Простой фильтр помех по питанию. Сетевой фильтр для аудиоаппаратуры своими руками

Простой фильтр помех по питанию. Сетевой фильтр для аудиоаппаратуры своими руками

Приведена принципиальная схема простого сетевого фильтра, который поможет защитить от помех радиоэлектронную аппаратуру с питанием от сети переменного тока.

Фильтр состоит из двух конденсаторов и дросселя. Схема очень простая, но тем не менее ее работоспособность во многом зависит от правильности изготовления дросселя 1-2-3-4.

Рис. 1. Схема простейшего сетевого фильтра для защиты от помех.

Рис. 2. Ферритовые кольца для изготовления дросселя.

Обмотки 1-2, 3-4 дросселя содержат по 15 витков провода МГТФ (провод во фторопластовой изоляции). Можно применить и обычный эмалированный провод диаметром 0,25 - 0,35мм.

Рис. 3. Как намотать дроссель для сетевого фильтра.

Берем ферритовое кольцо кольцо с диаметром примерно 20 мм, мотаем на него две обмотки в разные стороны и в разном направлении до встречи на другой половине кольца. Принцип намотки показан на рисунке 3. Таким образом обмотки получаются намотаны в разную сторону и каждая на своей половинке ферритового кольца.

Конденсаторы в схеме должны быть рассчитаны на напряжение 400В и больше.

Более совершення схема сетевого фильтра представлена на рисунке 2, здесь предполагается что вместе с питанием 220В у нас есть еще провод заземления. Также присутствует включатель S1 и предохранитель F1, которые служат для включения-отключения питания и защиты от перегрузки по току в нагрузке.


Рис. 2. Схема более совершенного самодельного сетевого фильтра.

Дроссель изготавливаем по такому же принципу, как и для схемы на рисунке 1. Диаметр провода для дросселя, а также ток для предохранителя и мощность переключателя нужно выбрать исходя из потребляемой мощности в нагрузке.

Изготовив простой фильтр на основе дросселя и конденсаторов можно значительно снизить количество помех.Если же нужна более хорошая фильтрация то придется обратиться к более сложным схемам фильтров с несколькими звеньями фильтрации.

Эти устройства стали обязательным атрибутом оргтехники, бытовой техники и многих радиолюбительских приборов. Это устройство защищает цепи питания электронной аппаратуры от высокочастотных и импульсных помех, возможных скачков напряжения.

Первая конструкция, предназначенна для защиты питаемого устройства от внешних помех и импульсных выбросов сети.



Дроссель L1 имеет магнитосвязанные встречно соединенные электрически изолированные половинки индуктивностью 5,6 мГн. Светодиод D4 горит в рабочем состоянии, а D2 светится только при перегорании плавкой вставки F1. Варистор R5 на напряжение пробоя 275 вольт надежно защитит от импульсных помех.

Следующая схема универсального фильтр не пропускает высокочастотные помехи как в питающий прибор, так и обратно в сеть переменного тока.


В фильтре применяются емкости С1…С4, С9…С12 - КПБ - 0,022 мкФ - 500 вольт, С5…С8, С13, С14 - КТП-3 - 0,015 мкФ - 500 вольт (керамические конденсаторы, красного цвета, с резьбой М8 - 0,75). Неоновая лампочка VL1 предназначена для индикации работы фильтра. Дроссели ДР1 намотаны обычным двойным изолированным сетевым проводом, на сложенных вместе ферритовых стержнях от антенны, сечение магнитопровода диаметром 4,2 см 2 . Стержни должны быть плотно уложены друг на друга и обмотаны тремя слоями изоляционной лакоткани. Поверх нее мотается обмотка, содержащая семь витков провода. Получившийся элемент больше похож на проходной трансформатор, чем на дроссель. Дроссели Др2 намотаны на керамических стержнях диаметром 12 мм и длиной 115 мм до полного их заполнения), Др3 бескаркасные, имеют по девять витков на оправке диаметром 10 мм и длиной 41 мм, проводом ПЭВ-2 диаметром 1,5 мм.

Для общего развития рассмотрим классические заводские схемы сетевых фильтров типа Pilot.


Первая самая простая схема – Pilot L, расчитана на максимальный ток до 10 ампер. Вторая схема Pilot Pro куда более эффективная хоть максимальный ток такой же как и в первой. На третьем нижнем рисунке приведена электрическая схема фильтра типа APC E25-GR.


