Варистор в сетевом фильтре: Сетевой фильтр: устройство, принцип работы, назначение

Сетевой фильтр: устройство, принцип работы, назначение

Если говорить совсем простым языком, то сетевой фильтр – это такой тройник с выключателем, очень часто применяется для подключения компьютера к электросети. Данное устройство можно встретить на прилавках магазинов электротоваров, а также уже подключенным к розетке в квартирах и домах. Но для чего нужен сетевой фильтр и что в нем особенного? Об этом мы и поговорим далее.

• Предназначение сетевого фильтра
• Как работает сетевой фильтр
• Смотрим что внутри
• Где применяется фильтр и что делать, если его нет

Предназначение сетевого фильтра

Известно, что у вас в розетке имеется сеть переменного тока напряжением в 220 Вольт. «Переменное напряжение (ток)» значит, что его величина и/или знак непостоянны, а меняются с течением времени по определенному закону.

Природа генерирующих электрических машин (генераторов) такова, что на выходных клеммах генерируется ЭДС синусоидальной формы. Однако всё было бы хорошо, если бы все устройства имели резистивный характер, отсутствовали пусковые токи, и не имели в своем составе импульсных преобразователей. К сожалению, так не бывает, т.к. большинство устройств имеют индуктивный, емкостной характер, щёточные двигателя, импульсные источники вторичного питания. Весь этот замысловатый набор слов – это главные виновники электромагнитных помех.

Мы начали статью с речи об электромагнитных помехах не просто так. Эти помехи «портят» ровную форму синусоиды. Образуются так называемые гармоники. Если разложить реальный сигнал из розетки в виде ряда Фурье мы увидим, что синусоида дополнилась различными функциями, различной частоты и амплитуды. Форма напряжения в настоящей розетке стала далека от идеальной.

Ну и что в итоге? Плохое электропитание – проблема для радиопередающих устройств. Попросту ваш телевизор или радиоприемник будет работать с помехами. Кроме помех от потребителей в сети присутствуют помехи случайного происхождения, которые мы не можем предугадать.

Это всплески, перепады напряжения от перебоев электроснабжения, включения мощной нагрузки и т.д.

Сетевой фильтр нужен для того, чтобы:

1. Отфильтровать помехи для чистого питания устройств.
2. Снизить помехи, исходящие от питающих приборов.

Как работает сетевой фильтр

Фильтрация ненужных составляющих сигнала осуществляется, как это ни странно, специальными фильтрами, их собирают из индуктивностей (L) и конденсаторов (С). Ограничение всплесков высокого напряжения – варисторами. Это работает благодаря таким электротехническим понятиям – постоянная времени и законы коммутации, реактивное сопротивление.

Постоянная времени – это время, за которое заряжается конденсатор или накапливает энергию индуктивность. Зависит от элементов фильтра (R, L и C). Реактивное сопротивление – это сопротивление элементов, которое зависит от частоты сигнала, а также от их номинала. Присутствует у индуктивностей и конденсаторов. Обусловлено только передачей энергии переменного тока электрическому или магнитному полю.

Простыми словами – с помощью реактивного сопротивления можно снизить, ограничить высокочастотные гармоники нашей синусоиды. Известно, что в розетке частота питания 50 Гц. Значит нужно рассчитывать фильтр на частоты на порядок выше и более. У индуктивности сопротивление растет с ростом частоты, у конденсатора – падает. То есть принцип работы сетевого фильтра заключается в подавлении высокочастотных составляющих сетевой синусоиды, при этом оказывая минимальное влияние на основную 50 Гц составляющую.

Смотрим что внутри

Мы разобрались, где применяется сетевой фильтр, поэтому теперь давайте разберемся, из чего состоит реальный сетевой фильтр, абстрагируемся от теории.

1. Фильтр помех.
2. Кнопка или тумблер.
3. Варистор.
4. Розеточная группа.
5. Сетевой шнур.

Внутренности дорогого и качественного фильтра, обратите внимание на батарею конденсаторов справа и размеры дросселя по центру:

Пойдем по порядку – фильтр. Конструкция такого элемента представляет собой LC-фильтр. Нулевой и фазные провода из розетки подключатся к катушке индуктивности (каждый к своей), а между ними 1 и больше конденсаторов. Типовые номиналы деталей:

• индуктивность каждой катушки – 50-200 мкГн;
• конденсаторы 0,22-1 мкФ.

Варистор – это полупроводниковый элемент с нелинейной ВАХ. При достижении определенного напряжения, приложенного к нему, защищает нагрузку кратковременным замыканием входных цепей питания, принимая «удар» на себя. Нужен для того, чтобы сберечь вашу технику от «плохого питания». Чаще всего применяется варистор на 470 Вольт. Принцип действия такой защиты очевиден – при скачках напряжения цепи питания защищаемой нагрузки шунтируются варистором.

Содержимое дешевого фильтра, здесь вообще нет дросселя – его эффективность минимальна, но всё еще есть варистор (голубой в центре кадра), и он спасет от скачков напряжения:

Для чего нужен тумблер, если всё может работать и без него? Просто чтобы вы не дергали каждый раз вилку из розетки, ведь, чаще всего через сетевой фильтр подключается стационарное оборудование.

