Универсальный сетевой фильтр с защитой от перенапряжений

Широкое распространение в быту различных мощных электрических и электронных устройств с большим потреблением энергии способствует появлению в питающей сети высокочастотных и импульсных помех.

Существует немало и внешних источников, например, основная энергия молнии находится в спектре частот до 100 кГц. Чтобы защитить аппаратуру от проникновения этих помех по питающей сети, необходимо подключить ее через соответствующий фильтр, а для защиты от скачков напряжения - , о чем и поговорим в данной статье.

В настоящее время получили распространение в быту различные сетевые фильтры типа: Pilot, Vektor, SVEN и другие, которые препятствуют прохождению помех и защищают от выбросов питающего напряжения (последнее выполняют не все модели).

Необходимость применения фильтра вызвана тем, что в современной радиоаппаратуре довольно часто используются импульсные источники питания (они есть в любом телевизоре, видеомагнитофоне, компьютере и многих других устройствах), которые не только сами являются источником сетевых помех, но и значительно быстрее реагируют на внешнюю кратковременную перегрузку, чем выполненные на низкочастотном сетевом трансформаторе.

Чтобы знать, на что следует ориентироваться при самостоятельном изготовлении такого устройства, рассмотрим технические параметры промышленных образцов сетевых фильтров-ограничителей напряжения, которые имеются в продаже (табл. 1).

Таблица 1. Параметры промышленных сетевых фильтров.

Хорошие фильтры промышленного изготовления выполняются в виде удлинителя, имеющего много розеток с общим выключателем (еще удобнее, когда дополнительно каждая розетка имеет свой выключатель, как это сделано в моделях SVEN Platinum и SVEN Platinum Pro.

Такие изделия довольно дорогие, а дешевыѳ (импортные) имитаторы, продающиеся под видом фильтров, но смогут ни от чего защитить.

Электрический фильтр обычно состоит из конденсаторов и катушек индуктивности, соединенных по специальной схеме. Параметры фильтра подбираются так, чтобы он ограничивал полосу частот, поступающих на вход питаемого устройства, по создавая при этом никаких препятствий для прохождения основной частоты (50 Гц). Если на сетевое напряжение накладываются высокочастотные помехи, задача фильтра их существенно ослабить..

В хорошем сетевом фильтре бывает предусмотрена еще и защита от перенапряжений. Только в этом случае при возникновении в питающей сети опасного импульса его энергия но дойдет до потребителя энергии.

Автора не удовлетворило качество широко известных промышленных фильтров, выпускаемых под торговой маркой PILOT. После проверки ослабления проходящего сигнала на частоте 10 кГц в фильтре Pilot GL выяснилось, что его практически нет.

Все стало понятным после вскрытия корпуса — там оказался однокаскадный фильтр, собранный по типовой схеме (рис. 2, а — катушки содержат всего по 10 витков на кольцевом магнитопроводе), и три дисковых на рабочее напряжение 430 В.

Все это размещено на печатной плате без экрана, т. е. такое изделие может еще являться и излучателем помех (в чем не сложно убедиться, положив рядом сигнальный кабель от принтера, когда он печатает).

Это лишний раз говорит, что реклама способна творить чудеса — так получается значительно дешевле, чем выпускать качественные товары. А судя по тем справочным данным, что приводятся и для других фильтров из указанных в табл. 1, есть подозрение что они ничем не лучше “Пилота" в части выполнения своей основной задачи.

Кроме законченных конструкций, отечественная промышленность производит модули двухкаскадных сетевых фильтров, например, из серии Д19 (рис. 1), но они рассчитаны на небольшие токи (2-5 А), так как предназначены для установки внутри радиоаппаратуры и позволяют бороться с помехами в самом их источнике.

Рис. 1. Вид конструкции промышленного модуля двухкаскадного сетевого фильтра из серии Д16.

Для бытовой электроники обычно большего тока и не требуется — если вам удастся раздобыть такой фильтр, то остается его вставить в корпус с розетками и подключить, добавив элементы защиты от перенапряжений.

Показанный на рисунке модуль фильтра имеет габариты 110x65x25 мм (для типа Д19-4 на ток 2 А общая индуктивность дросселей в каждой цепи — 6,2 мГн, конденсаторы между каждой линией и заземлением 0,1 мкФ, входные емкости по 1 мкФ). При этом данный фильтр обеспечивает ослабление сигнала уже на частоте 10 кГц — в 5,3 раза (14,5 дБ).

Можно встретить в продаже аналогичного назначения импортные узлы, например, из серий FIL, FEN, рис. 2 (пунктиром на схеме нарисованы элементы, которые могут устанавливаться в некоторых моделях из серии), но такие фильтры однокаскадные, а как показывает практика, это явно недостаточно.

Рис. 2. Внешний вид и схема встраиваемых в радиоаппаратуру сетевых фильтров.

Выпускаются также и другие серии фильтров, в том числе и двухкаскадные, с большим перечнем которых можно познакомиться в Интернете [Л 18].

