В настоящее время в большинстве электронных устройств источников постоянного напряжения используются встроенные или внешние импульсные блоки питания (ИБП). Основной принцип работы (ИБП) заключается в том, что сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется, далее преобразуется в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое затем понижается или повышается трансформатором до необходимых значений, далее выпрямляется, фильтруется и стабилизируется посредством обратной связи (ОС).

Широкое распространение (ИБП) обусловлено несколькими причинами: небольшим весом, малыми габаритами, высоким КПД, низкой стоимостью, широким диапазоном питающего сетевого напряжения и частоты, высокой степенью стабилизации выходного напряжения и т.д.

К недостаткам (ИБП) можно отнести то, что все они без исключения являются источниками интенсивных электромагнитных помех (ЭПМ), это связано с принципом работы схемы преобразователя, т.к. сигналы в (ИБП) представляют собой периодическую последовательность импульсов. Спектры таких сигналов занимают диапазон частот шириной до нескольких мегагерц. Помехи могут распространяться в виде токов, текущих в проводящих элементах, контуре заземления и самой земле (кондуктивные помехи) и в виде электромагнитных полей в непроводящих средах (индуктивные помехи).

Так же сами (ИБП) довольно восприимчивы к влиянию внешних (ЭПМ). В этой связи возникает необходимость, как подавлять помехи, которые они генерируют и наводят в питающую сеть, так и защищать их от внешних помех, проникающих из питающей сети. Для этой цели (ИБП) в обязательном порядке должен иметь сетевой фильтр подавления (ЭПМ), или как его еще называют EMI— фильтр (рис. 1).

EMI—фильтр

Рис.1 Встроенный сетевой фильтр подавления электромагнитных помех.

Надо отметить, что такой фильтр будет работать как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. ослабит как входящие, так и исходящие помехи.

Кондуктивная помеха по питающей сети имеет две составляющих – противофазную и синфазную.

Противофазная (дифференциальная, симметричная) составляющая помехи — это напряжение помехи между шинами питания, фазой (L) и нулем (N) питающей сети. Ток противофазной помехи, наведенный на оба провода питающей сети, протекает по ним в противоположных направлениях (рис.2).

Противофазная (дифференциальная, симметричная) составляющая помехи

Рис.2 Направление токов противофазных помех.

Противофазные напряжения помех непосредственно накладываются на напряжение питания питающей сети, воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как управляющие сигналы в устройствах, и тем самым вызывать ложное срабатывание.

Синфазная (асимметричная, несимметричная) составляющая помехиэто напряжение помехи между шинами питания питающей сети и корпусом устройства (заземлением), т.е. между фазой (L) и землей (GND), нулем (N) и землей (GND). Ток синфазной помехи протекает по шинам питающей сети в одном направлении (рис.3).

составляющая помехи

Рис.3 Направление токов синфазных помех.

Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, вызванной токами в земле (аварийными, при замыканиях высоковольтных линий на землю, рабочими или токами молнии), а так же магнитными полями. Синфазные напряжения помех воздействуют на изоляцию проводов относительно земли и могут вести к электрическим пробоям. Так же может происходить частичное или полное преобразование синфазной помехи в противофазную.

Кроме сетевого фильтра входные цепи (ИБП) должны иметь защиту от короткого замыкания (Предохранитель), импульсных бросков напряжения в питающей сети (Варистор и Супрессор), ограничитель броска тока при включении (ИБП) в питающую сеть (Термистор), а так же иметь защиту от внешних воздействий, например грозы или высоковольтного электрического пробоя (Разрядник). На (рис. 4) показана схема многозвенного сетевого фильтра, обеспечивающего качественное подавление синфазных и дифференциальных помех с элементами защиты входных цепей (ИБП).

Разрядник

Рис.4 Схема многозвенного сетевого фильтра подавления (ЭПМ), с элементами защиты входных цепей (ИБП).