Это снизит износ контактных пластин розетки.

Принципиальная схема сетевого фильтра:

Где применяется фильтр и что делать, если его нет

Дело в том, что в качественных блоках питания он должен быть установлен, прям на плате и тем более на БП высокой мощности, например компьютерных. Но, к сожалению, ваши зарядные устройства для смартфона, БП от ноутбука, ЭПРА люминесцентных и светодиодных ламп чаще всего не имеют их в своем составе. Это связано с тем, что китайские производители упрощают схемы своих устройств для снижения их себестоимости. Часто бывает, что на плате есть места для деталей, назначение которых фильтровать помехи, но они просто не распаяны и вместо них стоят перемычки. Компьютерные блоки – это отдельная тема, схема практически у всех одна, но исполнение разное, и в самых дешевых моделях фильтр отсутствует.

Вы можете снизить помехи вашего телевизора или другого устройства которое хотите защитить и улучшить свойства его электропитания дополнив обычный удлинитель таким фильтром. Его можно собрать самому или извлечь из хорошего, но ненужного или неисправного БП.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Сетевой фильтр – это простое, но полезное устройство, которое улучшит качество электропитания ваших приборов и снизит вред, наносимый его частоте работой импульсных БП, а область применения достаточно широка – используйте его для любой современной аппаратуры. Его устройство позволяет повторить схему даже начинающему радиолюбителю, а ремонт не составит труда. Использование сетевого фильтра крайне желательно для потребителей любого рода.

Сетевой фильтр из дешевого удлинителя

Еще давным-давно я заметил, что когда включается/выключается холодильник на кухне, в колонках стереосистемы звучит неприятный щелчок. Проблема решилась установкой конденсаторов в розетки — с этого началась моя «дружба» с сетевыми фильтрами. В наши дни электрическая сеть 220 вольт сильно загрязнена множеством помех и кратковременных всплесков напряжения, которые проникают из сети и мешают аппаратуре нормально работать. Для борьбы с сетевыми помехами применяются фильтры. Дешевые фильтры на самом деле фильтрами не являются, а дорогие (навроде вполне приличного фильтра «Pilot») — слишком дороги, ведь обычно их требуется несколько штук (у меня дома их штук восемь, включенных постоянно). Поэтому хороший вариант — купить дешевый фильтр и переделать его.

В принципе, для доработки можно использовать и обычный удлинитель, но обычно в удлинителе нет свободного места для тех деталей, которые в него нужно будет вставить. А вот в удлинителе с выключателем (тоже полезная вещь) свободное место есть.

Мне недавно срочно понадобился такой вот фильтр, я купил в ближайшем киоске удлинитель и доработал его. На все (включая приобретение и фотографирование) ушло меньше чем полдня. Вот герой нашего рассказа:

Такие устройства на самом деле сетевым фильтром не являются. Там внутри находится только лишь варистор, ограничивающий кратковременные высоковольтные импульсы, которые иногда присутствуют в сети (немного про варисторы см.

 Маломощный блок питания). Вот и вся его фильтрация. Некоторые устройства (в том числе и мое) имеют токовый размыкатель, который должен по идее размыкаться при протекании большого тока (никогда не проверял, как они работают). В этом случае на корпусе есть кнопочка, которую нужно нажать, чтобы снова замкнуть размыкатель, если он сработал.

Разбираем удлинитель и смотрим что у него внутри:

Число «14», нанесенное синим маркером, ничего не означает — так изначально и было. По нему можно судить, что собирали эту штуку не китайцы — иначе бы был иероглиф! Слева черная фуська — токовый размыкатель, Правее другая черная фуська (к ней подходит много проводов) — выключатель. Между ними варистор, но его плохо видно. На пересечении зеленого и коричневого проводов, голубой диск внизу — это он. Красные провода припаяны (проверьте качество пайки, оно бывает отвратительным!) к длинным металлическим пластинам, которые и являются контактами.

Теперь встраиваем внутрь фильтр, и готово. Вот схемы того, что было, и что будет (выключатель с лампочкой подсветки на схемах не показан):

На исходной схеме: Sc — токовый размыкатель, V1 — варистор типа 471 (числом кодируется максимальное напряжение, а от диаметра зависит максимальная энергия подавляемого импульса; диаметр 6…10 мм — самое то), надписью «Удлинитель» как раз и помечены эти самые контактные пластины.

В доработанном варианте добавляется RLC фильтр. Правда хороший фильтр сделать не удастся — все же мало места, да и для него нужно подбирать детали. Именно так делают «Пилоты» — сначала проектируют схему, а потом под нее уже делают корпус. Но тем не менее, такой вот фильтр, собранный из подручных материалов, работает достаточно хорошо.

