№4 / 2013 / статья 3

Служба подавления помех: решения компании Sumida

Павел Трибунский (г. Москва)

лого 

 

Повсеместное применение электротехнических приборов и радиоэлектронных систем в промышленности, медицине, быту, их стремительное развитие ставит перед разработчиками ряд технических задач, одной из которых является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС).

ГОСТ определяет понятие электромагнитной совместимости как «способность технических средств функционировать с заданным качеством, в заданной электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам» [1].

Международные стандарты разделяют электромагнитные помехи на низкочастотные (основная часть энергетического спектра которых находится ниже 9 кГц), высокочастотные (в пределах от 9 кГц до 30 МГц) и радиочастотные (со спектральным составом свыше 30 МГц).

Фильтры сетевых помех компании Sumida главным образом ориентированы на подавление высокочастотных помех в диапазоне 9 кГц…30 МГц, поэтому в данной статье не рассматриваются вопросы качества энергоснабжения, связанные с просадкой сетевого напряжения, перенапряжением, расфазировкой, мощными импульсными помехами и др.

 

Природа сетевых электромагнитных помех

Источниками сетевых электромагнитных помех могут быть:

  • импульсные блоки питания;
  • тиристорные регуляторы яркости свечения ламп;
  • электроинструменты (электродрели, электрорубанки, и др.), бытовая техника;
  • электронные пусковые устройства (балласты) люминесцентных ламп дневного света.

Импульсные блоки питания (ИБП) являются неотъемлемой частью современного оборудования информационных технологий, автоматизации, бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Развитие схемотехники и элементной базы ИБП способствует увеличению экономичности, а также — уменьшению массогабаритных показателей за счет увеличения частоты преобразования электромагнитной энергии в пределах от нескольких сотен кГц до десятков МГц.

Регуляторы яркости свечения ламп работают на частотах от десятков до сотен кГц, электронные балласты люминесцентных ламп — на сотнях кГц.

Все перечисленное обостряет проблему надежности и стабильности одновременного функционирования различных технических средств в неблагоприятной обстановке, где, с одной стороны, необходимо обеспечить нормальное функционирование помехочувствительных приборов, с другой — защитить сеть и выполнить нормы по помехоэмиссии для потребителей электроэнергии, которые сами являются источниками помех.

Рассмотрим типы помех с точки зрения способа их распространения по сети электропитания. Различают синфазные и дифференциальные помехи (рисунок 1).

 

Принцип проникновения синфазной (а) и дифференциальной (б) помехи в сеть электропитания

 

Рис. 1. Принцип проникновения синфазной (а) и дифференциальной (б) помехи в сеть электропитания

Синфазная помеха возникает тогда, когда напряжение помехи воздействует на фазный и нейтральный проводники сети электропитания относительно заземляющего контакта. В этом случае токи помехи ICM1 и ICM2 текут по двум проводникам в одинаковом направлении, замыкаясь через цепь заземления.

Дифференциальная помеха в сети питания возникает в случае, когда напряжение помехи приложено между фазным и нейтральным проводниками, а токи дифференциальной помехи IDIFF имеют одинаковую величину, но противоположное направление.

Диаграмма (рисунок 2) условно разделяет помехи на дифференциальные и синфазные, показывает используемые в современной технике типовые методы подавления в зависимости от области спектра частот, в которой сконцентрирована основная доля их энергии.

 

Диаграмма типов помех и методов их подавления

 

Рис. 2. Диаграмма типов помех и методов их подавления

 

С целью фильтрации синфазных помех широко применяются дроссели со встречной намоткой (рисунок 3). Синфазные помеховые токи ICM1 и ICM2 текут через дроссель и, ослабляясь, замыкаются через цепь заземления. Сигнальный дифференциальный ток IS проходит через дроссель без ослабления.

 

Схема подавления синфазной помехи дросселем со встречной намоткой

 

Рис. 3. Схема подавления синфазной помехи дросселем со встречной намоткой

Для подавления дифференциальной помехи, как правило, используется проходной дроссель (рисунок 4). Дифференциальный ток IDIFF в обоих проводниках имеет одинаковую величину, но противоположное направление, и ослабляется дросселем.

 

Схема подавления дифференциальной помехи проходным дросселем

 

Рис. 4. Схема подавления дифференциальной помехи проходным дросселем

В таких устройствах, как импульсные источники питания, электронные балласты, стиральные машины или электрические инструменты, симметричная помеха может быть преобразована в дифференциальную. Для подавления помех от таких источников используются схемы фильтрации, комбинирующие описанные способы.

