для чего нужен помехоподавляющий фильтр
Для чего нужен помехоподавляющий фильтр
Наша задача сделать так, чтобы помехам не «захотелось» залазить в «нежные места» наших схем, но дать току помех течь туда, куда он «хотел» течь (в нейтраль, к примеру). С другой стороны, можно не доводить сеть до плачевного состояния, не выпуская помехи за пределы устройства.
Для того, чтобы уменьшить помехи, применяют фильтры. Тип фильтра и даже его расположение зависит от конкретного случая. К примеру, если помехи создаются одним источником (двигателем, например), то лучше всего поместить фильтр поближе к этому источнику – замкнуть ток помехи (как на рисунке выше).
Если помехи создаются распределенной схемой в металлическом корпусе (компьютерный блок питания), то фильтр лучше поместить как можно ближе к сетевому шнуру – замкнуть ток помехи внутри корпуса и соединить корпус с самым “чистым” местом схемы, чтобы он сам не излучал.
На рисунке – типичная схема фильтра компьютерного блока питания. Красным показан путь излучаемой помехи, а зеленым – помехи, передающейся по проводам.
Помеха имеет две составляющих – синфазную и противофазную.
Противофазная составляющая помехи — это напряжение помехи между фазой и нейтралью. Для ее подавления используются конденсаторы типа X. Само название X происходит от английского “across-the-line”, буква X похожа на крест (“cross”). На рисунке выше, это конденсатор – C1.
К этим конденсаторам предъявляются такие требования – они должны выдерживать максимально допустимые в сети всплески, не загораться при выходе из строя и не поддерживать горение.
Сейчас используются два основных подкласса X-конденсаторов – X1 и X2.
Емкость X конденсаторов варьируется от 0.1мкФ до 1мкФ. Какую емкость нужно выбрать для данного конкретного прибора можно выяснить только с осциллографом.
Синфазная составляющая помехи — это напряжение помехи между обоими сетевыми проводами и корпусом устройства. Понять, что это такое и зачем нужно немного сложнее.
Рассмотрим типичный импульсный источник питания. Между первичной и вторичной обмоткой трансформатора T1 всегда есть паразитная емкость (нарисована зелененьким). Представим, что конденсатора C7 пока нет. Высокочастотные пульсации беспрепятственно проникают со стока транзистора (самое шумное место схемы!) на вторичную обмотку через зелененькую емкость. Таким образом, на всей выходной части блока питания присутствуют пульсации (с частотой блока питания) относительно заземления и обоих сетевых проводов. Напряжение эти пульсаций может доходить до тысяч вольт. Наш мега-чувствительный прибор будет излучать эти пульсации в эфир, а излучать помехи – это тоже самое, что ловить помехи только с обратным знаком. Прибору будет плохо.
Теперь добавим конденсатор C7. Ток помехи, который просочился через зеленый конденсатор теперь может вернуться туда, откуда взялся по более короткому и менее сложному пути, чем в предыдущем случае и в наш мега-чувствительный прибор ему больше течь не хочется!
Конденсаторы Y – типа делятся на 2 основных класса
Рекомендую также почитать документ
CAPACITORS FOR RFI SUPPRESSION OF THE AC LINE: BASIC FACTS
Разделы сайта
Бландова Екатерина Сергеевна, доктор технических наук
Источник: журнал «Специальная Техника»
Важнейшим условием защиты информации в технических средствах является создание специализированной базы технологических компонентов – помехоподавляющих изделий, необходимых для принятия схемотехнических мер по минимизации паразитных генераций и побочных излучений на этапе разработки любого электронного устройства.
Побочные излучения обусловлены тем, что в генераторных, усилительных и других функциональных каскадах электронных устройств могут возникать паразитные генерации и наводки. Если при разработке аппаратуры не принять мер подавления указанных процессов непосредственно в местах их возникновения, создаются условия для устойчивого генерирования, усиления и возникновения побочных излучений, уровень которых может превышать нормы допустимых радиопомех. Наличие в устройстве паразитных сигналов приводит к возрастанию сквозных токов, повышению потребляемой мощности и, в конечном счете, выходу из строя изделий микроэлектроники.