Пройдемся по элементам. Катушки L1 и L2 вместе с конденсаторами С1 и С2 образуют LC фильтр. Сопротивление катушек на высоких частотах большое, а вот на низких — маленькое. Поэтому, чтобы и низкочастотные помехи хоть немного подавить, последовательно с катушками включены резисторы R1, R2. Резистор R3 разряжает конденсаторы при отключении от сети, иначе, заряженные конденсаторы могут нехило стукнуть током. Конденсатор С2 включен с другой стороны контактных пластин для того, чтобы создать «распределенную» емкость, чтобы индуктивность и сопротивление пластин не ухудшало фильтрацию. На самом деле, в нашем случае разницы, где включен С2 никак не заметно слишком уж маленькая индуктивность и сопротивление контактных пластин.

Но все равно приятно, что мы об этом позаботились! И, кроме того, именно в том конце корпуса есть свободное место, куда можно поставить этот конденсатор.

Иногда возникают споры о размещении резисторов R1 и R2. Как их включать — до варистора, или после, как у меня? На самом деле это зависит от нашей цели. 

До варистора, резисторы нужно включать, если мы хотим улучшить работу варистора при подавлении кратковременных высоковольтных (до нескольких тысяч вольт) импульсов. Эти импульсы варистор «пропускает через себя», ток через варистор достигает сотен ампер, и практически все напряжение импульса падает на сопротивлении проводов и контактов.

Сопротивление проводов довольно маленькое (это ведь чем лучше сеть, тем меньше сопротивление), и ток очень большой. Поэтому при большом токе на варисторе получается довольно большое напряжение (левый рисунок). Если же на пути тока поставить резисторы R1 и R2, то их сопротивление (совместно 1…2 Ома) заметно больше сопротивления проводов, и ток будет гораздо меньше (но все равно сотня-другая ампер!). А раз ток меньше, то и напряжение на варисторе меньше (правый рисунок).

Казалось бы, правый вариант намного лучше! Не совсем. Дело в том, что эти импульсы кратковременны, и большинство приборов их «не замечает» (они нередки в сети, вы их замечали?). Для чего же варистор? На всякий пожарный случай. Мало ли что. 100 раз импульс не подействует, а на 101-й придет импульс побольше, и спалит блок питания, или еще что. Так вот, если этот кратковременный импульс в 3000 вольт не всегда заметен, есть ли разница, останется от него 300 вольт, или 600? 

(Внимание! цифры 300 и 600 я взял «от фонаря»! На самом деле все это очень сильно зависит и от конкретной сети, и от конкретного варистора и от конкретного импульса! Но принцип верный!)

Почему же я включил резисторы после варистора? Чтобы максимально отделить от варистора конденсаторы. Конденсатор, включенный параллельно варистору, совсем даже ему не помогает (иногда мешает, иногда — нет). Кроме того, при ограничении варистором вражеских импульсов, образуется куча высокочастотных помех, у которых напряжение хоть и не высокое, но кому они нужны? Включив резисторы после варистора, я минимизировал прохождение помех на выход фильтра — ведь у меня получилось две ступени фильтрации — с высоковольтной гадостью справляется варистор, а с остальной — катушки с конденсаторами, которым резисторы очень даже помогают.

Вывод. Если у вас очень «грязная» сеть, в которую часто включают сварочные аппараты, ставьте резисторы до варистора. Если нет — ставьте их после. Возникает вопрос: а почему бы не включить две пары резисторов — одну до варистора. а другую после варистора? По одной простой причине — резисторы греются. Две пары резисторов увеличивают нагрев вдвое. А там и расплавится что-нибудь, или вообще загорится! А ставить резисторы маленького сопротивления (чтобы меньше грелись) — тоже не выход, они будут хуже работать.

Итак, берем детали

и прикидываем, куда их притулить (о самих деталях — ниже):

Все хорошо влазит, ни с чем не замыкает, можно паять.

Конденсатор С2 (он справа) должен иметь длинные выводы, иначе он не даст поставить на место контактные пластины (хотя длинные выводы ухудшают работу конденсатора). Поэтому его можно и не ставить — будет намного легче собирать все обратно.

Когда все обратно собрали — на вид ничего не изменилось, но начинка уже совсем другая. Чтобы окончательно перекрыть путь помехам, на сетевой провод возле самого удлинителя ставим ферритовую шайбу (удобнее всего разрезную на защелках):

(Это на другом проводе феррит — тот, который я поставил на этот удлинитель точно такой же, просто я забыл сфотографировать, а потом уже было далеко доставать)

Об этом поподробнее. В отличие от нормальной передачи энергии, когда по одному проводу ток приходит в нагрузку, а по другому возвращается обратно в источник, высокочастотная (ВЧ) помеха может распространяться сразу по двум проводам. Например, при ударе молнии вблизи электрических проводов, в них возникает ток, который идет сразу по обоим проводам в устройство, и, пройдя сквозь него, через емкость между корпусом и землей замыкается на землю.

Т.е. оба сетевых провода для помехи — это как два параллельных прямых провода (или как антенна), а земля — обратный провод. Внутри устройства, ток ВЧ помехи может воздействовать на разные цепи и мешать им жить. Нацепив ферритовое кольцо на сетевой провод, мы увеличиваем его (провода) индуктивность, а значит и сопротивление на высоких частотах. Поэтому ток помехи станет меньше.