 

Нормативно-правовая база

К техническим средствам, предназначенным для подключения к низковольтным распределительным и промышленным электрическим сетям, отечественные ГОСТы предъявляют требования и устанавливают нормы по ограничению помехоэмиссии и обеспечению устойчивости к воздействию электромагнитных помех.

Вводится понятие «электромагнитной помехи» — любого электромагнитного явления, которое может ухудшить качество функционирования устройства, оборудования или системы. В частности, под сетевой помехой понимается электромагнитная помеха, передаваемая техническому средству по проводам, соединяющим его с электрической сетью [1].

Согласно нормам помехоэмиссии, выделяют два класса технических средств:

  • Класс А- технические средства всех видов и назначений, предназначенные для применения только в промышленных зонах, подключаемые к питающей сети с помощью штепселей и разъемов, предназначенных исключительно для подключения к промышленным электрическим сетям;
  • Класс Б- технические средства, предназначенные для применения в жилых, коммерческих и производственных зонах с малым энергопотреблением.

Нормы кондуктивных помех в полосе частот 0,15…30 МГц, согласно ГОСТу, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Нормы напряжения радиопомех на входных портах электропитания ТС в полосе частот 0,15…30 МГц [2]  

Полоса частот, МГц Норма, дБ (мкВ)
ТС класса А ТС класса Б
квазипиковое значение среднее значение квазипиковое значение среднее значение
0,15…0,5 79 66 56…66 56…46
0,5…5 73 60 56 46
5…30 73 60 60 50
Примечание: Норма уменьшается линейно с логарифмом частоты. На граничной частоте нормой является меньшее значение.

 

Решения компании Sumida
для подавления сетевых помех

Компоненты для подавления ассиметричных помех от Sumida с одной стороны ориентированы на защиту конечной аппаратуры пользователей от помех, распространяющихся по сети электропитания, с другой — на обеспечение требований международных стандартов по помехоэмиссии технических средств в сторону сети электропитания.

Портфолио компании Sumida включает в себя решения для борьбы как с синфазными, так и с дифференциальными помехами.

Как было сказано выше, для подавления синфазных помех применяются дроссели, которые содержат две одинаковые обмотки, включенные встречно. Такие дроссели чаще всего строятся на магнитопроводе с высокой магнитной проницаемостью. Конструктивной особенностью решений компании Sumida является применение многосекционной намотки катушек с уменьшенной собственной межвитковой емкостью и, соответственно, с большей частотой собственного резонанса.

При изменении частоты от нуля до частоты собственного резонанса катушки импеданс дросселя носит преимущественно индуктивный характер, при дальнейшем увеличении частоты сигнала начинает преобладать емкостной характер. Именно поэтому такой параметр, как частота собственного резонанса (Self Resonant Frequency) является одной из ключевых характеристик подобного рода устройств.

Наряду с классическими компонентами для подавления помех (рисунки 5 и 6), портфолио компании Sumida включает в себя собственные уникальные разработки — фильтры серии RK17S, RK23S, которые подробно рассмотрены в данной статье.

 

Внешний вид фильтров DP-F14

 

Рис. 5. Внешний вид фильтров DP-F14

 

 

Внешний вид фильтров серии DK

 

Рис. 6. Внешний вид фильтров серии DK

 

Преимущества фильтров для подавления сетевых помех компании Sumida:

  • соответствие климатическим категориям 40/125/56 стандарта IEC 68-1;
  • номинальная индуктивность на частоте 10кГц;
  • технологический допуск индуктивности обмоток +50…-30%;
  • соответствие стандартам электробезопасности EN 50176, EN 61347, EN 61800, EN 60335, EN 60065;
  • тестовое напряжения между обмотками 1500В, 50Гц, в течении двух секунд;
  • допустимый перегрев обмоток до 55°С;
  • максимальная рабочая температура обмоток 115°C.

В таблице 2 приведены основные параметры фильтров Sumida:

Ln — номинальная индуктивность обмотки в синфазном режиме;

In — максимальный рабочий ток через обмотку;

RCU — максимальное сопротивление обмотки;

Lleakage — номинальная величина индуктивности обмотки в дифференциальном режиме;

Qth — термосопротивление корпуса;

SRF — частота собственного резонанса фильтра.