Излучения от устройств электронно-вычислительной техники модулированы полезным сигналом, существуют в виде полезных гармоник в широком диапазоне частот, распространяются как кондуктивно, так и в виде излучаемых электромагнитных помех и несут в себе сигнал с тем же информационным содержанием, что и обрабатываемые сигналы. Такие излучения могут быть приняты и выведены на экран монитора аппаратуры перехвата. Устройства средств вычислительной техники могут быть как источником, так и рецептором – устройством, восприимчивым к внешним электромагнитным помехам, и могут служить переизлучателем этих помех.
Побочные излучения и кондуктивные помехи создают каналы утечки информации, обрабатываемой в технических средствах.
Технические меры борьбы с электромагнитными помехами включают в себя меры подавления паразитных генераций – источников побочных излучений, экранирование аппаратуры от внешних электромагнитных полей и фильтрацию кондуктивных помех.
Подавление источника помехи осуществляется оптимальным конструированием электрических схем и разводкой печатных плат с учетом требований по минимизации паразитных генераций, создаваемых внутренними элементами устройства и схемотехникой. Эти меры включают уменьшение числа заземленных контуров, развязку цепей электропитания, устранение излучающих проводников, реконструкцию или устранение особенно шумящих (генерирующих) цепей.
Экранирование является конструктивным средством ослабления любых излучений и имеет большое значение как с точки зрения требований по восприимчивости к помехам, так и по предотвращению излучений паразитных генераций. Экранирование может быть осуществлено применением металлических экранов, напылением проводящего материала на внутреннюю поверхность пластмассовых корпусов, экранированием проводов, локальным экранированием шумящих цепей и узлов, и практически заключается в локализации электромагнитной энергии, создаваемой источником поля. Однако технические решения с применением сплошного экранирования доступными приемлемыми способами осуществить практически невозможно, также как невозможно устранить кондуктивные помехи в проводниках, которые присоединены к внешним источникам, без создания дополнительных условий ослабления помехи на обоих концах кабеля электропитания, сигнальных цепей интерфейса, на входных и выходных контактах электрической схемы и внутри той части сигнальной цепи, которая может служить антенной для приема (или излучения) сигналов помехи.
Фильтрация является основным и эффективным средством подавления (ослабления) кондуктивных помех в цепях электропитания, в сигнальных цепях интерфейса и на печатных платах, в проводах заземления. Помехоподавляющие фильтры позволяют снизить кондуктивные помехи, как от внешних, так и от внутренних источников помех (рис. 1).
Рис. 1. Фильтрация помех фильтром нижних частот.
1. Электромагнитные помехи (ЭМП) от различных радиоэлектронных устройств.
2. Высоковольтные кратковременные пульсации.
3. Помехоподавляющий фильтр.
4. После фильтрации сигнал (напряжение питания) поступает на защищаемое устройство.
5. Защищаемое устройство (рецептор).
6. Не прошедшая через фильтр высокочастотная составляющая помехи проходит на землю.
7. Высоковольтная пульсация проходит на землю.
Применение помехоподавляющих элементов позволяет оптимизировать схемотехнические и конструкторско-технологические решения с целью минимизации или полного устранения паразитных генераций и побочных излучений, снизить восприимчивость аппаратуры к внешним электромагнитным полям и импульсным сигналам, устранить возможные каналы утечки информации. Повышается надежность и помехозащищенность аппаратуры, снижается ее металлоемкость, улучшаются массогабаритные и стоимостные показатели.