Схема фильтра реализована на основе двух фильтров нижних частот (ФНЧ) путем каскадного соединения (Г—образных) или (Т—образных) звеньев. Назначение элементов схемы сетевого фильтра следующее:

СY1,CY2конденсаторы Y типа предназначены для подавления синфазной составляющей помехи. Выбор величины емкости конденсаторов CY, в первую очередь, определяется значением безопасного для человека тока заземления, величина которого для оборудования общего назначения составляет не более 2мА, а для медицинского не более 0,1мА. Емкость СY конденсаторов варьируется от 470пФ до 10000пФ, на рабочее напряжение 3кВ. Какая бы не была емкость СY конденсаторов, полностью убрать помехи невозможно, можно только их уменьшить. Для однофазной питающей сети с номинальным напряжением до 250В используются конденсаторы класса Y2, которые выдерживают импульсы до 5кВ. Увеличение емкости конденсаторов CY улучшает фильтрацию синфазных помех, но увеличивает ток утечки.

СX1,CX2,CX3—конденсаторы X типа предназначены для подавления противофазной составляющей помехи. Задача СХ конденсаторов не пропускать помехи из внешней питающей сети в (ИБП), а так же не выпускать помехи, созданные самим (ИБП) во внешнюю питающую сеть.

Сопротивление конденсаторов CX уменьшается с ростом частоты, следовательно, помехи и резкие скачки напряжения шунтируются (закорачиваются) на входе и выходе сетевого фильтра. Емкость СX конденсаторов варьируется от 0,1мкФ до 1мкФ и зависит от мощности (ИБП). Какая бы не была емкость СХ конденсаторов, полностью убрать помехи невозможно, можно только их уменьшить. Для однофазной питающей сети с номинальным напряжением до 250В используются конденсаторы класса Х2, которые выдерживают импульсы до 2,5кВ. К конденсаторам типа СХ предъявляются высокие требования по безопасности. Они должны выдерживать максимально возможные всплески напряжения в питающей сети, не должны загораться и поддерживать горение. Увеличение емкости конденсатора CX улучшает фильтрацию дифференциальных помех, но приводит к увеличению реактивного тока.

LY1— синфазный дроссель используются для подавления синфазных помех. Он выполнен на тороидальном ферритовом сердечнике с достаточно высокой магнитной проницаемостью (μ) и имеет две идентичные обмотки (рис. 5).

LY1—синфазный дроссель

Рис.5 Схема синфазного дросселя.

В случае появления синфазных токов помех, магнитные потоки обоих обмоток складываются, т.к. обмотки дросселя оказываются включенными последовательно с шинами питания фазой (L) и нулем (N) питающей сети. Входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов помех и значительному снижению амплитуды шумового сигнала. Индуктивное сопротивление XL растет с увеличением частоты синфазных помех: XL=2πfL, f—частота помех, L—индуктивность включенных последовательно обмоток дросселя.

Когда через обмотки протекают дифференциальные токи помех, они индуцируют низкочастотные магнитные поля, которые при таком включении имеют противоположные направления и взаимно компенсируют друг друга.

Таким образом, обмотки дросселя для синфазной составляющей помехи имеют большое индуктивное сопротивление, поскольку для синфазного тока они включены согласно. В то же время для противофазной составляющей помехи индуктивное сопротивление обмоток минимально, так как для противофазного тока они включены встречно.

Индуктивность синфазного дросселя LY определяется многими параметрами и лежит в диапазоне от 10мГн до 0,47мГн при токе потребления от 1A до 10A . Начальная магнитная проницаемость сердечника μi = 6000—10000. Размеры ферритового сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов. Увеличение индуктивности синфазного дросселя улучшает фильтрацию, но приводит к увеличению активного сопротивления обмоток.

LX1— Z –образный дроссель предназначен для подавления противофазных (дифференциальных) помех. Дроссель имеет две одинаковые обмотки намотанных сонаправленно, на тороидальном ферритовом сердечнике с зазором или магнитодиэлектрическом сердечнике из распыленного железа (Iron powder core) (рис. 6).