Таблица 2. Параметры фильтров для подавления помех компании SUMIDA  

Серия Наименование Ln, мГн In,A Rcu, мОм Lleakage, мкГн Q th, K/Вт SRF, MГц Размеры, ШxДxВ, мм
DP DP-F14 3,3…100 0,35…1,8 110…3700 32…1100 0,15…2,0 15,1×19,0x14,0 21,0×19,0x12,5
RK RK 17 3,3…47 0,4…1,5 0,19…2,7 25…350 70 50 0,3…2,0 15,0×18,0x20,0 14,5×24,5×13,5
RK 17 + Bypass 3,3…47 0,4…1,0 0,18…2,5 120…1500 0,3…2,0 14,5×24,5×15,0
RK 19 3,3…47 0,6…2,1 0,12…1,2 25…330 52 0,25…1,5 18,0×21,0x23,0
RK 23 3,3…47 0,9…2,25 0,09…0,87 65…1000 33 0,25…1,0 24,5×26,5×14,0
RK 23 + Bypass 3,3…47 0,42…1,3 0,08…0,75 120…1500 0,22…1,0 24,5×28,0x14,0
RK 26 3,3…47 1,0…3,9 0,054…0,82 25…330 35 0,2…1,0 22,5×27,0x28,5
RK 28 3,3…47 1,4…4,6 0,048…0,52 25…310 30 0,2…0,8 24,5×29,0x31,0
DK DK 30 3,3…47 0,3…1,5 0,17…2,5 35…540 65 0,2…1,5 17,5×18,0x13,0
DK 31 3,3…47 0,3…1,5 0,17…2,5 35…540 58 0,2…1,5 13,5×18,5×20,5
DK 40 3,3…27 0,8…2,5 0,07…0,6 0…240 50 0,18…1,2 22,5×22,5×15,5
DK 41 3,3…27 0,8…2,5 0,07…0,6 0…240 45 0,18…1,2 16,0×23,5×25,5
DK 50 3,3…47 0,6…2,8 0.06-1.1 40…600 37 0,2…0,8 27,5×28,0x18,0
DK 51 3,3…47 0,6…2,8 0.06-1.1 40…600 34 0,2…0,8 18,5×27,5×30,5
DK 60 3,3…10 1,8…4,0 0,06…0,22 35…130 30 0,2…0,8 32,5×33,0x18,0
DK 61 3,3…10 1,8…4,0 0,06…0,22 35…130 24 0,2…0,8 18,5×32,5×35,5
E E 16/4.7 14…60 0,2…0,32 1,8…4,1 270…1220 76 0,12…0,4 13,5×18,0x18,5
E 20/5.9 21…112 0,2…0,55 0,78…5,2 350…1800 57 56 0,075…0,2 21,5×21,5×16,5 13,5×21,0x23,5

 

Серия Наименование Схема фильтра Область применения
DP   DP-F14       3-1 подавление синфазной помехи  
RK   RK 17       3-2 подавление синфазной помехи  
RK 17 + Bypass   подавление синфазной помехи подавление дифференциальной помехи
RK 19   подавление синфазной помехи  
RK 23  
RK 23 + Bypass   подавление синфазной помехи подавление дифференциальной помехи
RK 26       3-3 подавление дифференциальной помехи  
RK 28       3-4
DK   Вся линейка       3-5 подавление синфазной помехи высокое значение тока нагрузки
E   E 16/4.7       3-6 подавление синфазной помехи гальваническая развязка
E 20/5.9  

 

 

 

Фильтры серии RK с дополнительным магнитопроводом

Особый интерес представляют фильтры серии RK (рисунок 7) с дополнительным магнитопроводом (Magnetic Bypass) — RK17S и RK23S (рисунок 8).

 

Внешний вид фильтров серии RK

 

Рис. 7. Внешний вид фильтров серии RK

 

 

Внешний вид фильтров RK17S (справа) и RK23S (слева)

 

Рис. 8. Внешний вид фильтров RK17S (справа) и RK23S (слева)

 

Особенности серии:

  • Дополнительный магнитопровод, позволяющий использовать фильтр в качестве универсального средства для борьбы с синфазной и дифференциальной помехами;
  • соответствие стандартам электробезопасности EN 50176, EN 61347, EN 61800, EN 60335, EN 60065;
  • тестовое напряжения между обмотками 1500В, 50Гц, в течении двух секунд;
  • соответствие климатическим категориям 40/125/56 стандарта IEC 68-1;
  • максимальная рабочая температура обмоток 115°C.