Первую кратковременную арию промышленной сети я услышал в детстве, вставив в розетку на 127 вольт абонентский громкоговоритель. Радио с частотой в 50 Гц отпело быстро, извергнув запах трансформаторного масла. Этот опыт я никому не советую повторить. Лучше найдите карманный или переносной приёмник с диапазоном длинных и средних волн и встроенной магнитной антенной. Настройтесь на любую радиостанцию и поднесите приёмник к включённой энергосберегающейили светодиодной лампе, прислоните к выключенному, но оставленному в дежурном режиме телевизору, к вставленному с сеть блоку питания выключенного компьютера, к зарядке мобильного телефона и, наконец, просто к сетевым проводам. Вместо радиопередачи услышите шум, треск, свист, рокот, урчание.Теперь промышленная сеть благодаря современным источникам питания потребителей энергии превратилась в источник помех, а сами сетевые провода в передающие антенны этих помех.

Все современные сетевые блоки питания электронных устройств изменились. Теперь редкость отыскать громоздкий понижающий трансформатор, включающий в себя килограммы меди и железа. Компьютерный блок питания сегодня уменьшается на ладони. Такое стало возможно благодаря применению импульсных блоков питания, которые преобразуют напряжение из переменного в постоянное стабилизированное. Составная часть новыхисточников питания представляет собой генераторы импульсов с частотами от 40 кГц до 1 МГц и более. Спектр импульсного сигнала богат высшими гармониками, они то и мешают нормальной работе приёмника, забивая диапазон помехами. Таким образом,экономия энергопотребления, металла, уменьшение веса и габаритов негативно сказывается на показателях сети и она помимо основного синусоидального сигнала с частотой 50 Гц, содержит ещё массу других ненужных сигналов, мешающих работе других устройств.

Первое, что я сделал, когда на экране телевизора появлялись помехи в момент, когда сын в соседней комнате работал на мощном компьютере, это обрезал сетевые провода от его блока питания и сделал самодельную вставку сетевого фильтра. Промышленный сетевой фильтр, укомплектованный розетками (сетевой удлинитель с фильтром), помогал слабо, ибо в нём тоже экономили на меди, феррите и стали. Конечно, в промышленном масштабе я допускаю экономию, но когда это касается меня лично, то тут не до экономии. С меня спросят по полной за плохую картинку на экране телевизора.

Задача сетевого фильтра пропустить частоту 50 Гц и вырезать всё, что выше этой частоты. Такой фильтр имеет название ФНЧ - фильтр нижних частот, именно их он должен пропустить без потерь, подавив все высокочастотные помехи, которые принимает приёмник в СВ, ДВ и КВ диапазонах и которые образуют помехи на экране телевизора. Несмотря на то, что источники питания изменились, не изменились фильтры, их конструкция осталась неизменной на протяжении столетнего периода и ничего нового в самодельной конструкции не будет. Будет только большее количество звеньев самого фильтра, ибо, чем их больше, тем больше подавление помех, и тем лучше фильтр и тем он мне более дорог и вовсе не потому, что имеет какую-то стоимость, а потому, что справляется со своей задачей лучше заводского. Решить задачу подавления помех, всё равно, что вернуться в прошлое.Всё на чём в свое время было сэкономлено, как в металле, так и в размерах придётся вернуть обратно, но не в виде трансформаторов, а в виде фильтров ФНЧ, которые чем-то напоминают трансформатор.

На фото современный сетевой блок питания, а на переднем плане секционный дроссель, который служит для защиты сети от помех этого блока. От двух до четырёх секций проводов намотаны таким образом, что наводящие в них высокочастотные поля взаимно компенсируются, замыкаясь на сердечнике дросселя. Такому устройству даже не нужна экранировка, уже сам замкнутый сердечник дросселя является экраном, концентрируя вокруг себя излучающие поля в виде замкнутых окружностей.

Всё бы ничего, но прогресс не стоит на месте, и уже на следующей плате вы обнаружите материальную экономию, где вместо фильтра помех,место сердечника и катушек занимают две перемычки. Такая рационализация существенно подпортит работу приёмника или телевизора. Только теперь не пытайтесь вскрывать все блоки питания и проверять, стоят ли там дроссели, поглощающие помехи, возможно, такой блок стоит у соседа, но он об этом даже не подозревает.

По выходным на даче существенно рябила картинка при приёме аналогового телевизионного вещания на активную внешнюю антенну. Но это и понятно: работали газонокосилки, поливальные насосы, заряжались ноутбуки и сотовые телефоны. На нижних участках диапазона, начиная с первой программыбольше всего было помех. Спас положение всё тот же сетевой фильтр, установленный в разрыв сетевого провода питания антенного усилителя непосредственно перед блоком питания усилителя. Кстати он же, включенный аналогичным образом, немного улучшит качество приёма эфирного цифрового сигнала («зависаний» или «мозаики» будет меньше при неуверенном приёме).


