Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

 
 

Сайт электрика

Интересные электротехнические новинки, Электрообзоры, Как это устроено

Как устроены и работают сетевые фильтры

Сетевые помехи, как они возникают. Устройство сетевого фильтра, назначение его элементов. Особенности сетевых фильтров.

Как устроены и работают сетевые фильтры Теория вопроса

Переменный ток в бытовой сети является синусоидальным. Это означает, что изменение напряжения, а, следовательно, и тока, происходят по синусоиде, то есть по плавной дуге, симметрично колеблющейся вокруг оси времени. За одну секунду напряжение в розетке меняет свое значение от +310 до -310 вольт пятьдесят раз. Так по идее работает сеть переменного тока 220 вольт 50 герц.

Однако если мы посмотрим на осциллограмму напряжения в нашей розетке, то убедимся, что до идеала ей совсем далеко. Какая там синусоида!? Непрерывные пики, импульсы, искажения формы, изменения амплитуды, броски и скачки – вот что мы увидим. Все это очень портит картину и способно вывести из строя бытовую технику. Последнее, прежде всего, относится к музыкальным центрам, телевизорам, блокам питания радиотелефонов и других устройств.

Причин для искажения синусоиды напряжения питающей сети есть очень много. Это включение-выключение мощных электроприемников, атмосферные перенапряжения, короткие замыкания по высокой стороне трансформаторной подстанции, а также различные сложные переходные процессы.

Из курса математики известно, что любую сложную функцию можно представить в виде сходящегося тригонометрического ряда Фурье. Это означает, что наша искаженная синусоида – это просто сумма других, самых разных синусоид, каждая из которых имеет свою частоту и амплитуду. А нам для безопасной и надежной работы нашей бытовой техники нам нужно оставить только одну синусоиду – с амплитудой в 310 вольт и частотой 50 герц. Все остальные синусоиды или, как принято говорить, гармоники нам надо подавить, разрядить и не пропустить к электроприемнику.

Кроме этого, есть еще и особый вид апериодических помех, которые не поддаются ни прогнозированию, ни описанию при помощи математических функций. Это импульсные броски напряжения – очень кратковременные, но значительные его возрастания. Они могут возникнуть абсолютно в любой момент времени и, разумеется, тоже не идут на пользу бытовой технике. Поэтому импульсные помехи тоже необходимо подавить.

Как устроены и работают сетевые фильтры Для решения этих двух задач и используются сетевые фильтры. Они защищают оборудование от высокочастотных, низкочастотных и импульсных помех в сети. Но как они работают?

Устройство сетевого фильтра

Если сопротивление резисторов никак не зависит от рода тока, проходящего через них, то реактивное сопротивление таких элементов цепи, как емкость и индуктивность находится в прямой зависимости от частоты тока. Например, сопротивление катушки индуктивности резко возрастает для токов большой частоты.

Это свойство индуктивности как раз и используется в сетевых фильтрах для подавления высокочастотных помех – синусоид с маленькими периодами. Достаточно разместить последовательно нагрузке две катушки – в нулевой и в фазный проводник. Индуктивность каждой может быть примерно 60-200 мкГн.

Низкочастотные помехи могут гаситься активным сопротивлением катушек индуктивности, или отдельными резисторами, которые также располагаются последовательно нагрузке. Сопротивление таких резисторов не должно быть большим, иначе на них будет иметься существенное падение напряжения. Поэтому резисторы для подавления низкочастотных помех должны иметь сопротивление максимум 1 Ом.

Однако наиболее эффективными против сетевых помех являются фильтры, которые носят условное название LC. Они не ограничиваются одними лишь катушками индуктивности, а включают в себя конденсатор емкостью 0,22 – 1,0 мкФ, включенный параллельно нагрузке. Номинальное напряжение конденсатора должно быть выбрано хотя бы с двукратным запасом относительно напряжения сети, чтобы учесть перепады этого напряжения.