Серия RK включает в себя два варианта конструктивного исполнения. Габаритно-установочные размеры корпуса RK-17S составляют 14,5×24,5 мм, размеры фильтра RK23S составляют 24,5×28 мм. Таким образом, RK17S занимает в два раза меньшую площадь на печатной плате конечного изделия, чем RK23S.

Конструктивно фильтр представляет собой две катушки, включенные встречно на общем кольцевом магнитопроводе с высокой магнитной проницаемостью. Каждая катушка состоит из двух секций, разделенных пластиковым ограничителем, что позволяет уменьшить межвитковую емкость и увеличивает частоту собственного резонанса фильтра.

Рассмотрим подробнее принцип действия дополнительного магнитопровода. На рисунке 9 для случая синфазной помехи приведено распределение силовых линий магнитного поля ядра магнитопровода классического дросселя со встречной намоткой и магнитопровода дросселя с Bypass.

 

Силовые линии магнитного поля дросселя без Bypass (а) и дросселя с Bypass (б)

 

Рис. 9. Силовые линии магнитного поля дросселя без Bypass (а) и дросселя с Bypass (б)

В случае с классическим кольцевым исполнением магнитопровода силовые линии магнитного поля синфазной помехи замыкаются снаружи ядра.

Наличие Bypass в конструкции дросселя позволяет замкнуть силовые линии магнитного поля синфазной помехи внутри ядра магнитопровода, тем самым уменьшив долю излучаемой электромагнитной энергии, при этом увеличив эквивалентную индуктивность катушки по отношению к току синфазной помехи, обеспечить подавление высокочастотной дифференциальной помехи без использования дополнительных электронных компонентов (рисунок 10).

 

Зависимость допустимого среднеквадратического значения тока дросселей серии RK от индуктивности катушек

 

Рис. 10. Зависимость допустимого среднеквадратического значения тока дросселей серии RK от индуктивности катушек

Перечисленные качества дросселя с дополнительным магнитопроводом значительно упрощают схемотехнику сетевого фильтра и сокращают объем, занимаемый им в конструкции конечного устройства.

На рисунке 11а приведена схема классического сетевого фильтра. Дроссель со встречной намоткой используется для подавления синфазной составляющей сетевой помехи, проходной дроссель ослабляет дифференциальную часть. Указанные компоненты занимают определенное место на печатной плате сетевого фильтра. Фильтр серии RK с дополнительным магнитопроводом (рисунок 11б) позволяет заменить два компонента одним.

 

Классическая схема сетевого фильтра (а) и схема на базе RK + Bypass (б)

 

Рис. 11. Классическая схема сетевого фильтра (а) и схема на базе RK + Bypass (б)

В качестве примера для оценки эффективности применения фильтров серии RK с дополнительным магнитопроводом приведен рисунок 12, на котором отражено частотное распределение напряжения помехи на сетевых контактах электронного пускового устройства (балласта) люминесцентной лампы в логарифмических единицах (дБмкВ).

 

Спектр напряжения помехи электронного балласта при использовании фильтра RK без Bypass (красный цвет) и фильтра RK с Bypass (зеленый цвет)

 

Рис. 12. Спектр напряжения помехи электронного балласта при использовании фильтра RK без Bypass (красный цвет) и фильтра RK с Bypass (зеленый цвет)

 

График красного цвета соответствует фильтру серии RK без дополнительного магнитопровода, график зеленого цвета — фильтру серии RK с дополнительным магнитопроводом. Кроме спектра помех на рисунке приведены нормы помехоэмиссии, соответствующие стандартам EN 55015QP, ГОСТ Р 50745-99 в отношении технических средств промышленного применения (Класс А) и ГОСТ Р 50745-99 для технических средств коммерческого и бытового назначения (Класс Б). Из графиков видно, что применение фильтра RK с дополнительным магнитопроводом позволяет выполнить требования всех трех стандартов.

 

Серия RK17S с дополнительным магнитопроводом

Габаритные размеры, импеданс и технические характеристики фильтров серии RK17S с дополнительным магнитопроводом рассмотрены на рисунках 13, 14 и в таблице 4.