Основные сведения о помехоподавляющих фильтрах
В соответствии с расположением полосы пропускания фильтра относительно полосы помехоподавления в частотном спектре различают четыре класса помехоподавляющих фильтров (рис. 2):
— фильтры нижних частот;
— фильтры верхних частот;
— полосовые фильтры;
— режекторные фильтры.
Для решения конкретных задач по обеспечению надежности функционирования, совместимости, помехозащищенности аппаратуры и других традиционных задач электромагнитной совместимости (ЭМС) чаще всего используются полосовые и режекторные фильтры.
Возможно применение активных фильтров на основе микросхем (операционных усилителей). Это может быть целесообразно в тех случаях, когда пассивные LC-фильтры становятся очень громоздкими при понижении частоты среза до звуковых частот, когда даже при выборе относительно малой емкости (например, 0,01 мкФ) дроссель становится несоизмеримо большого размера и массы. В активном фильтре операционный усилитель преобразует импеданс подключаемой к нему RС-цепи так, что устройство ведет себя как индуктивность.
Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики помехоподавляющих фильтров.
Выбор типа фильтра
Выбор необходимого типа фильтра зависит от электрической характеристики системы, в которую он должен быть установлен, требований по эффективности подавления помех, в том числе частоты среза и верхней предельной частоты ослабления, т.е. частотных характеристик фильтруемой цепи, а также требований, определенных условиями эксплуатации и от реальных ограничений по установке фильтра в аппаратуре. Все эти факторы увязываются с электрическими характеристиками фильтра. Основные критерии выбора помехоподавляющего фильтра показаны на рис. 3.
Конфигурация электрической схемы фильтра выбирается из следующих соображений.
Фильтр С-типа представляет собой фильтр с малой индуктивностью, работающий как проходной конденсатор, шунтирующий помеху на землю. Хорошо работает при высоких импедансах источника и нагрузки. Выше частоты среза крутизна характеристики вносимого затухания составляет 20 дБ на декаду. Следует избегать использования этого фильтра в цепях, в которых возможны перенапряжения или нестационарные процессы.
Фильтр Г-типа следует применять там, где импедансы источника и нагрузки существенно различны. Индуктивность должна быть обращена к низкоомной цепи. Выше частоты среза крутизна характеристики вносимого затухания составляет 40 дБ на декаду.
Фильтр П-типа имеет два проходных конденсатора, шунтирующие помеху на землю, и индуктивность между ними. Такой фильтр представляет собой высокое сопротивление по переменному току как для источника, так и для нагрузки. Больше всего подходит для применения в цепях с высокими, относительно равными по величине импедансами источника и нагрузки. Выше частоты среза крутизна характеристики вносимого затухания составляет 60 дБ на декаду.
Фильтры 2П-типа, 2Т-типа и другие применяются в условиях, сходных с условиями применения фильтров П- и Т-типа, но где предъявляются более высокие требования к характеристикам фильтра или требуется эффективное подавление помех в нижней части рабочего диапазона частот до 10 кГц. Применяются многоэлементные композиции из 5-ти и более индуктивностей и проходных конденсаторов. Большая крутизна характеристики вносимого затухания в таких фильтрах требуется для того, чтобы не допустить вносимого затухания на частотах сетей электропитания, а также в линейных фильтрах, предназначенных для телефонных линий и линий передачи данных.
Структуры типа С, П и 2П дают возможность достижения более высокого вносимого затухания в тех случаях, когда сопротивление источника и нагрузки более 50 Ом. Структуры Т и 2Т дают возможность достижения более высокого вносимого затухания в тех случаях, когда сопротивления источника и нагрузки меньше 50 Ом.
При необходимости в электрическую схему сетевых фильтров могут включаться элементы подавления нестационарных процессов.