Чтобы не платить больших денег за промышленные изделия сомнительного качества, хороший сетевой фильтр универсального применения вполне можно изготовить и самостоятельно. Это вам по силам — схемотехника таких узлов давно не является секретом.

Принципиальная схема фильтра

Рассмотрим сначала схему фильтра, приведенную на рис. 3. Для большей эффективности он сделан двухкаскадным и от классического отличается только тем, что катушки дросселей L1 - L2 и L3 - L4 выполнены на магнитопроводе и благодаря магнитной связи между обмотками обеспечивают более эффективное подавление низкочастотной, наведенной одновременно на обоих проводах линии (синфазной) помехи.

Для этого надо соблюдать фазировку подключения выводов, как это показано на схеме, а также обеспечить симметричность намотки катушек — в этом случае подмагничивания магнитопровода сердечника не будет. Катушки L1 - L2 и конденсаторы С1 - С2 обеспечивают подавление самых высокочастотных помех, a L3 - L4 и остальные конденсаторы - частот ниже 200 кГц.

Рис. 3. Схема двухкаскадного сетевого фильтра на 220В для самостоятельного изготовления.

Обмотки L1 и L2 содержат по 12 витков и намотаны нихромо-вым проводом (00,8...0,9 мм) на кольцевом ферритовом сердечнике М2000НМ типоразмера КЗ 1x19x7,5 с небольшим шагом (для уменьшения межвитковой емкости).

Обмотки располагаются раздельно на противоположных частях сердечника, с зазором между выводами обмоток (2...4 мм). Благодаря использованию нихрома (его нужно два отрезка длиной по  примерно 450 мм) эти катушки будут являться одновременно и ограничивающими ток резисторами (с сопротивлением около 0,8 Ом), что потребуется в дальнейшем, если мы будем вводить в схему элементы защиты от импульсных помех. Их индуктивность получается примерно 0,16 мГн.

До намотки катушек острые ребра магнитопровода надо закруглить наждачной бумагой или напильником, после чего сердечник обматывается фторопластовой лентой в два слоя.

Обмотки катушек L3 и L4 имеют индуктивность по 0,7 мГн — в этом желательно убедиться по прибору и добиться их симметричности, т. е. одинаковых значений индуктивности. В качестве сердечника подойдет любое железо от сетевого трансформатора, но получить минимальные габариты конструкции удастся только при использовании кольцевого магнитопровода из феррита марки М1000...М4000НМ (К40х25х7,5 — 2 штуки) или, что еще лучше, аль-сиферового сплава МП 140 типоразмера КП36х25х7,5 (2 части).

Так, например, для сердечника марки МП140, чтобы получить указанную индуктивность, потребуется намотать каждую обмотку по 70 витков проводом ПЭВ диаметром 0,85 мм (намотка виток к витку).

Но так как вся обмотка не поместится в одном слое, ее остаток доматывается после изоляции первого слоя (на противоположных сторонах катушек оставить свободным зазор между обмотками 2...3 мм). Внешний вид намотки и расположение обмоток для Т2 показано на рис. 4. В качестве изоляционного материала лучше взять узкую (5 мм) фторопластовую ленту.

Сами катушки фиксируются на плате длинным винтом, как это показано на рис.4, 6.

При монтаже катушек на плату надо под Т1 подложить асбестовую или слюдяную прокладку — в этом случае при перегрузке нагрев обмотки не повредит плату. А так как нихром плохо паяется, выводы катушек L1 и L2 крепятся к печатной плате винтами М2,5x6.

Для того чтобы обеспечить эффективную работу фильтра и на высоких частотах, при изготовлении в первом каскаде все конденсаторы необходимо применять высокочастотные из серий, допускающих работу на переменном токе при напряжении не менее 500 В, например К15-5-1,6 кВ (номиналы допустимо использовать и большие, чем это указано на схеме, если габариты деталей позволяют их разместить на приведенной ниже печатной плате).

Рис. 4. Конструкция и вид намотки катушек на магнитопроводе МП 140.

Так как такие конденсаторы не выпускаются на большие номиналы, приходится увеличивать индуктивность катушек и использовать дополнительно низкочастотные конденсаторы С5-С7 — они позволяют эффективно подавлять низкочастотные помехи бытового и промышленного происхождения, проникающие из сети. В качестве конденсаторов С5-С7 из отечественных можно использовать К73-16В, К73-15, К73-11, К42У-2 на 630 В или аналогичные.

Казалось бы, что для лучшей фильтрации надо значительно увеличивать емкость входных конденсаторов, но при этом увеличивается и реактивная составляющая мощности в цепи, что плохо. По этой причине обычно входную емкость не используют больше 1 мкФ, но и такие конденсаторы конструктивно не удобны из-за своих больших габаритов.

Если кого-то заинтересует полный инженерный расчет сетевого фильтра, то его можно найти в книге [Л 19]. Здесь же будет приведена только минимально необходимая информация, которая может сейчас пригодиться.