LX1—Z—образный дроссель

Рис.6 Схема Z –образного дросселя.

Индуктивность Z—образного дросселя LX зависит от многих параметров и лежит в диапазоне от 270мкГн до 47мкГн при токе потребления от 1А до 10A. Сердечник из распыленного железа может быть серии DT68—DT106. Размеры сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов.

L1,L2ВЧ дроссели обеспечивают дальнейшее ослабление высокочастотных помех. Включаются последовательно с шинами питания фазой (L) и нулем (N) питающей сети на выходе сетевого фильтра. Содержат мало витков и выполняются на ферритовых кольцах с малым значением магнитной проницаемости μ. Их применение позволяет расширить диапазон частот эффективного подавления помех фильтром до 50-60МГц. Индуктивность ВЧ дросселей лежит в диапазоне 5—10 µH и зависит от частоты ослабления ВЧ помех. Размеры сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов.

R2,R3 — резисторы уменьшают добротность L1, L2 для устранения резонансных явлений.

RK1 – терморезистор (NTC термистор) предназначен для ограничения броска тока при включении (ИБП) в питающую сеть. Термистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры. Термисторы бывают двух типов: с положительным и отрицательным температурным коэффициентом. У термистора с положительным коэффициентом при повышении температуры сопротивление возрастает, а с отрицательным коэффициентом — уменьшается. Их сокращённые названия на английском языке: PTC (positive temperature coefficient) и NTC (negative temperature coefficient).

Термистор включается последовательно с одной из шин питания фазой (L) или нулем (N) питающей сети. NTC термистор, при температуре окружающей среды, имеет сопротивление в несколько Ом. В момент включения (ИБП) в питающую сеть, конденсатор выпрямителя заряжается, поэтому представляет собой короткозамкнутую нагрузку. В цепи питания происходит бросок тока, но термистор поглощает его, превращая в тепло. Далее термистор разогревается, его сопротивление падает почти до десятых долей Ома и он не влияет на работу устройства. Происходит так называемый мягкий пуск.

Термистор является инерционным элементом. Фактически при кратковременном отключении питания и повторном пуске, термистор не работает как элемент защиты, т.к. полностью восстанавливает свои свойства только через 5—10 мин. Температура термистора в рабочем состоянии, когда его сопротивления близкого к нулю, может доходить до 250 градусов.

R1резистор обеспечивает быстрый разряд конденсаторов СX при отключении сетевого кабеля от питающей сети и необходим для безопасного обращения с устройством.

FV1—разрядник предназначен для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. Разрядник состоит из электродов с искровым промежутком между ними и дугогасительного устройства. Один из электродов присоединяется к защищаемой цепи, другой — заземляется. Когда к такому устройству прикладывается высокое импульсное напряжение со скоростью около 1 кВ/мкс, возникает разряд. Чем меньше скорость нарастания фронта, тем выше должно быть напряжение, "зажигающее" разряд. Через такое устройство может проходить импульсный ток до 100кА. Несмотря на отличную способность снижать напряжение, разрядник имеет время реакции от сотен наносекунд до единиц микросекунд, что в десятки раз медленнее по сравнению с варисторами. Применение данных устройств актуально, где есть опасность прямого удара молнии в провода питающей сети или высоковольтных источниках питания, где есть вероятность попадания высокого напряжения на шины (L) или (N) питающей сети.

RU1варистор защищает цепи от импульсных бросков напряжения или увеличивает скорость срабатывания плавкого предохранителя. Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко изменяется при изменении приложенного напряжения выше номинального.

Варистор включается на входе сетевого фильтра параллельно входному сетевому напряжению 220В и фактически постоянно находится под этим напряжением, однако ток в этом состоянии через варистор очень мал т.к. его сопротивление в этом случае сотни МОм. В случае возникновения высоковольтного импульса напряжения способного вывести из строя (ИБП), варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление до десятков Ом, то есть шунтирует (закорачивает) цепь питания, ток в этом состоянии может достигать нескольких тысяч ампер, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла. Варистор не обладает инерцией, поэтому после поглощения импульса он мгновенно восстанавливает свои свойства.