Конструкция и детали

Схема очень непривередлива к деталям. Но все же некоторые правила нужно соблюдать. Разберем по порядку.

Варистор. Тип 471. Диаметр 6…10 мм. Это оптимально.

Резисторы R1, R2. Чем их сопротивление больше, тем лучше фильтрация, но больше нагрев и больше потери напряжения. С другой стороны, нагрев и падение напряжения тем больше, чем больше потребляемый ток (и мощность). Поэтому сопротивление резисторов выбираем в зависимости от суммарной мощности, потребляемой всеми теми устройствами, которые будут подключаться к фильтру:

Мощность нагрузки, Вт	до 250	до 380	до 500
Сопротивления R1 и R2, Ом	0,82	0,36	0,22

Если планируется подключать более мощные потребители, то возможно, придется вообще отказаться от резисторов. С другой стороны, зачем делать фильтр, чтобы подключать к нему утюг?!

Резисторы используются мощностью 5 Вт. Можно взять и двухватные, но не стОит — они должны иметь запас по мощности на случай, если вдруг ток окажется больше, чем ожидалось (или помеха проскочит, где ее энергия выделится?..).

Дроссели L1 и L2. Это самый «труднодоставаемые» элементы. Но с другой стороны, поскольку вместе с ними работают резисторы, требования к дросселям снижаются. Требования такие:

• Ферритовый сердечник. Катушка без сердечника имеет слишком низкую индуктивность (при реальных габаритах), а стальной сердечник плохо работает на ВЧ.
• Сердечник незамкнут, или с воздушным зазором — иначе сердечник может насытиться, и индуктивность сильно снизится.
• Максимальный ток катушки (это ток, при котором индуктивность начинает снижаться из-за насыщения сердечника) не меньше, чем ток нагрузки.
• Индуктивность дросселя не менее 10 мкГн. Чем больше, тем лучше (до 10 мГн).
• Дроссели не имеют магнитной взаимосвязи.

Конденсаторы С1, С2. Если С2 поставить не удается, то вполне можно ограничиться одним конденсатором. Поскольку они соединены параллельно, то вполне можно рассматривать их как один конденсатор с емкостью, равной сумме емкостей С1 и С2. Требования к конденсатору:

• Конденсатор пленочный, типа К73-17 или аналогичный (импортные меньше по габаритам).
• Емкость не меньше 0,22 мкФ. Больше 1 мкФ тоже не нужно.
• Напряжение 630 вольт. Зачем столько? А это запас, ведь при помехах, напряжение повышается. Да и по правилам напряжение на конденсаторе должно быть меньше максимально допустимого.

Резистор R3. Его мощность 0,5 Вт, хотя на нем выделяется в 10 раз меньше. К этому резистору прикладывается 220 вольт, и он должен иметь довольно большие геометрические размеры (отсюда и 0,5 Вт), чтобы такое напряжение выдерживать. Сопротивление от 510 кОм до 1,5 МОм.

Вот и все. Можно пользоваться, и удачи в борьбе с помехами!

По просьбе читателей, я измерил насколько фильтр подавляет помехи. Это не очень хорошо получилось — высоковольтные импульсы мне дома сгенерировать сложно, и я этого не делал. А вот ВЧ помеху генератор выдал (маленькой амплитуды, но какая разница?). Вот два теста. Они могут быть не совем точными — величина подавления может быть несколько занижена. В качестве нагрузки в фильтр был включен паяльник.

Первый тест — подавление частоты 30 кГц. Эта частота часто используется в импульсных блоках питания (компьютерных, например), и этой частотй «засорена» сеть. Вот осциллограммы напряжения на входе и выходе:

Синий — вход, красный — выход. Масштабы одинаковы. Подавление раз в 8, что очень неплохо для простого фильтра, да еще сделанного из подручных материалов.

Второй тест — действительно высокочастотная помеха частотой 200 кГц:

Здесь выходное напряжение в 100 раз большем масштабе, чем входное. Подавление помехи примерно в 350 раз!!! Так что ВЧ помехи не пройдут.

Новенькое!

В продаже появились неплохие катушки:

Они намотаны довольно толстым проводом на ферритовом сердечнике, по форме напоминающем гантелю. Снаружи надета термоусадочная трубка. У этих катушек довольно большая индуктивность при приличном токе (и несколько типоразмеров — чем больше размер, тем больше произведение индуктивности на максимальный ток). Имея такие катушки, фильтры делать — одно удовольствие. Схема почти такая же, теперь катушки «мощные» и резисторы в цепь гашения помех не нужны:

В принципе, все осталось прежним, но кроме катушек изменился конденсатор. Это специализированный конденсатор, предназначенный доя работы в фильтрах (такие стоЯт в компьютерах и бесперебойниках. И напряжение 280 В, на которое рассчитан конденсатор — это действующее значение переменного тока (об этом говорит знак «280V ~» на корпусе). Такое же, как и 220. Т.е. не нужно делить напряжение, написанное на конденсаторе на корень из 2, чтобы узнать на какое макс. напряжение переменного тока его можно включить. Как раз на 280 вольт. А у нас — 220, запас приличный. Вот что получилось:

Голубой — варистор, который и был в этом «фильтре»-удлиннителе; рядом с ним черные — катушки, по хорошему их надо размещать так, чтобы их оси были перпендикулярны, но я сначала сфотографировал, потом отогнул (нижнюю на фото) катушку, потом все закрутил, а уж потом вспомнил, что сфотографировал неправильно! Снова разбирать было лень, уж извиняйте! Желтый — это конденсатор. Насколько я с ними встречался — они все желтые.