Зачистить сразу всю сеть от помех - задача трудоёмкая, а вот найти источник помех, заблокировать его дополнительным фильтром или защитить электронное устройство аналогичным фильтром –вполне реально. У любого мастера – ломастера всегда найдётся в кладовке картонная коробка, куда складываются платы от старых компьютеров, телевизоров, всевозможных, вышедших из строя зарядных устройств и платы других электронных блоков. У таких плат можно позаимствовать детали для изготовления самодельного сетевого фильтра. Сам дроссель установлен непосредственно около шнура питания. Конденсаторы с номиналами от 0,01до 0,1 мкФ, с напряжением не менее 400 вольт смело снимайте с плат. Подойдут и конденсаторы меньшего номинала ёмкости, их можно ставить параллельно.

На практике число звеньев фильтров может достигать от 1-го до 3-х. Это 1 – 3 сердечника дросселя. В большей степени это будет зависеть от мощности или тока потребления устройства, по цепи питания которого необходимо поставить фильтр в виде звеньев дросселей с парными намотками. С ростом тока увеличивается сечение провода и меньше витков укладывается в сердечнике, а, следовательно, меньше индуктивность катушки и частота среза будет выше частоты помех.

Так уменьшить излучение мощного компьютера по сети помог трёхзвенный фильтр, а сами сердечники дросселя были соизмеримы по размерам с дросселями аналогичных компьютерных блоков питания. Покупные сетевые фильтры с розетками явно уступали такой конструкции, зато именно самодельная конструкция сдерживала помехи от компьютера, приручив мышку двигаться по экрану, а телевизор в соседней комнате стал работать без искажений.

Сетевой фильтр с розетками. Контрольная закупка.



Надпись на упаковочной коробке.

Мечтая увидеть в изделии ферритовые кольца с намотками и высоковольтные конденсаторы, я был разочарован, так как в глаза бросился один единственный элемент под названием варистор – резистор с нелинейной характеристикой, способный только защитить потребителей от импульсных воздействий напряжений, превышающих максимальное пороговоезначение промышленной сети.

Самодельная конструкция помехозащитного дросселя.

В качестве сердечника можно использовать ферритовое кольцо с проницаемостью400 – 2000 НМ. Самодельная намотка на кольце требует определённых навыков, при напряжении 220 вольт в случае межвиткового замыкания мало не покажется. Намотку удобно сделать двумя параллельными проводами. Она должна быть однорядной, а витки ни в коем случае не должны перекрещиваться, а между проводами необходимо оставлять небольшой зазор или шагво избежание короткого замыкания или пробоя. Провод, выбранного диаметра, должен быть марки ПЭВ – 2. Ферритовый сердечник обматывается лакотканью или другим изолирующим материалом. Такой тип сердечников обычно используется в старых блоках питания компьютеров.

Аналогичным фильтром можно существенно оживить ДВ, СВ и КВ диапазоны старого приемника ретро, работающего с трансформаторным блоком питания. Уровень шума и урчания в этих диапазонах заметно ослабнут. В тоже время пока комфортное звучание на этих диапазонах возможно только на природе, вдали от сетевых проводов, зато с помощью батарейного приёмника, имеющего магнитную встроенную антенну, можно отыскать проводку в стене по характерному урчанию, если включена энергосберегающая лампа и сложные профессиональные приборы уже не нужны. При необходимости таким лампам тоже не помешал бы дополнительный сетевой фильтр. Перед сдачей таких ламп в утиль необходимо экспроприировать из них ферритовый дроссель. Из них можно сделать простой фильтр ФНЧ для другой энергосберегающей или светодиодной лампы.

Если посмотреть на осциллограмму тока потребления МК, то в ней можно заметить низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ) составляющие. В следствии, колебания тока приводят к появлению НЧ- и ВЧ-помех на зажимах питания. Для их ослабления используют стандартные решения в виде связки конденсаторов (Рис. 2.12, Рис. 2.13), LC- и RC- фильтров (Рис. 2.14, Рис. 2.15).

Неполярные конденсаторы С1, С3 ослабляют ВЧ-помехи. Их наличие обязательно возле любого МК, чем ближе к МК тем лучше. Конденсаторы должны быть керамические, например, К10-17 или поверхностно монтируемые чип-коденсаторы(SMD) ходовых размеров 0603...1206.