Действие фильтров LC напрямую связано с двумя законами коммутации: катушка L подавляет резкие изменения тока, а конденсатор С гасит высокочастотные колебания напряжения.

Но у нас остаются еще и импульсные кратковременные помехи. С ними можно справиться с помощью особого полупроводникового элемента, имеющего нелинейную вольт-амперную характеристику – варистора. На низком напряжении варистор ведет себя как резистор очень большого сопротивления и ток практически не пропускает. Но если напряжение возрастает до уровня номинального для варистора, то его сопротивление резко снижается – он пропускает через себя импульс тока.

Таким образом, если варистор включить в параллель нагрузке, то он будет «брать на себя» импульсы высокого напряжения, шунтируя нагрузку на время их воздействия. Номинальное напряжение варистора при этом должно быть около 470 вольт.

сетевой фильтрИтак, сетевой фильтр для более-менее успешной работы должен содержать в себе: две катушки индуктивности 60-200 мкГн, включенные последовательно защищаемой нагрузке, а также варистор на 470 вольт и конденсатор на 0,22 – 1,0 мкФ, включенные параллельно. При необходимости в цепь можно включить и резисторы для подавления помех низкой частоты на 1 Ом максимум. Токовый номинал элементов цепи нужно подбирать в зависимости от мощности нагрузки.

Практика

Подавляющее большинство дешевых сетевых фильтров, знакомых нам в быту, на поверку сетевыми фильтрами не являются. Они содержат в своем составе только варистор и биматаллический контакт для максимально-токовой защиты.

Но такие фильтры легко поддаются доработке, если вооружиться паяльником и собрать все необходимые перечисленные элементы для сборки контура LC.

Мощность большинства сетевых фильтров невелика. Это связано с тем, что катушки индуктивности и прочие элементы фильтра для большой нагрузки будут слишком громоздки и дороги. Зачастую для электроприемников большой мощности вообще можно использовать только фильтры, являющиеся полупроводниковыми преобразователями. И цена таких фильтров будет значительно выше, также как и сложность их устройства.

К счастью, мощные бытовые электроприемники не нуждаются в защите от сетевых помех. И плите, и утюгу, и чайнику совершенно нет никакого дела до качества электроэнергии, которую они получают. Поэтому и сетевые фильтры им не нужны.

А компьютеры, телевизоры, музыкальные центры потребляют очень мало энергии, и для их защиты достаточно отдельного сетевого фильтра с номинальным током всего в несколько ампер.

Александр Молоков


Сейчас самое время поделиться статьей и добавить ее в закладки!


Тематические разделы: Интересные электротехнические новинки, Электрообзоры, Как это устроено

Другие статьи:

  • Стабилизаторы напряжения и сетевые фильтры
  • Защита домашней электропроводки от грозовых перенапряжений
  • Устройство импульсной защиты
  • Конденсаторы в электронных схемах. Часть 2. Межкаскадная связь, фильтры, ге ...
  • Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогово ...
  • Катушки индуктивности и магнитные поля. Часть 2. Электромагнитная индукция ...

  •  
      Комментарии:

    #1 написал: евгений | [цитировать]

     
     

    60-200мкГн - это сколько витков и какого диаметра виток?

      Комментарии:

    #2 написал: Читатель | [цитировать]

     
     

    Вообще-то современные виды электронной техники такие как телевизор и компьютер уже снабжены своей защитой. Это и встроеный сетевой фильтр (LC) и напряжение питания 100-260 В. (Автовольтаж по моему) и пр. В общем рассчитаны на нестабильное и некачественное электрическое питание, или я не прав? И использовать дополнительные фильтры имеет ли смысл?

    евгений,
    Можно использовать готовые со старых плат, например от телевизора. На них прямо написано сколько МКГ.

      Комментарии:

    #3 написал: s | [цитировать]

     
     

    хм, а почему от -310 до 310 вольт?