Резистор, разряжающий конденсатор, здесь не установлен — в этот фильтр будет все время включено устройство, которое и разрядит конденсатор. А если один раз в жизни я этот фильтр сниму, то уж не забуду разрядить. Просто быо лень искать и паять резистор, но всем я категорически рекомендую в этом с меня пример не брать, и резистор устанавливать!

Вот и все! Очень просто и очень неплохо!

18.08.2007 — 24.04.2008

Total Page Visits: 13886 — Today Page Visits: 8

Влияние сетевого фильтра на ограничивающее напряжение MOV title={Влияние сетевого фильтра на ограничивающее напряжение MOV}, автор={М.Л. Судхир и М.К. Гунасекаран}, journal={Материалы Международной конференции по электромагнитным помехам и совместимости}, год = {1999}, страницы = {361-365} }

• М. Судхир, М. Гунасекаран
• Опубликовано в 1999 г.
• Инженерное дело
• Материалы Международной конференции по электромагнитным помехам и совместимости

Металлооксидные варисторы (MOV) обычно используются для защиты автономного электронного оборудования от переходных процессов в сети. В автономных импульсных источниках питания (SMPS) используются фильтры линии питания и MOV на входе. Фильтр линии электропередачи используется для уменьшения излучения кондуктивного шума в линию электропередачи, а MOV, подключенные до этого сетевого фильтра, и MOV, подключенные до этого сетевого фильтра, для ограничения переходных процессов в линии до более безопасных уровней, тем самым защищая SMPS. Из-за наличия «Х…»

View на IEEE

DOI.org

Оптимизированная и экономичная система управления энергоснабжением для конечных пользователей электроэнергии

• F. Shahzad, A. Hanif

• Engineering

• 2015

. новый метод Оптимизированной и Экономически Эффективной Системы Управления Энергопотреблением (OCEPMS) для конечных потребителей электроэнергии. Техника включает в себя все три важных аспекта…

ПОКАЗАНЫ 1-10 ИЗ 14 ССЫЛОК

Sort Byrelevancemost, повлиявший на документацию,

Тесты с краткосрочным напряжением с крутым коротким напряжением

• P. Barnes, T. L. Hudson

• Engineering, Physics

  IEEE Engineering Engineering.

Испытания кратковременных перенапряжений с крутым фронтом были проведены на имеющихся в продаже сетевых фильтрах и двух типах ограничителей переходных напряжений, чтобы определить их эффективность для…

Генерация выбросов и шума в прямом преобразователе постоянного тока

Импульсные перенапряжения и шумовые напряжения анализируются в синфазном режиме в прямом преобразователе постоянного тока. Анализ выполняется путем разбиения времени переключения на несколько состояний и…

Генерация шума в прямом преобразователе постоянного тока

Исследован механизм генерации шума переключения для наиболее популярного силового преобразователя, т.е. в постоянный ток, а также количественно выяснена зависимость между скоростью переключения транзистора и шумовым напряжением.

Шумоподавление импульсного регулятора

• К. Харада, Т. Ниномия

• Инженерия, физика

  IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems

• 1978

Аналитические и экспериментально генерируемые шумы

в типичном импульсном регуляторе. Существует два вида перенапряжений, возникающих в моменты переключения…

Согласование каскадных устройств защиты от перенапряжения: высокий-низкий против низкого-высокого

Каскадные устройства защиты от перенапряжения, расположенные на служебном входе в здание и рядом с чувствительным оборудованием, предназначены для обеспечения оптимального распределения перенапряжения каждым устройством…

Генерация синфазных помех в преобразователе постоянного тока

• Т. Ниномия, К. Харада

• Физика, инженерия

  IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems

• 1980

обсуждалось. Анализ механизма генерации синфазного шума с помощью высокочастотного…

Совместимые с EMI-фильтры

• H. Schlicke, H. Weidmann

• Engineering

  IEEE Spectrum

• 1967

Проблема VEXING в электромагнетической совместимости является эффективной фильтраторной линейкой. Соединенные помехи. Из-за неизбежного и серьезного несоответствия обычное подавление…

Испытательное оборудование в соответствии с новыми стандартами импульсных электромагнитных помех

Европейские стандарты для импульсных электромагнитных помех1 приобрели большое значение благодаря серии стандартов IEC 801 по помехоустойчивости. Они превращаются в обязательные ENS или европейские нормы. Эти стандарты IEC 801…

Графический метод анализа и синтеза фильтров электромагнитных помех

• Дж. Шифман

• Машиностроение

• 1964

Эта статья предоставляет разработчику фильтра набор номограмм, который позволяет ему сразу получить характеристика вносимых потерь для любого одно-, двух- или трехэлементного электромагнитного…

Возможности и ограничения низковольтных подавителей переходных процессов

• О. М. Кларк

• Материаловедение

• 1977

Соединители фильтров с многослойными варисторными матрицами

Доступная по цене защита от переходных процессов теперь доступна в электронных соединителях.