Если фильтр будет использоваться в основном в сети переменного тока, то имеются требования по максимально допустимому току утечки. Если фильтр будет использоваться в основном в цепи постоянного тока, то он выбирается на соответствие напряжению при постоянном токе. При вероятности возникновения перенапряжений, выбросов тока и других нестационарных процессов на кабелях электропитания, рекомендуется на входе фильтра ставить индуктивность (звено Г или Т), которая будет в какой-то мере ослаблять возможные выбросы напряжений, обеспечивая определенную степень защиты конденсатора, как более чувствительного к нестационарным процессам элемента.
(> 50 Ом)
(
Рис. 3. Критерии выбора схемы помехоподавляющего фильтра
Помехоподавляющие фильтры выпускаются как зарубежными фирмами, так и предприятиями отечественной промышленности. Зарубежные фирмы производят помехоподавляющие изделия по всей существующей номенклатуре: по току нагрузки (0,5. 100 А), рабочему диапазону частот (0,01 МГц. 10 ГГц), затуханию (20. 100 дБ), температуре окружающей среды (-25°C. +85°C) и т.д. (см. табл. 1). Причем фильтры, выпускаемые зарубежными фирмами (Siemens, TDK, Corcom, Sprague, Timonta, Murata и многими другими), отличаются конструктивным разнообразием корпусов (цилиндрической и прямоугольной формы) и выводов (заземление в виде цапфы, с отдельным земляным или планарным выводом, а также с выводом в виде разъема).
Стандартные помехоподавляющие фильтры, выпускаемые зарубежными фирмами для сети 50 Гц 250 v
дБ
Предприятиями электронной промышленности РФ выпускаются:
— сетевые помехоподавляющие фильтры корпусные;
— сигнальные проходные керамические помехоподавляющие фильтры;
— ферритовые помехоподавляющие изделия и элементы;
— электрические соединители, экранированные и с помехоподавляющими фильтрами-контактами.
Среди сетевых помехоподавляющих фильтров (СПФ), выпускаемых отечественной промышленностью, получили распространение фильтры, параметры которых приведены в табл. 2. Эти фильтры представляют собой n-звенные пассивные LC-фильтры, выполненные в герметичных металлических корпусах. Соединение входа-выхода фильтра с электросетью и нагрузкой осуществляется с помощью проходных контактов, состоящих из вывода, запрессованного в изолирующую втулку. Наружные металлические детали фильтра защищены от коррозии гальванопокрытием.
Почти все типы фильтров, приведенные в табл. 2, залиты эпоксидньм компаундом и рассчитаны на жесткие условия эксплуатации с гарантированным сроком не менее 5 лет со дня изготовления. В отличие от ранее разработанных фильтров (типов ФП, ФПВЧ, ФПС и др.) в этих фильтрах при синтезе их частотных характеристик были использованы паразитные параметры элементов и дроссели на составных магнитопроводах, что позволило значительно улучшить их удельно-объемные и удельно-весовые характеристики.
Кроме того, разработанные для однофазной двухпроводной сети, они нашли широкое применение и в других сетях. На рис. 4 и 5 представлены схемы включения фильтров типа ФПБМ в трехфазную сеть как с заземленной, так и с изолированной нейтралью. Раздел условий эксплуатации технических условий разрешает использование этих фильтров как на переменном (50 Гц, 220В), так и на постоянном (12. 120 В) токе, а удовлетворительная работа их в параллельном режиме позволяет расширить токовой диапазон до 100А.
Рис 4. Схема включения фильтров типа ФПБМ в трехфазную сеть с изолированной нейтралью.
Рис 5. Схема включения фильтров типа ФПБМ в трехфазную сеть с заземленной нейтралью.
Указанные фильтры прошли специальные исследования в соответствии с регламентирующими документами Гостехкомиссии России, соответствуют предъявленным специальным требованиям и могут быть использованы как вспомогательные технические средства в выделенных помещениях I, II и III категорий, где циркулирует секретная информация в речевой форме, и установлены технические устройства, обрабатывающие секретную информацию.
