Сетевой фильтр

Сетевой фильтр – это устройство, предназначенное для подавления помех на границе питающей сети и оборудования. Различного рода возмущения легко искажают форму напряжения, в результате оно перестаёт соответствовать требованиям стандарта либо несёт опасность для потребителей. Указанный термин часто применяется в отношении удлинителей для компьютерной техники, попадая под определение.

Форма напряжения промышленной сети

Строжайшие требования предъявляются к частоте. Отклонение от нормы не превышает 0,2 Гц. Относительная величина составляет менее 1%. Прописаны в ГОСТ 54149 и требования к единичным скачкам напряжения. Нестабильность мешает правильной работе оборудования, способна привести к выходу из строя ряда приборов. Красочным примером считается электронный блок стиральной машины, стоимость которого такова, что часто ремонт техники становится нецелесообразен. Неудивительно, что на входе непременно стоит сетевой фильтр.

Классический тип фильтра

Классический тип фильтра

Ошибочно думать, что назначение указанного небольшого элемента исключительно в защите начинки оборудования. Сетевой фильтр предохраняет и сеть от выхода туда помех. Недаром в старых руководствах к электрическому инструменту настоятельно рекомендовалось всю цифровую технику в период работ из розеток выключать, пусть сетевой фильтр неизменно входит в состав любой дрели. Помехи от работы коллекторного двигателя настолько велики, что возникает смысл лишний раз перестраховаться.

В простейшем случае фликер (мерцание) осветительных приборов приводит к расстройствам нервной системы. Для цифровой электроники резкие выбросы представляют опасность. Сетевой фильтр представляет устройство для подавления всех частот, кроме 50 Гц. Единственное устройство не в силах справиться с масштабным спектром неприятностей.

Частотная характеристика сетевого фильтра

Рассмотрим, каким образом сетевой фильтр выполняет собственные обязанности. Для построения устройств применяются реактивные элементы:

  1. Ёмкости (конденсаторы).
  2. Индуктивности.

Указанные составляющие характеризуются избирательностью по частоте. Индуктивности становятся фильтрами нижних частот, а ёмкости – верхних. В первом случае на выход проходят медленные изменения напряжения, во втором быстрые. Кажется, хватит поставить на входе в технику дроссель, чтобы избавиться от неприятностей, но дело обстоит сложнее. Характеристика получится слишком пологой, и масса вредных сигналов пройдет сквозь схему.

На практике сетевой фильтр строится на основе резонансных контуров, выборочно пропускающих частоты 50 — 60 Гц и подавляющих лежащие выше и ниже указанного диапазона. Это позволяет максимально оградить технику от нежелательного воздействия. Каждый резонансный контур включает одновременно индуктивность и ёмкость. Комбинация свойств придаёт специфическое качество: на резонансной частоте система показывает нулевое сопротивление. Поэтому требования стандартов настолько жёсткие (отклонение менее 1%).

Смысл амплитудно-частотной характеристики — продемонстрировать, какая часть спектра сигнала пройдет на выход. Профессионалы по графику сразу скажут, что получится в итоге. Чем выше кривая поднимается над горизонтальной осью, тем лучше соответствующие частоты проходят на выход. АЧХ сетевого фильтра представляет равносторонний колокол с макушкой, расположенной в районе 50 Гц.

Амплитудно-частотная характеристика объясняет существующее на рынке разнообразие принципиальных схем сетевых фильтров. В каждом случае пытаются минимальными затратами достигнуть требуемого результата. Для объяснения затруднений посмотрим, как работает, к примеру, импульсный блок питания.

Высшие гармоники в цифровой технике, их фильтрация

В персональных компьютерах используются импульсные блоки питания, как и в большинстве приборов. Суть действия приспособлений сводится к выпрямлению входного тока и дальнейшей нарезке его пачками высокочастотных импульсов. Такой сигнал обнаруживает сложный спектр, часть его проходит на вход устройства (вилку).

По определению сетевая частота 50 Гц состоит из единственной гармоники. На графике это просто вертикальная линия с амплитудой 311 В. Значение получается, если квадратный корень из двух умножить на 220 В (действующее значение напряжения в сети). В действительности искажения приводят к спектру сложной формы. Сетевой фильтр по определению должен пропускать исключительно полезный сигнал. Это единственная линия на графике частотой 50 Гц.

Фильтр с европейскими разъёмами

Фильтр с европейскими разъёмами

Подобный сетевой фильтр сегодня построить невозможно, характеристика прибора представляется с вертикальными склонами и крайне узкой полосой. Уже говорили, что в каждом случае, выбирая принципиальную схему, конструктор пытается минимальными затратами решить задачу. В развитых странах известно, что при обилии в доле потребителей нелинейной нагрузки (более 15%), к которой относятся компьютерные системные блоки, возникает ряд ситуаций:

  1. Перегрев и разрушение нулевых проводников. В теории по закону Кирхгофа ток в последовательной одинаков, на практике иначе. Реактивные элементы запасают мощность, и в конкретный момент времени отдают её неравномерно. За счёт этого пики мощности в нулевых проводах превышают фазные в 1,5 и более раз. В результате страдает изоляция, жила способна сгореть. Читатели уже догадались, зачем требуются компьютерные сетевые фильтры, называемые в народе крысами.
  2. Даже зануление корпуса системного блока не всегда устраняет проблематику кусающегося компьютера. Порой человек не знает, что нельзя одновременно касаться железного помощника и заземлённых предметов. Возможно получить удар током. Сетевой фильтр блока питания устроен так, что гармоники направляет на корпус. Потому техника непременно включается в правильно оборудованную розетку. Нередко в домах система снабжения электричеством TN-C-S либо TN-C. В этом случае проход гармоник в сеть вызовет неприятный эффект (но уже не столь болезненный, как при отсутствующем занулении).
  3. Установлено, что импульсный блок питания вызывает уплощение вершин питающей синусоиды и для остальных потребителей. Если брать компьютерную технику, это приводит к ряду негативных эффектов.
Сетевые фильтры имеют кнопку выкл.-вкл.

Сетевые фильтры имеют кнопку выкл.-вкл.

  1. Во-первых, за счёт снижения амплитуды напряжения повышается выделение тепла в активных сопротивлениях. Это прямо вытекает из закона Джоуля-Ленца, утверждающего, что эффект зависит от квадрата тока. А ток, понятное дело, увеличивается при падении напряжения, импульсный блок питания следит, чтобы мощность (произведение тока на напряжение) оставалась прежней.
  2. Во-вторых, снижается устойчивость к провалам напряжения. Импульсный блок питания продолжает работать и после исчезновения фазы. Проще заметить на примере колонок, которые ещё полсекунды продолжают воспроизведение, будучи отключены от розетки. Эффект обусловлен запасённой во входных конденсаторах энергией, зависящей от амплитуды напряжения (уплощённые вершины пониже).

Известны прочие негативные последствия. К примеру, гармоники повышенной частоты отрицательно влияют на работы трансформаторов за счёт поверхностных токов и эффекта близости. Тесла установил, что электрические колебания частотой выше 700 Гц не приносят вреда человеку. Объяснение — ток высокой частоты течёт лишь по поверхности, нарушая передачу магнитного поля в трансформаторе. Эффект близости проявляется в возникновении наводок в проводке за счёт переизлучения энергии.

Все описанное требует использования сетевых и промежуточных фильтров. В электронике между каскадами включают как минимум разделительные конденсаторы для развязки по постоянному току. Для профессионалов сетевые фильтры считаются лишь примером в комплексе средств борьбы с гармониками. Из-за пологости амплитудно-частотных характеристик отдельные спектральные составляющие свободно проходят, хотя ослабляются.

Использование фильтра

Использование фильтра

К примеру, использование внешних сетевых фильтров для компьютеров (крыс) считается стандартом де-факто и призвано защитить не столько офисную технику, сколько провода и прочих потребителей. Аналогичное скажем про электрический инструмент, стиральные машины. Коллекторные двигатели сильно искрят, сетевые фильтры защищают собственно сеть от выхода туда лишних помех.

Конструкция фильтров

Рассказывали про бытовой инструмент, известно, что там нет, как правило, индуктивностей, а выше говорили, что фильтры строятся на основе резонансных контуров, где элементы обязаны присутствовать. Но ёмкость здесь выполняет роль барьера плюс компенсатора. Двигатель любого типа обнаруживает резко выраженное индуктивное сопротивление за счёт обмоток. В результате возникает уход части мощности в реактивную.

Важно знать, что конденсатор подобные негативные эффекты компенсирует. Одновременно становится частью фильтра, второй составляющей которого служит обмотка двигателя. В прочей технике присутствует в определённом виде резонансный контур. Если посмотреть на принципиальные схемы, легко заметить, что для правильной работы требуется правильное заземление: в импортной технике защищается и фазный, и нулевой проводник.

По возможности нужно использовать систему NT-S, которая в СССР не применялась. Тогда контур заземления не касается нулевого проводника. Так обеспечивается истинная защита питающей сети от эксцессов. Непонимание, нежелание решать задачу правильно приводит к негативным эффектам.

Конструкция сетевых фильтров

Сетевые фильтры стиральных машин единственные, где элемент вынесен в отдельный блок. Это требуется, чтобы подготовить напряжения для потребления электроникой, защитить внешних потребителей от результатов работы коллекторного двигателя. Присмотритесь: для холодильников аксессуары не продаются. Двигатель здесь асинхронный, не искрит и не вызывает неприятностей. Однако не запрещено купить внешний фильтр и подключать технику через него.

Для стиральных машин комплектующие выпускаются в герметичном корпусе, где указана минимально необходимая информация:

  • Наименование изделия, по коду легко пробить нужную запасную часть в магазине.
  • Принципиальная электрическая схема помогает найти аналог, что увеличивает ремонтопригодность техники, даёт понятие, куда и что подключается (особенно важно, когда находят не оригинальную деталь).

Сетевой фильтр доступен для самостоятельной сборки. Дали понятие, насколько сложно собрать элемент правильно, и насколько массивная информация учитывается в процессе конструирования.