Диаметр провода для намотки катушек L3-L4 зависит от максимального тока (суммы токов) всех потребителей, который вы хотите получить на выходе фильтра следующим образом:

где:

• d — диаметр провода, мм;
• I — максимальный действующий ток в цепи, А;
• j — допустимая максимальная плотность тока, А/мм2 (в данном случае ее можно принять любую из интервала 6... 10 А/мм2).

При максимальной плотности тока 8 А/мм2 диаметр провода для тока 10 А составит 1,26 мм (Рнагр = 2,2 кВт — такая мощность вряд ли когда потребуется); для 8 А — 1,13 мм (Рнагр = 1,76 кВт); для 4,54 А — 0,85 мм (Рнагр = 1 кВт).

Так как удобнее иметь два фильтра по 1 кВт, чем один на 2,2 кВт, мы остановимся на меньшей мощности (1 кВт) и выбираем для намотки провод диаметром 0,85 мм.

Конструктивное выполнение фильтра тоже имеет большое значение. Надо исключить проникновение помехи со входа на выход через паразитные емкости монтажа и электромагнитную связь, для чего необходимо рбеспечить экранирование каскадов, выделенных на схеме пунктиром.

Для индикации наличия напряжения на контактах выходных розеток служит светодиод HL1 (подойдет любой из серии КИПД). В качестве соединительного кабеля можно использовать гибкий многожильный провод, имеющий 3 жилы с сечением каждой не менее 0,75 мм2.

Схема ограничителя напряжения

Теперь о том, как сделать ограничитель напряжения. рассмотрим схему ограничителя, как показано на рис. 5.

Варисторы RU1-RU2 могут быть применены любого типа (с рассеиваемой энергией 60...150 Дж), но имеющие дисковую конструкцию корпуса, что удобно для монтажа, например TVR14431 (115 Дж, 430 В), S14К420 (90 Дж, 420 В) и другие.

В этом случае печатная плата изменений не потребует, так как на ней уже было предусмотрено место для установки защитны* варисторов и диодов. Диоды VD2, VD3 (1.5КЕ440А или Р4КЕ440А) могут быть заменены одним сдвоенным, типа 1.5КЕ440СА. Работа варистора и защитных диодов подробно описана ранее, поэтому здесь повторяться не буду.

Рис. 5. Фильтр с ограничителем уровня выходного напряжения.

Рис. 6. Топология печатной платы и расположение элементов.

Монтаж элементов выполняется на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5...2,5 мм, рис. 6. Для увеличения плотности монтажа диоды VD2, VD3 находятся под конденсатором Сб. Конденсатор С5 можно составить из двух расположенных по высоте. А для удобства подключения внешних цепей на плате могут быть установлены контактные винтовые зажимы.

Внешний вид собранной платы показан на рис. 7. Для обеспечения хорошей высокочастотной фильтрации элементы схемы надо располагать в двух экранированных секциях (экран можно сделать из тонкой медной фольги) и в качестве корпуса использовать коробку подходящих размеров.

Рис. 7. Внешний вид собранной платы фильтра (без экрана).

Внешний вид пластмассового корпуса, где это может все разместиться, показан на рис. 8, его размеры 200x110x45 мм. Выходные розетки (XS1-XS4) использованы разных типов — это зависит от конкретных подключаемых устройств (не все имеют вилку с заземлением и ставить везде розетки с заземлением нет необходимости, к тому же они занимают больше места).

Установка дополнительных выключателей SA2-SA4, кроме общего (SA1), позволяет из четырех розеток три независимо отключать (вспомогательные устройства, например модем, сканер, звуковой усилитель и др.), что бывает удобно.

Рис. 8. Внешний вид законченной конструкции корпуса универсального фильтра.

При выбросе напряжения в сети амплитудой более чем 440 В сначала срабатывают защитные диоды, а потом варисторы, ограничивая напряжение.

Если в подключенной аппаратуре произошло короткое замыкание, предохранители (FU1, FU2) отключают нагрузку от сети. Срабатывание плавкого предохранителя может произойти и в том случае, если энергия импульса перенапряжения значительно больше энергии, рассеиваемой варисторами (от чего они разрушаются, защищая подключенную аппаратуру).

Обычно в промышленных сетевых защитных устройствах устанавливают не только плавкие предохранители, но и токовые выключатели (чаще оба вида одновременно). Если у вас в квартире на сетевом вводе уже стоит такого вида защита, то в приставке их можно не ставить.

Технические параметры у такого фильтра следующие:

• входное и выходное напряжение частотой 50 Гц до 240 В;
• допустимая мощность нагрузки не более 1000 Вт;
• максимальный ток нагрузки 4,54 А;
• ослабление высокочастотных помех на частоте:10 кГц — 2,2 раза (вносимое затухание — 6,8 дБ); 50 кГц — 86,2 раза (38,7 дБ).

На частотах 100 кГц и выше затухание не измерялось, но и так очевидно, что оно будет значительно больше, чем у массовых промышленных аналогов.

Литература: Радиолюбителям полезные схемы, Книга 5. Шелестов И.П.