Сетевые помехоподавляющие фильтры отечественного производства
| Наименование фильтра | Ток, А не более | Частотный диапазон, МГц | Вносимое затухание, дБ | Габаритные размеры,мм | Масса, кГ не более |
| ФПБМ-1/2/3 | 5/10/20 | 0,01. 10000 | 60. 90 | 240х75х55 | 1,8 |
| ФТМА | 0,5 | 0. 4 0,01. 1000 | 2 25. 70 | 45х40х25 | 0,1 |
| ФСГА | 6 | 0,01. 500 | 40. 60 | 180х140х50 | 1,7 |
| ФППС | 3 | 0,1. 1000 | 40. 60 | 62х52х42 | 0,35 |
| ФСБШ-2/4/7 | 1/2/5 | 0,01. 500 | 15. 50 | 104х90х60 | 0,6 |
| ФСШК-1/ФСШК-2 | 3/6 | 0,1. 1000 | 40. 70 | 62х52х42 | 0,25 |
| ФПБД | 15 | 0,01. 1000 | 30. 60 | 104х94х52 | 0,6 |
| ФСМА | 30 | 0,01. 1000 | 30. 60 | 104х94х52 | 0,7 |
| ФСБШ-9 | 10 | 0,01. 1000 | 15. 50 | 104х78х30 | 0,26 |
Выводы
1. Сетевые помехоподавляющие фильтры – один из основных способов подавления кондуктивных помех в цепях электропитания, в сигнальных цепях интерфейса, на печатных платах, в проводах заземления.
2. Ток и характер нагрузки, величина затухания, условия эксплуатации – основные параметры при выборе сетевых фильтров.
3. Среди отечественных сетевых помехоподавляющих фильтров в последнее время нашли широкое распространение пассивные LC-фильтры типа ФПБМ, ФСШК, ФСМА, которые соответствуют требованиям Гостехкомиссии России по защите от утечки секретной информации за счет побочных электромагнитных излучений и наводок.
Литература
1. Catalog EEM, 1990 (p. 70)
2. Бландова Е.С., Мещеряков Ю.И., Сереженко И.И. Помехоподавляющие изделия электронной техники//Электронная промышленность, № 2, 1997, стр. 44 – 48
4. Каталоги фирм Siemens (p. 400), Schaffher (p. 48), TDK (p. 17), Spectrum Control Inc (p. 43), Corcom (p. 120), Curtis (p. 30).
Помехоподавляющие фильтры
В наше время, как никогда остро встает проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС). Количество подключенных к электросети РЭС неумолимо возрастает. Проблема усугубляется еще и тем, что многие РЭС должны функционировать одновременно. Как правило, на должном уровне этому вопросу много внимания уделяется профессиональными разработчиками. Однако далеко не всегда достигается желаемый результат. В бытовых условиях ситуация еще хуже. Если же принять во внимание еще и плачевное состояние наших линий электропередачи, то дальнейшие комментарии станут ненужными.
Взяться за самостоятельное изготовление сетевого фильтра автора побудило несколько обстоятельств. При включении системного блока компьютера происходило резкое ухудшение качества просмотра ТВ изображения. Происходило это сразу на нескольких каналах одновременно. Сигналы от ТВ каналов вещающих в диапазоне MB, сразу становились сильно зашумленными. Цветопередача сильно нарушалась или исчезала полностью. Сильный муар сбивал строчную и кадровую синхронизацию.
Это было лишь «первой ласточкой». Помехи каким-то образом стали проявляться и в других телевизорах, расположенных на значительном отдалении от данного компьютера (десятки метров). Поначалу все можно было списать только на комнатную антенну (типовая «польская всеволновка»).