Базовый номинал ёмкости 0.1 мкФ выбран условно, как легко запоминающийся. Устройство будет нормально функционировать и при меньшей емкости 0.068 мкФ, и при 0.15...0.22 мкФ.


Иногда параллельно конденсатору С1 ставят ещё одну неполярную ёмкость 1000 пФ, которая снижает уровень радиоизлучений. Обычно такой способ применяют в профессиональной аппаратуре, чтобы войти в допуск при проверках изделия на электромагнитную совместимость и радиопомехи.

Полярный конденсатор С2 желательно использовать танталовый (а не алюминиевый), поскольку он лучше подавляет импульсные помехи. При выборе ёмкости можно руководствоваться эмпирическим правилом, которое заимствовано из многолетней практики применения сетевых источников питания - 1000 мкФ на каждый ампер тока нагрузки. К примеру, если цифровая часть МК потребляет ток 10...30 мА, то достаточно поставить конденсатор С2 ёмкостью 10...30 мкФ с рабочим напряжением не менее 6.3 В. Рекомендуется выбирать более высоковольтные конденсаторы с напряжением 10...16 В, поскольку повышается надёжность в эксплуатации и снижается внутренний импеданс, что позволяет лучше фильтровать помехи.

Конденсатор С2 обязателен при батарейном питании в качестве накопителя энергии, а также при значительных колебаниях и скачках напряжения. В некоторых случаях его функцию выполняет конденсатор фильтра сетевого выпрямителя или стабилизатора напряжения. Как вариант, конденсатор С2 может физически размещаться вблизи других цифровых микросхем и косвенно воздействовать на цепь питания МК.

Катушка индуктивности L1 развязывает цифровую и аналоговую части по высокой частоте. Если её не ставить, то может ухудшиться точность измерения АЦП и стабильность порога срабатывания аналогового компаратора. Как ни парадоксально, но значительную часть помех по питанию создают внутренние цифровые узлы МК, поэтому LC- и RC- фильтры защищают контроллер от... самого себя. Номинал индуктивности L1 не особо критичен и может варьироваться в широких пределах.

Ферритовая «бусинка» FBI (Ferrite Bead) представляет собой проводник, пропущенный через ферритовое кольцо или цилиндр. Этот элемент способствует снижению высокочастотных излучений.

Фильтры используются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, подключаемый к выходу выпрямителя. Обычно в качестве такового используют оксидные (электролитические) конденсаторы емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч микрофарад.
Однако степень сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения емкостным фильтром при больших токах нагрузки оказывается недостаточной.
Для повышения уровня сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают более сложные фильтры, в состав которых помимо конденсаторов входят резисторы, дроссели, электронные лампы или транзисторы. Чтобы определить, какой фильтр лучше, вводят специальный параметр — коэффициент сглаживания. Он рассчитывается как отношение коэффициента пульсаций на выходе фильтра (Кр вых) к коэффициенту пульсаций на его входе (Кр вх):
Кс = Кр вых /Кр вх
Наиболее простым является Г-образный реостатно-емкостный фильтр, состоящий из резистора R1 и конденсатора Сф1

На рисунке показан также конденсатор С1, включенный на выходе выпрямителя. О назначении этого конденсатора сказано в предыдущем параграфе.
Резистор R1 и конденсатор Сф1 образуют делитель напряжения пульсаций, возникающих на выходе выпрямителя (конденсатора С1). Во сколько раз сопротивление конденсатора Сф1 меньше сопротивления резистора R1 току пульсаций, во столько же раз напряжение пульсаций на конденсаторе Сф1 будет меньше, чем напряжение пульсаций на конденсаторе С1.
Уменьшить напряжение пульсаций на нагрузке при заданной емкости конденсатора Сф1 можно путем увеличения сопротивления резистора R1. Но поскольку через R1 протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, на резисторе теряется часть выпрямленного напряжения, и напряжение на нагрузке (на конденсаторе Сф1) оказывается меньше, чем напряжение на выходе выпрямителя (на конденсаторе С1).
Если коэффициент сглаживания однозвенного RС-фильтра недостаточен, т. е. амплитуда пульсаций в выпрямленном напряжении слишком велика, применяют двухзвенный RС -фильтр. В таком фильтре общий коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев R1CФ1 и R2CФ2.

Сглаживающие LC-фильтры

Для увеличения КПД и уменьшения потерь выпрямленного напряжения на элементах фильтра широко применяются индуктивно-емкостные (LC) фильтры. На рисунке изображен однозвенный Г-образный LC-фильтр, состоящий из дросселя Др1 и конденсатора Сф1.