Крис Ноуд, Syfer Technology Limited, Армингхолл, Норидж, Великобритания

«Разъемы не приносят никакой пользы для электронного оборудования» — это старое и спорное утверждение, которое вызвало несколько споров при написании, но теперь оно бесспорно устарело и неверно! Современный разъем сам по себе может выполнять функцию защиты оборудования — как от непрерывных, так и от переходных помех. Конечно, сразу возникает вопрос стоимости. Добавьте фильтрацию, и соединитель за 10 долларов станет соединителем за 100 долларов. Добавьте защиту от скачков напряжения, и вы получите разъем за 1000 долларов.

К счастью, недавние инновации решили эту неприятную дилемму. Конденсатор фильтра, многослойная планарная матрица теперь доступна с дополнительной функцией защиты от переходных процессов. При построении с использованием планарных массивов многослойных варисторов соединители фильтра защиты от переходных процессов представляют собой доступный вариант конструкции продукта.

ВАРИСТОРЫ

Варисторы представляют собой переменные резисторы. При низких значениях приложенного напряжения варистор действует как обычный высокоомный резистор, подчиняющийся закону Ома, но выше определенного порогового напряжения устройство становится высокопроводящим, демонстрируя низкий импеданс при высоких напряжениях. Когда варистор становится проводящим, он ограничивает приложенное напряжение до заданного максимума, который может выдержать защищаемое устройство. Благодаря этим свойствам варисторы используются в электротехнике для защиты цепей от кратковременных перенапряжений. При низких напряжениях поведение варистора напоминает поведение керамического конденсатора; и поэтому он также может действовать как часть электрического фильтра, противодействующего постоянному шуму. Так почему же варисторы не использовались регулярно в фильтрах, где они могли бы выполнять двойную роль — подавления непрерывных помех и подавителя переходных напряжений?

ИМПУЛЬСНЫЕ НОМИНАЛЬНЫЕ МОЩНОСТИ ВАРИСТОРОВ

Одно из возражений со стороны потенциальных пользователей по поводу использования варисторов в фильтрах касалось ухудшения защиты, которое может произойти в результате повторных ударов скачками напряжения.

Варисторы изготовлены из керамических материалов. Основным компонентом преобладающего типа варисторов является оксид цинка (ZnO). К этому добавляют небольшие количества других оксидов, таких как висмут, кобальт, марганец и другие. Соответственно, варисторы иногда называют варисторами на основе оксида металла или MOV.

Рисунок 1.

Во время производства оригинальные керамические порошки смешиваются, им придается форма, а затем происходит обжиг. Металлизация применяется для обеспечения электрического соединения. При обжиге керамики образуется мультикристаллическая структура (рис. 1). Добавки оксидов металлов перемещаются к границам зерен, где образуют полупроводниковые слои, P-N-переходы. Средний размер зерна определяется составом исходного пороха и температурой обжига. Ниже приложенного напряжения около 3,6 вольт на границу зерна границы зерна обладают высоким сопротивлением. Выше этого порога они переключаются и становятся высокопроводящими.

Напряжение, при котором переключается сам варистор, определяется средним числом зерен между электродами детали.

Кристаллическая структура варистора не имеет направленности; следовательно, варисторы являются биполярными устройствами. Имея симметричные характеристики резкого пробоя напряжения, они демонстрируют электрические характеристики, аналогичные встречно-параллельным стабилитронам. Традиционно считалось, что электрические характеристики варисторов ухудшаются в результате повторяющихся импульсов при высоких уровнях тока (в частности, снижение их характеристик фиксации и увеличение их тока утечки). В свое время производство варисторов требовало использования крупнозернистых керамических составов. Большие размеры зерен привели к меньшему количеству границ зерен на единицу площади электрода и более длинным путям тока через границы зерен между электродами. Последовательное сопротивление на единицу площади электрода было относительно высоким, что приводило к соизмеримо низкому пиковому току.

Необходимость создать подлинную конфигурацию варистора для поверхностного монтажа, которая могла бы работать при низком напряжении, потребовала разработки составов мелкозернистой керамики, которые можно было бы успешно использовать в многослойном формате. Когда эта цель была достигнута, материалы с мелким и однородным размером зерна в сочетании с большой площадью электрода по сравнению с платформой компонента, обеспечиваемой многослойным форматом, привели к значительному увеличению пикового тока на единицу объема компонента.

Номинальные значения тока и энергии для многослойных варисторов (MLV) очень консервативны по сравнению с характеристиками для других типов варисторов, и теперь можно продемонстрировать, что MLV могут выдерживать многие тысячи разрядов при полном номинальном пиковом токе без ухудшения характеристик.