Изменили ее местоположение. Бесспорно, ситуация несколько изменялась в лучшую сторону. Но от зашумленности изображения избавиться не удавалось. Все, казалось бы, сокрыто в размещении антенны в помещении. Однако телевизоры, работающие в другом помещении, к тому же на наружную антенну, страдали похожими проблемами, правда, не в такой степени. И происходило это на тех же «злополучных» ТВ каналах. Причем, как только оргтехнику выключали, качество ТВ изображения становилось нормальным. Были проведены и другие эксперименты:
— антенны переносили;
— место расположения ТВ приемника изменяли;
— пытались использовать заводские сетевые «фильтры».
Заводские сетевые «фильтры». Об этих фильтрах обязательно следует немного рассказать. Приобретались несколько разных удлинителей, именуемых сетевыми фильтрами.
Как удлинители они еще могли работать. Правда, там использованы настолько жесткие азиатские провода, что пользоваться ими и неудобно, и опасно. Довольно быстро контакты внутри таких «фильтров» расшатываются, и происходит разбалтывание соединений. Вскоре имеет место подгорание. Как известно, горит там, где плохой контакт, где греется.
Дальше было еще веселее. Разборка нескольких таких «фильтров» показала, что там нет никаких фильтров вообще. Только в одном из них производитель удосужился установить малогабаритный дроссель. Он намотан на кольцевом сердечнике. На корпусе этого дросселя указана индуктивность 2,2 мГн. Дроссель залит компаундом синего цвета. И нет рядом никаких помехоподавляющих конденсаторов! И это один из «наилучших» сетевых фильтров в ценовой категории дороже 15 USD.
Схема фильтра показана на рис.1.
Для повышенной эффективности он выполнен двухкаскадным. От многих других фильтров его отличает тот факт, что катушки фильтра каждого звена размещены на общем магнитопроводе. Никаких стержневых магнитопроводов не применяли. Благодаря магнитной связи между обмотками, происходит более сильное подавление низкочастотной синфазной помехи, которая наводится одновременно на обоих проводах катушек. Здесь важно обеспечить отмеченную на схеме (точками) фазировку обмоток. Кроме того, требуется и симметричность выполнения обеих обмоток.
Конденсаторы С1, С2 и катушки L1, L2 отвечают за подавление самых высокочастотных помех. Частоты до 200 кГц подавляются катушками L3, L4 и остальными конденсаторами. Катушки L1 и L2 намотаны вдвое сложенным проводом типа ПЭЛШО-0,63 и содержат 2×25 витков. Использован броневой магнитопровод Б22-2000НМ1. Индуктивность каждой катушки превышала 120 мкГн. Индуктивность измерялась универсальным прибором LP235. Несколько сложнее довелось с изготовлением второй пары катушек. Катушки L3 и L4 намотаны двойным проводом ПЭЛШО-0,63, и каждая обмотка содержит по 87 витков. Катушки намотаны на Ш-образном ферритовом магнитопроводе(Ш12х14). Марка феррита на сердечнике не приведена.
Полученная индуктивность каждой обмотки составляла почти 20 мГн (19,6 мГн). Перед выполнением этой обмотки изготовлялся самодельный каркас из электрокартона. Во избежание аварийных нештатных ситуаций в схеме установлен также держатель предохранителя с предохранителем на ток 10 А.
Во-первых, снять проблему поиска (дефицита) высоковольтного и крупногабаритного конденсатора (0,5 мкФ 800 В).
Во-вторых, повысить надежность «батареи» конденсаторов, соединенных последовательно.
В-третьих, благодаря уравнивающим резисторам не только выравнивается напряжение на конденсаторах.
Конденсаторы можно применять и других типов. Однако конденсаторы указанных выше типов зарекомендовали себя очень надежно во многих ситуациях. Поэтому им и отдали предпочтение.
Все без исключения конденсаторы проверялись на величину выдерживаемого напряжения (своеобразным методом неразрушающего контроля, при малых тестируемых токах). Конденсаторы С6-С9 емкостью 1 мкФ 400 В типа МПТ-96. Для крепежа ферритовых изделий к плате металлические детали не использовали совсем. Применялся старый проверенный метод: нитки на клею.