Этот фильтр отличается от однозвенного RС -фильтра тем, что резистор R1 заменен дросселем Др1. Дроссель обладает большим сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному току. В результате напряжение пульсаций, имеющихся на выходе выпрямителя, перераспределяется на делителе Др1Сф1 таким образом, что основная его часть падает на дросселе и несущественная — на конденсаторе Сф1. В то же время из-за малого сопротивления дросселя постоянному току напряжение на выходе фильтра будет мало отличаться от напряжения на выходе выпрямителя, т. е. КПД LC-фильтра оказывается выше, чем КПД RС -фильтра.
Для увеличения коэффициента сглаживания можно последовательно с одним звеном LC-фильтра включить точно такое же второе звено.
Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного LC-фильтра можно также, если параллельно дросселю Др1 включить бумажный конденсатор С2, который вместе с индуктивностью дросселя Др1 образует параллельный колебательный контур. Сопротивление контура на резонансной частоте значительно выше сопротивления дросселя. Поэтому, если емкость конденсатора С2 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура С2Др1 равнялась частоте пульсаций (50 Гц при однополупериодном выпрямлении или 100 Гц при двухполупериодном выпрямлении), большая часть напряжения пульсаций выделится в этом контуре и незначительная пойдет в нагрузку.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в несколько единиц или десятков вольт широко применяются фильтры с транзисторами. Одна из схем такого фильтра показана на рисунке.


Для пояснения принципа работы этой схемы напомним, что если напряжение базы транзистора (в данном случае на резисторе R2) увеличивается по отношению к напряжению эмиттера, то ток, протекающий через транзистор, уменьшается. Уменьшение тока равносильно увеличению сопротивления транзистора. Если на вход фильтра поступает постоянное напряжение, то напряжение между эмиттером и базой также будет постоянным, и, значит, постоянным будет напряжение на выходе фильтра. При наличии пульсаций в выпрямленном напряжении (на зажимах 1—1) на резисторе R1 создается также пульсирующее напряжение. При увеличении напряжения на входе фильтра повышается и напряжение на резисторе R1. Это приращение напряжения через конденсатор С2 подается на базу. Напряжение базы возрастает, что приводит к увеличению сопротивления транзистора. Возрастание сопротивления транзистора вызывает уменьшение изменения тока в цепи. И наоборот, при уменьшении напряжения на входе фильтра снижается и напряжение на резисторе R1. Это уменьшение напряжения передается на базу транзистора и снижает его сопротивление. Таким образом, данная схема как бы следит за всеми быстрыми изменениями напряжения на ее входе и регулирует сопротивление транзистора проходящему через него току так, что выходное напряжение фильтра изменяется значительно меньше, чем напряжение на его входе.
Недостатком данной схемы является то, что часть напряжения бесполезно тратится на резисторе R1, вследствие чего напряжение на выходе фильтра оказывается меньшим, чем на входе. Поэтому чаще применяют другую схему транзисторного фильтра. Сглаживание пульсаций в ней происходит за счет различий в сопротивлениях транзистора для постоянного и переменного (пульсирующего) токов: сопротивление транзистора переменному току в тысячу и даже десятки тысяч раз больше, чем постоянному току. Вследствие этого постоянная составляющая напряжения передается через такой фильтр почти без ослабления, в то время как переменная составляющая (пульсации) чуть ли не вся выделяется на транзисторе и на выход фильтра едва поступает.

Выбор конденсаторов сглаживающих фильтров

Как уже отмечалось, чем больше емкость конденсатора, тем он лучше сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, поэтому в фильтрах применяют электролитические конденсаторы, обладающие при малых габаритах и весе большой емкостью. Емкость конденсатора фильтра может составлять десятки, сотни и даже тысячи микрофарад (мкФ). Чем больший ток потребляет нагрузка, тем большую емкость должны иметь конденсаторы фильтра. Для получения значительной емкости вместо одного конденсатора можно применять несколько параллельно включенных.
Другим важным параметром, по которому выбираются конденсаторы фильтра, является его рабочее напряжение, которое не должно быть меньше, чем выпрямленное напряжение. Если, например, выпрямленное напряжение составляет 30 В, а для его фильтрации используется электролитический конденсатор с рабочим напряжением 25 В, может произойти пробой конденсатора, в результате чего, его сопротивление упадет почти до нуля и последует короткое замыкание выходной цепи выпрямителя, которое вызовет резкое увеличение тока, протекающего через диоды и вторичную обмотку трансформатора.
При увеличении тока возможны выход из строя выпрямительных диодов или перегорание вторичной (или даже первичной) обмотки трансформатора.



top