аппаратуры позволяет снизить помехи, излучаемые отдельными узлами.
Примером может служить трансформатор или дроссель с сердечником, имеющим воздушный зазор. Такой моточный узел создает интенсивное электромагнитное поле, влияющее на соседние компоненты преобразователя. Проблему можно решить с помощью экрана, выполненного из медной фольги. Подобный экран может быть использован в силовом трансформаторе преобразователя. Экран соединяют с общей точкой на стороне первичной или вторичной обмоток.

В импульсных источниках с ШИМ существует несколько основных источников ЭМП. Основным источником шума является входная схема питания. Она содержит высокочастотный ключ, первичную обмотку трансформатора и конденсатор входного фильтра. Конденсатор входного фильтра обеспечивает импульсы тока трапецеидальной формы, необходимые источнику питания. Другим источником шума являются дорожки печатной платы, на которой расположены компоненты преобразователя. Дорожки должны быть максимально короткими и широкими. Широкие дорожки имеют меньшую индуктивность, чем тонкие. Длина дорожек обусловливает частоты ЭМП, излучаемых в окружающее пространство. Для того чтобы уменьшить длину соединений, конденсатор входного фильтра и ключ должны располагаться рядом с трансформатором. Кроме того, используемые конденсаторы должны иметь малые значения эквивалентного последовательного сопротивления и эквивалентной последовательной индуктивности. Чем больше значения этих паразитных параметров, тем большими будут синфазные кондуктивные помехи на входе источника питания.

НАПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕКАНИЯ ТОКОВ СИНФАЗНОЙ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПОМЕХИИсточники вторичного питания электронной аппаратуры являются преобразователями электрической энергии и обязаны обеспечивать параметры, необходимые потребителю. Работа ИВЭП должна быть согласована с характеристиками питающей сети и удовлетворять большому числу требований, в том числе связанных с изменением режимов работы как сети, так и нагрузки.
Импульсные источники вторичного электропитания являются источниками интенсивных электромагнитных помех (ЭМП), т.к. сигналы в импульсных источниках представляют периодическую последовательность импульсов. Спектры таких сигналов занимают диапазон частот шириной до нескольких мегагерц. Так же ИВЭП сами довольно восприимчивы к влиянию внешних высокочастотных помех. В этой связи возникает необходимость как защищать импульсные преобразователи от внешних кондуктивных помех, проникающих через сетевой кабель, так и подавлять помехи которые генерируются апппаратом и наводятся в питающую сеть.

На рисунке показаны направления протекания токов помехи.

Ток синфазной помехи (common-mode) протекает по всем линиям в одном направлении. Синфазные помехи называют ещё асимметричными. Сигнал синфазной помехи измеряется между корпусом прибора (заземлением) и любым соединительным проводником (в т.ч. шиной питания) аппарата.

Ток дифференциальной помехи (differential-mode - "across-the-line"), наведенный на оба провода линии питания, протекает по ним в противоположных направлениях. Дифференциальные помехи так же называю симметричными. Сигнал дифференциальной помехи измеряется между двумя соединительными проводниками, или сигнальным проводником и общим полюсом, или между двумя шинами питания.

Разработчики электронной аппаратуры обязаны выполнять нормативы, определяющие допустимые уровни индустриальных помех. Этот фактор вызывает требование использовать специальные фильтры для подавления высокочастотных электромагнитных помех. Такие фильтры называют сетевыми. Их устанавливают между внешней сетью и ИВЭП. Фильтры защиты от радиопомех устанавливаются во входной и выходной цепях преобразователя. Такой фильтр должен подавлять как дифференциальную, так и синфазную составляющие ЭМП.

Элементы для построения сетевых фильтров

Сетевые фильтры должны ослаблять колебания высокой частоты и пропускать без ослабления колебания низкой (промышленной) частоты. Поэтому их реализуют на основе фильтров нижних частот (ФНЧ). Помехоподавляющие фильтры реализуют путем каскадного соединения Г-образных или Т-образных звеньев. Комбинируя такие звенья, добиваются нужного уровня затухания. Структура фильтра определяется во многом внутренним сопротивлением источника помех, сопротивлением сети и видом помех.  На рисунке показана типовая схема двухзвенного фильтра, обеспечивающего подавление синфазных и дифференциальных помех.

ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНОЙ ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИЙ ФИЛЬТР НА ВХОДЕ ИСТОЧНИКА ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОРОВ ТИПА X. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОРОВ ТИПА Y

● Конденсаторы типа X устанавливают между линиями (название происходит от английского термина across-the-line). К ним предъявляются высокие требования по безопасности. Они должны выдерживать максимально возможные в сети всплески напряжения, не должны загораться и не должны поддерживать горение.