СКОРОСТЬ И ПРЕВЫШЕНИЕ

Поскольку производители компонентов различных технологий защиты от переходных процессов стремились настаивать на внедрении предпочитаемых ими продуктов, быстрота реакции или ее отсутствие часто вызывали озабоченность в отношении варисторов. Основной материал варисторов имеет время отклика намного меньше 500 пикосекунд.

«Виновником» медленного времени отклика со стороны ранних варисторных компонентов была паразитная индуктивность готового корпуса. При использовании в их конструкции провода от 25 до 50 мм при индуктивности 0,6 мГн на мм высокий уровень собственной индуктивности был заданной характеристикой варисторов с радиальными выводами.

Теперь в многослойной конструкции отсутствует провод; и теперь при типичной индуктивности порядка 1200 пн микросхема 1206 MLV имеет время отклика менее 1 нС. Другие конфигурации компонентов, которые когда-то впервые применялись в качестве фильтрующих конденсаторов, становятся доступными в виде варисторов с эквивалентными последовательными индуктивностями (ESL) всего 30 pH. Они позволяют сократить время отклика до нескольких десятков пикосекунд.
Еще одной проблемой, вызванной индуктивностью, присущей конструкции варисторов с выводами, было перенапряжение. Изменение тока (di/dt) в результате собственной индуктивности варистора (L) создаст напряжение, равное -Ldi/dt. Во время всплеска напряжения на варисторе возникнет перенапряжение (сумма напряжения фиксации плюс напряжение, индуцированное собственной индуктивностью варистора). Уменьшение собственной индуктивности структур фильтра MLV до нескольких десятков pH практически устранило любые опасения по поводу перенапряжения.

Рис. 2.

ЭМП-ФИЛЬТРЫ

Эффективным противодействием излучению является экранирование. Энергия излучаемого шума поглощается экраном и рассеивается в виде тепла. Эффективной мерой против проводимости является фильтр электромагнитных помех, который отводит проводимую энергию от защищаемой системы к земле (рис. 2). Фильтры электромагнитных помех состоят из комбинаций конденсаторов и катушек индуктивности, использующих различные характеристики импеданса для избирательного подавления нежелательных сигналов.

Они двунаправленные. В то же время, не допуская проникновения в систему нежелательных шумов, они также предотвращают ее излучение. В то время как сборка фильтров на печатных платах оборудования является относительно обычной практикой, фильтры наиболее эффективны при размещении на входе и выходе из экрана оборудования. Разъем позволяет сгруппировать силовые и сигнальные кабели таким образом, чтобы все они входили в экран оборудования в одной точке. Внутри соединителя на каждом контакте может быть сформирована схема фильтра, и это могут быть конфигурации C, T, L или Pi в соответствии с требованиями системы. Разъем фильтра позволяет уменьшить общий размер и вес системы, так как практически устраняет необходимость в цепях фильтров на уровне платы. Кроме того, надежность системы повышается за счет уменьшения количества паяных соединений.

Рисунок 3.Рисунок 4.

МНОГОСЛОЙНЫЕ ПЛАНАРНЫЕ КОНДЕНСАТОРНЫЕ МАССИВЫ

Многослойная планарная матрица представляет собой специальный компонент, предназначенный для использования в разъемах фильтров электромагнитных помех. Это цельный керамический блок, содержащий множество конденсаторов. Индивидуальное линейное подключение к каждому конденсатору осуществляется через переходное отверстие, в то время как заземляющее подключение осуществляется ко всем устройствам по периметру. Встречаются очень низкие импедансы, поскольку сигналы представлены разнонаправленными путями к земле (рис. 3). Каждый контакт разъема соединен с отверстиями в одной или нескольких матрицах. В каждом отверстии есть конденсатор — «горячие электроды» соединяются с периметром целого, а заземляющие электроды покрывают всю планарную часть и контактируют с оболочкой разъема по периметру плоской (рис. 4).

Соединители для фильтров Planar доступны во всех конфигурациях соединителей MIL-STD. Формы соединителей (которым должны соответствовать контуры плоских массивов) могут быть круглыми или прямоугольными. Популярные прямоугольные компоновки включают D-Sub, D-Sub высокой плотности, Micro Ds, Arinc 404 и Arinc 600. Возможны и нестандартные формы. Размеры соответствующих плоскостей варьируются от примерно 5 мм в квадрате до более 75 мм в диаметре.

Количество контактов варьируется от двух до 200 с лишним. Стандартные контакты имеют диаметр от 0,3 мм и выше до коаксиальных — все они могут быть отфильтрованы. Стандартный шаг контактов начинается с 0,63 мм.

В планарной матрице до шести различных значений емкости могут быть распределены по компоновке без учета каких-либо искусственных соотношений.

Для планара могут быть указаны различные рабочие напряжения, и типичный планар с номинальным напряжением 300 В пост. тока выдерживает переходные процессы с пиковым напряжением до 750 В. Может быть указана переходная способность до 3000 В. Отдельные отверстия могут быть изолированы (проходные) или заземлены. Можно указать максимальное сопротивление заземления 10 МОм, а емкость перекрестных помех можно ограничить до 10 пФ или менее.