      Комментарии:

    #4 написал: Автор | [цитировать]

     
     

    Потому что 220 вольт - это действующее значение напряжения. Максимальное, то есть амплитуда - около 310 вольт.

      Комментарии:

    #5 написал: Андрей | [цитировать]

     
     

    Хочу обратить особое внимание на то, что существуют сетевые фильтры у которых варисторы подключены не только между фазой и нулем, но и между фазой и землей и нулем и землей! Поэтому далеко не все сетевые фильтры можно использовать без заземления в питающей розетке! При повышении напряжения свыше 231 вольта обычно "срабатывает" варистор между фазой и нулем,  а свыше 250-300 вольт сброс происходит на заземляющий проводник. Если заземления нет, ток пойдет по пути наименьшего сопротивления, т.е. через бытовые приборы до места "пробоя".

    На фото в статье мы видим великолепный сетевой  фильтр APC SurgeArrest® Home/Office PH6T3, его как раз без заземления использовать категорически запрещено.

    При подключении без заземления такого фильтра, я заметил что индикатор заземления горит зеленым, показывая полную исправность! После отключения компьютера лампочка потускнела, после отключения телефона погасла.

    По этой же причине настоятельно не рекомендую ставить розетки с заземляющим контактом в квартире без заземления! Используйте обычные удлинители с кнопкой отключения питания, с заземляющим контактом, и старайтесь подключать технику которая соединена дата кабелями на один такой удлинитель.

    Это нужно для выравнивания потенциалов между устройствами. (Пример 1: системный блок, монитор, принтер, колонки. Пример 2: телевизор, DVD плейер.)

    УЗО, Дифавтомат, реле напряжения и предохранители от таких СЕТЕВЫХ ФИЛЬТРОВ не спасут, Вашу технику, они спасут только от пожара по вине продавцов, которые не сообщают Вам полной информации и по вине производителей, которые не пишут про необходимость заземления для их "чудо устройства".

    Распознать такие сетевые фильтры непросто: если после чтения руководства пользователя непонятно, требуется ли заземление или предполагается, перейдите к визуальному осмотру. Обычно на таких сетевых фильтрах есть лампочка Protect или значок "заземление", плюс такие фильтры стоят больше 20 долларов.

    Если у Вас все розетки заземлены, но выбивает УЗО или дифавтомат, обратите внимание на Ваши сетевые фильтры. Сетевые фильтры безусловно полезная вещь, но не все фильтры можно включать последовательно (один в другой), и дело тут отнюдь не в суммарной нагрузке, а в явлениях резонанса и повышении токов на земле!

    Если у Вас нет заземления и  Вы уже купили  сетевой фильтр с вариостатной защитой на землю (и прошло 14 дней со дня покупки), не пытайтесь вернуть этот фильтр в магазин. Не пытайтесь модернизировать схему, методом отрезания провода с заземлением, отложите такой фильтр "до лучших времен".

    (Можно, конечно, вырезать из него все потраха и соединить, напрямую, но жалко.)

      Комментарии:

    #6 написал: elalex | [цитировать]

     
     