● Конденсаторы типа Y предназначены для работы в тех местах, где выход их из строя угрожает жизни людей. Такие конденсаторы обладают повышенной электрической и механической прочностью.

В нашей стране используют конденсаторы типов
X1 и X2, Y1 и Y2.


● Увеличение емкости конденсатора CX улучшает фильтрацию дифференциальных помех, но приводит к увеличению реактивного тока.
● Увеличение емкости конденсатора CY улучшает фильтрацию синфазных помех, но увеличивает ток утечки.
● Увеличение индуктивности дросселей улучшает фильтрацию, но приводит к увеличению активного сопротивления обмоток.
Потому при проектировании сетевого фильтра важно соблюдать определенный баланс между величиной номиналов компонентов устройства.

В качестве конденсаторов CX CX1 следует применять металлоплёночные конденсаторы, желательно с полипропиленовым диэлектриком. Получить информацию о плёночных конденсаторах SPKF. Ёмкости CY могут быть как плёночными, так и керамическими конденсаторами. Получить информацию о керамических конденсаторах SPKC.

Самым сложным элементом фильтра является LY - так называемый синфазный дроссель, к которому предъявляются достаточно высокие требования по устойчивости к высокому электрическому напряжению между обмотками и по пропускной способности по току. Получить информацию о синфазных дросселях D2U. Получить информацию о синфазных дросселях D2T. В иделе, такие дроссели должны иметь две абсолютно одинаковые обмотки. Следует учитывать, что в реальных моточных изделиях всегда имеется некоторый поток рассеяния, и реальный "синфазный" дроссель обладает некоторой "дифференциальной" индуктивностью.

Индуктивности LX должны выдерживать большие токовые нагрузки. Для их изготовления эффективно применять либо ферритовые сердечники с зазором, либо сердечники из порошковых материалов с распределённым немагнитным зазором (магнитодиэлектрики). Получить информацию о синфазных дросселях DPT.

На следующих рисунках рассматривается влияние использования отдельных компонентов фильтра на спектр сигнала помех в сравнении с уровнем помех по стандарту EN55022. Импульсные ИВЭП генерируют наиболее сильные помехи в частотном диапазене сотен килогерц, наиболее близко к рабочим частотам импульсных преобразователей.

ЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР СИНФАЗНЫХ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ ● На рисунке приведен типовой "нефильтрованный" спектр сигнала помех импульсного источника питания, которыЙ не оснащён помехоподавляющим фильтром.
Заметно серъезное преобладание дифференциальной составляющей сигнала помех над синфазной.











ЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР СИНФАЗНЫХ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ ● На рисунке показан спектр сигнала помех при использовании одного фильтрующего конденсатора X-типа.
Заметно снижение уровня дифференциальных помех и отсутствие влияния на синфазный шум.











ЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР СИНФАЗНЫХ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ ● На рисунке показан спектр помех при совместном использовании конденсаторов X- и Y-типов.
Наблюдается довольно заметное подавление дифференциальных и синфазных помех.













ЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР СИНФАЗНЫХ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ ● На рисунке показан спектр помех при использовании X- и Y-типов конденсаторов с дросселелем для подавления синфазных помех.
Наблюдается серьезное снижение общего уровня помех (обеих составляющих).













КОЭФФИЦИЕНТ ВНОСИМОГО ЗАТУХАНИЯЭффективность фильтрации оценивают вносимым затуханием для сигнала помех.
ЗАВИСИМОСТЬ ВНОСИМОГО ЗАТУХАНИЯ (дБ) ОТ ЧАСТОТЫ СИГНАЛА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ НОМИНАЛОВ МОДИФИКАЦИЙ ДРОССЕЛЯ D2U ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩЕГО ФИЛЬТРАКоэффициент затухания выражают в децибелах по формуле:
Где:
A - коэффициент вносимого затухания;
U1 – напряжение помех
при отсутствии фильтра;
U2 – напряжение помех
при наличии фильтра.


Применение высокоэффективных индуктивно-емкостных помехоподавляющих фильтров позволяет обезопасить аппаратуру от вредного влияния внешних кондуктивных помех и снизить исходящие шумы, которые генерируются внутри самого прибора. Использование ППФ - одно из основных требований по электромагнитной совместимости современной радиоэлектронной аппаратуры.