 

Габаритные размеры фильтра RK-17 с дополнительным магнитопроводом

 

Рис. 13. Габаритные размеры фильтра RK-17 с дополнительным магнитопроводом

 

 

Импеданс фильтров серии RK-17 в синфазном режиме в зависимости от частоты

 

Рис. 14. Импеданс фильтров серии RK-17 в синфазном режиме в зависимости от частоты

 

Таблица 4. Технические характеристики фильтров серии RK-17 с дополнительным магнитопроводом  

Наименование Ln,мГн Rcu, Ом IRMS, A Isat, A LLeakage, мкГн
570 16 033 1H 3,3   0,18   0,70   1,00   120  
570 16 068 1H 6,8   0,27   0,50   0,70   220  
570 16 100 1H 10   0,50   0,.46   0,65   330  
570 16 150 20 15   0,65   0,43   0,64   500  
570 16 270 1H 27   1,30   0,40   0,55   900  
570 16 390 20 39   2,25   0,30   0,42   1250  
570 16 470 10 47   2,50   0,28   0,40   1500  

 

В таблице 4 приняты следующие обозначения:

Ln — номинальная индуктивность обмотки в синфазном режиме;

RCU — максимальное сопротивление обмотки;

Lleakage — номинальная величина индуктивности обмотки в дифференциальном режиме;

IRMS — номинальный ток обмотки;

Isat — ток обмотки, при котором наступает насыщение магнитопровода.

 

Серия RK23S с дополнительным магнитопроводом

Импеданс и технические характеристики фильтров серии RK23S с дополнительным магнитопроводом представлен на рисунке 15 и в таблице 5.

 

Импеданс фильтров серии RK-23 в синфазном режиме в зависимости от частоты

 

Рис. 15. Импеданс фильтров серии RK-23 в синфазном режиме в зависимости от частоты

 

Таблица 5. Технические характеристики фильтров серии RK-23 с дополнительным магнитопроводом   

Наименование Ln, мГн Rcu, Ом IRMS, A Isat, A Lleakage, мкГн
570 18 033 1H 3,3   0,08   0,92   1,30   120  
570 18 068 10   6,8   0,14   0,78   1,10   220  
570 18 100 10   10   0,19   0,53   0,75   330  
570 18 150 1H 15   0,30   0,45   0,65   500  
570 18 270 1H 27   0,45   0,35   0,50   900  
570 18 390 10   39   0,61   0,32   0,45   1250  
570 18 470 1S 47   0,75   0,30   0,42   1500  

 

Заключение

Серия продуктов компании SUMIDA для подавления сетевых помех позволяет обеспечить защиту помехочувствительных нагрузок от помех, распространяющихся по сети электропитания, а также выполнить требования международных и отечественных стандартов по помехоэмиссии устройств с переключаемыми силовыми элементами, в частности — импульсных блоков питания.

Особый интерес для разработчиков представляют серии фильтров RK17S и RK23S со встроенным дополнительным магнитопроводом, наличие которого позволяет ослабить как синфазную, так и дифференциальную составляющую помехи. Серия может найти широкое применение при конструировании оборудования для телекоммуникаций, бытовой аппаратуры.

 

Литература

1. ГОСТ Р 50397-2011 (МЭК 60050-161:1990). Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения.

2. ГОСТ Р 50745-99. Системы бесперебойного питания. Устройства подавления сетевых импульсных помех. Требования и методы испытаний.

3. /wordpress/wp-content/uploads/2013/02/Workshop_compel_Praesentation_3_kompr_rus.pdf  

4. http://www.Sumida-eu.com/redx_tools/mb_download.php/mid.084049047083057111110081102114115061/Entstoerdrosseln.pdf 

5. http://www.Sumida-eu.com/redx_tools/mb_download.php/mid.070073068118068110097107071054048061/Enstoerdrosseln_mit_Bypass.pdf

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: passive.vesti@compel.ru

 

 

Наши информационные каналы

Рубрики:

О компании Sumida

Концерн Sumida – один из мировых лидеров по производству индуктивных компонентов. Производство катушек индуктивности Sumida начала в 1965 году. В последующие годы компания прочно завоевывает азиатский и североамериканский рынки, полностью обеспечивая потребителей недорогими и качественными элементами индуктивности. В настоящее время каталог продукции Sumida содержит свыше 31 000 различных наименований изделий. Они выполнены с использованием самых передовых технологий, разрабатываемых в нау ...читать далее