    1.Вообще-то, как ни странно, одиночные импульсы тоже раскладываются в ряды Фурье. Например, импульс молнии - постоянный ток, но при разложении видно, что это высокочастотные колебания. И действительно, электромагнитный импульс от такого постоянного тока распространяется на  километры от места удара молнии и палит эфирные телевизионные усилители, а 10м обыкновенного провода (вроде бы ерундовская индуктивность) представляют существенное сопротивление для тока молнии.
    2. Для лучшего понимания проблемы нужно  сказать, что импульсные  перенапряжения могут идти как по фазному, так и по нулевому проводникам, поэтому по правилам полагается ставить защиту (ограничители) на оба провода. Понятней всего это видно, когда делается защита на всю квартиру с применением заземления (не зануления!), хорошо объяснено в каталоге IEK. Должно быть настоящее заземление (если нет TN-S, беру от арматуры железобетонных зданий)!
    3. Можно упомянуть, что есть классификация фильтров (ограничителей импульсных перенапряжений) по мощности помехи и напряжению, конечные переносные фильтры самые слабые, но ограничивают помехи до минимальных напряжений.
    4. По последовательному соединению фильтров выбивание УЗО наверно лучше объяснить не резонансом, а увеличением утечек на землю через конденсаторы фильтров - чем фильтров больше, тем утечек больше.
    5.Кстати, на входе мощной стиральной машины тоже стоит собственный фильтр из конденсаторов для защиты собственной электроники. Думаю, что собственные фильтры имеют и современные варочные поверхности и духовки с электроникой. Может, уже и какие-то грамотные чайники и утюги тоже имеют. Так что не стоит расслабляться, нужно сравнивать стоимость домашних приборов и защиты от помех.

      Комментарии:

    #7 написал: Дмитрий | [цитировать]

     
     

    У меня сетевой фильтр выполняет функцию автомата. Жена любит включить одновременно телевизор, сушилку, обогреватель, утюг и еще пару-тройку мощных потребителей :-)

      Комментарии:

    #8 написал: Александр | [цитировать]

     
     

    Да, без заземления никак нельзя - опасно не только для техники, но и жизни...

      Комментарии:

    #9 написал: Александр | [цитировать]

     
     

    По поводу мощных одиночных импульсов:
    Они появляются не только от молнии, но и от коммутации и мощного оборудования, и не очень мощного. Одиночные нано- и пикосекундные импульсы почти невозможно засечь, разве что, если повезет, запоминающим осциллографом.
    Защита от них сложная и дорогая - высоковольтные проходные конденсаторы малой емкости и тороидальные индуктивности на низкопроницаемом феррите с очень разреженной обмоткой - для уменьшения межвитковой емкости. Все это - в специальной секционной конструкции, с посеребренной внутренней поверхностью.
    Реально работает, предохраняя вычислительную технику от зависания.
    P.S. Самый простой способ засорить свою силовую сеть и насолить соседям - использовать регуляторы освещения :)

      Комментарии:

    #10 написал: Vladislav | [цитировать]

     
     

    Побольше нового с раздела электротехники т.е ноу-хау.

      Комментарии:

    #11 написал: Максим | [цитировать]

     
     

    Андрей,
    Можете посоветовать сетевой фильтр, который можно использовать в розетке без заземления?

      Комментарии:

    #12 написал: капченый | [цитировать]

     
     

    У меня 3 разъема в фильтре: 1 прямое подключение, 2 батарейная защита вот они перестали работать, в чем проблема?

      Комментарии:

    #13 написал: Игорь | [цитировать]

     
     

    Судя по всему у Вас не фильтр, а бесперебойник. А в бесперебойниках со временем выходят из строя аккумуляторы, скорее всего это и есть причина отказа батарейной защиты, но может быть и просто поломка (маловероятно).

    Добавление комментария
    Имя:*
    E-Mail:
    Комментарий:
    Введите код: *

    Электрика дома  | Электрообзоры  | Энергосбережение
    Секреты электрика | Источники света | Делимся опытом
    Домашняя автоматика | Электрика для начинающих
    Электромастерская | Электротехнические новинки

    Электрик Инфо - электротехника и электроника, домашняя автоматизация, статьи про устройство и ремонт домашней электропроводки, розетки и выключатели, провода и кабели, источники света, обзоры электротехнических новинок, интересные факты и многое другое для электриков и домашних мастеров.
    Copyright © 2008-2016 electrik.info
    Е-mail: electroby@mail.ru Сайт в Google+
    Вся информация на сайте Электрик Инфо предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет. Сайт может содержать материалы 12+
    Перепечатка материалов сайта запрещена.

    Полезное

    Светодиодные лампы и светильники IEK