Сложность планарной матрицы заключается не в сложности электрических характеристик, которые могут быть включены в один компонент, а в механической точности, с которой такие устройства должны быть построены. Как правило, положение контактов в разъеме должно поддерживаться с точностью не хуже ±0,05 мм, поэтому планарные массивы должны быть построены с такими же или лучшими механическими допусками. Планары должны быть сформированы (формованы и просверлены) перед обжигом керамики, во время которого они дают усадку, как правило, примерно на 20 процентов. Положение штифта на планаре диаметром 30 мм во время выстрела будет смещаться более чем на 2,5 мм относительно центральной контрольной точки, т. е. в 50 раз больше допустимого допуска штифта!

Планарная решетка — один из самых передовых пассивных компонентов. С несколькими конденсаторами на устройство, несколькими значениями емкости на устройство и несколькими вариантами электрических функций на отверстие, это один из оригинальных интегрированных пассивных компонентов.

МАСШТАБЫ КОНДЕНСАТОРОВ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ВАРИСТОРАМИ

При низких напряжениях многослойные варисторы ведут себя как конденсаторы. Границы зерен являются изоляторами и обладают диэлектрическими свойствами. Эффективная диэлектрическая проницаемость MLV составляет около 800, т. е. примерно от одной четверти до одной трети значения диэлектрика типичного многослойного конденсатора X7R. Значения емкости, полученные от варисторов, соизмеримо ниже, чем те, которые можно получить от обычных конденсаторов. Учитывая, что они находятся на нижнем уровне того, что может быть достигнуто с помощью традиционной технологии многослойных конденсаторов, соотношение цены и качества, характеристики фильтра MLV практически неотличимы от характеристик конденсатора.

Рисунок 5.Рисунок 6.

При использовании в качестве фильтра варистор обеспечивает дополнительную функцию защиты от переходных процессов. Он рассеивает энергию, содержащуюся в импульсах переходного напряжения, в виде тепла (рис. 5). Зерна ZnO с высокой проводимостью действуют как теплоотводы, обеспечивая быстрое и равномерное распределение тепловой энергии по всему устройству и сводя к минимуму повышение температуры. (Однако варисторы могут рассеивать лишь относительно небольшое количество средней мощности и не подходят для приложений, требующих непрерывного рассеяния мощности. )

Учитывая, что они могут быть встроены в многослойную структуру, не существует такой конфигурации компонента многослойного конденсатора, которую нельзя было бы воспроизвести как варистор. Эти сложные компоненты предназначены исключительно для встраивания в разъемы фильтров с защитой от электромагнитных помех (как вилки, так и розетки) и адаптеры фильтров. Они могут заменить или дополнить конденсаторы в конфигурациях фильтров C, L, T или Pi (рис. 6).

Соединители фильтров, которые включают дополнительную защиту от переходных процессов, до сих пор были доступны с использованием двух других технологий переходного напряжения: трубчатых варисторов и стабилитронов. По сравнению с планарным соединителем фильтра обе технологии требуют более длинной (и, следовательно, более тяжелой) оболочки соединителя фильтра. Более того, обе технологии неэффективно используют пространство разъема — ни одна из технологий не может конкурировать с планарами с точки зрения плотности контактов разъема. Каждый из других компонентов должен обрабатываться отдельно в процессе сборки соединителя, и ни один из них не позволяет компенсировать это бремя затрат за счет низкой стоимости детали.

Планарные массивы варисторов доступны во всех компоновках MIL-STD, включая как круглые, так и прямоугольные компоновки.

Внутри массива может быть распределено до трех различных значений напряжения. Номинальные напряжения варьируются от 5 до 70 вольт в зависимости от плотности контактов. Значения емкости до 6000 пФ, можно указать несколько значений емкости. Импульсные токи до ампер допустимы, а энергия импульсов более 2 Дж может быть обеспечена. Отдельные отверстия могут быть заземлены, но сопротивления заземляющего слоя будут иметь тенденцию быть выше, чем у аналогичных массивов конденсаторов, поскольку удельное сопротивление материала электродов (Pt) и электродов, как правило, меньше. При необходимости отверстия могут быть электрически изолированы для использования в качестве проходных отверстий. (Следует иметь в виду, что действие варистора будет возникать в сквозном отверстии, если штифт фильтра будет касаться отверстия, поэтому штифты в сквозных отверстиях должны быть снабжены гильзами или иным образом электрически изолированы от плоскости.)

ОБЗОР

Доступная по цене защита от переходных процессов теперь доступна в электронных соединителях. Коннектор фильтра с защитой от переходных процессов на основе регулируемой планарной матрицы обеспечивает уменьшение общего размера и веса системы, так как практически устраняет необходимость в фильтрах и схемах подавления на уровне платы. Повышена надежность системы. Планарная матрица варисторов в настоящее время является самым сложным пассивным компонентом. Обеспечивая защиту от переходных процессов при различных напряжениях на разных отверстиях, несколько значений емкости для каждого устройства и другие альтернативные электрические функции для каждого отверстия, это идеально интегрированный пассивный компонент.