Одного варистора может быть не достаточно в случае аварии на линии электроснабжения, когда вместо фазы и нуля по обоим проводам подали фазу. Для защиты от такого рода аварий целесообразно включать в схему нескольких варисторов, как показано на (рис.7).

RU1 — варистор

Рис.7 Схема защитного треугольника на варисторах.

Эта схема из трех варисторов на входе сетевого фильтра надёжно блокирует проникновение импульса не только по фазовой цепи (L), но и по цепи нуля (N). Варистор RU1 подключается между фазой и нулевым проводником. Он осуществляет основную защиту. Два других RU2 и RU3 подключаются между фазой (L) и землей (Gnd), а так же между нулем (N) и землей (Gnd). Принцип работы RU2 аналогичен, описанному выше RU1. Варистор RU3 контролирует напряжение между нулем (N) и землей (Gnd). Если всё нормально, напряжения быть не должно или оно крайне мало (единицы вольт). В случае появления большого напряжения на проводе (N), как правило, фазы (L), варистор RU2 благополучно зашунтирует защищаемый блок.

VD1—защитный диод TVS (Transient Voltage Suppressor) или супрессор обеспечивает подфильтровку остаточных перенапряжений, которые пройдут через варисторы, без заметных выбросов на шину заземления. Так как емкость варисторов составляет не менее 1000пФ, то они не позволяют фильтровать высокочастотные выбросы выше 100МГц. В таких случаях лучшим решением является применение быстродействующего супрессор—диода. Принцип работы супрессора основан на ярко выраженной нелинейной вольтамперной характеристике. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа, то он перейдет в режим лавинного пробоя, т.е. импульс напряжения будет ограничен до нормальной величины, а излишки уйдут на землю (GND). Отличительной чертой супрессоров является очень короткое время реакции на превышение напряжения, скорость переключения лежит в пикосекундном диапазоне. Супрессоры выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двухполярным напряжением, а несимметричные только с напряжением одной полярности. В маркировке супрессора 1.5КЕ400СА зашифрованы основные его характеристики. 1,5— Мощность 1500Вт; 400—напряжение пробоя 440В; С—двунаправленный (без буквы однонаправленный); А— допустимое отклонение напряжения 5%. Симметричный защитный диод 1.5КЕ440СА можно заменить двумя такими же однополярными (без индекса СА), включенным встречно. Для надежной защиты сетевого фильтра и входных цепей (ИБП) супрессоры включаются по схеме защитного треугольника, как и варисторы (рис. 7).

Для защиты от внешних индуктивных помех применяют экранирование, как всего (ИБП), так и отдельно сетевого фильтра. Экранирование выполняется за счет использования металлического корпуса, с обязательным соединением с шиной заземления. Это препятствует распространению излучаемых электромагнитных помех за пределы корпуса (ИБП), а так же подавляет внешние электромагнитные помехи, воздействующие на (ИБП).

Применение высокоэффективных индуктивно—емкостных помехоподавляющих фильтров позволяет обезопасить оборудование от вредного влияния входящих помех, а так же снизить исходящие помехи, которые генерируются внутри самого оборудования. Использование фильтров подавления (ЭПМ) — одно из основных требований по электромагнитной совместимости современного оборудования.

Компания Лазер—блок является производителем высоковольтных блоков питания для лазерных станков с СО2 излучателями. В выпускаемых нами блоках питания для лазерных станков, или как их еще называют, блоки розжига для лазера, мы используем только высококачественные электронные компоненты, которые закупаем со всего мира, а так же используем и отечественные аналоги, которые славятся своим запасом прочности. Наши инженеры постоянно проводят исследования в лаборатории, внося корректировки в схемы.