Как защиить домашнюю радиоаппаратуру от помех

Фильтры серии EMC

Фильтры этой серии (рисунок 10) — компактные и эффективные двухступенчатые силовые фильтры радиочастотного диапазона. Обладают рядом преимуществ: высоким коэффициентом ослабления синфазных помех в области низких частот, высоким коэффициентом ослабления противофазных помех, компактными размерами. Серия EMC ориентирована на применение в устройствах с импульсными источниками питания.

Рис. 10. Внешний вид фильтров серии EMC

Основные технические характеристики приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные электрические параметры сетевых фильтров серии EMC

Номинальные токи фильтра, А	Максимальный ток утечки, мА	Рабочий диапазон частот, МГц	Электрическая прочность изоляции (в течение 1 минуты), В	Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А
~120 В 60 Гц для токов 3; 6; 10 А (15; 20 А)	~250 В 50 Гц для токов 3; 6; 10 А (15; 20 А)	«проводник-корпус»	«проводник-проводник»
3; 6; 10	0,21	0,43	0,1…30	2250	1450	~250	3…30
15; 20; 30	0,73	1,52

Электрическая схема фильтра серии EMC приведена на рисунке 11.

Рис. 11. Электрическая схема двухступенчатых фильтров серии EMC

Ослабление сигнала помехи в дБ при нагрузке линии на согласующий резистор сопротивлением 50 Ом приведено на рисунке 12.

Рис. 12. Ослабление сигнала помехи фильтрами серии EMC

Способы защиты

Возникновение помех в электрической сети может произойти в любой момент, что приведет за собой неприятные моменты и потери. Например, если работаешь за компьютером, то важные текстовые данные могут исчезнуть. Чтобы этого избежать, необходима защита от подобных явлений.

Отличным решением в этом случае будет защита с помощью источника бесперебойного питания (ИБП). После того как электросеть отключилась, батарея остается работоспособной не менее десяти минут. Этого будет вполне достаточно, чтобы сохранить все важные документы и программы. Также такой источник питания служит защитой от перепадов напряжения.

Защита от помех в сети может осуществляться и более дешевым способом: применение сетевых фильтров. Такое устройство сможет спасти приборы, которые подключены в электросеть, от отключений питания и помех. Защита такими способами позволит уберечь приборы и помеха в сети им будет неопасна.

Методы измерения

Измерение шумов в сети осуществляется специальными приборами. Но если таких приборов нет, то следует применять дополнительные конкретные меры.

Как правило, прибор, которым необходимо измерить помехи в электросети, будет питаться от того же источника, измерение которого необходимо произвести. Если неправильно подключить провода, то возникнут погрешности при снятии показаний. На рисунке ниже изображена схема подключения прибора, с помощью которого будет осуществляться измерение:

Чтобы измерить помехи используют и осциллограф. При наличии запоминающей трубки, прибор способен будет сделать измерение. О том, как пользоваться осциллографом мы рассказывали в отдельной публикации.

Теперь вы знаете, из-за чего возникают помехи в электросети и как защититься от них. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!

Что такое помехи?

В розетке присутствует, как известно, напряжение переменное. Напряжение это имеет синусоидальную форму, если взглянуть на него с помощью осциллографа мы увидим такую картинку.

На рисунке выше вы видите напряжения с помехами и без. В идеальном случае напряжение должно быть, таким как на правой диаграмме.

Импульсные блоки питания применяются практически во всей современно технике: LED лампы, зарядные устройства, компьютерные БП, и т.д. Именно они дают помехи в сеть и чтобы от них избавится на вход по высокому напряжению устанавливают электромагнитный фильтр помех, состоящий из:

• Варисторов;
• электромагнитного дросселя;
• конденсаторов.

Фильтр нужен как для защиты вашего устройства, так и для того, чтобы в процессе его работы помехи не возвращались в сеть. Помехи могут возникать не только от импульсных источников питания, но и при работе коллекторных двигателей, от искрения их щёток и процессов коммутации обмоток якоря.

Способы защиты

К сожалению, мы не можем управлять качеством электросети, но защитить бытовую технику вполне реально. В зависимости от того к каким искажениям чувствителен конкретный электрический прибор, выбирают соответствующий способ защиты. Снизить уровни помех помогают различные внешние устройства, встроенные электрические схемы, а также экранирование элементов конструкций и заземления.

Пример подавления помех показан на рисунке 3.

Рис. 3. График, иллюстрирующий фильтрацию тока

Эффективными являются следующие внешние устройства:

• стабилизаторы напряжения;
• ИПБ;
• преобразователи частоты;
• регулируемые трансформаторы;
• сетевые фильтры и фильтрующие каскады (принципиальная схема простого фильтра изображена на рисунке 4).

Схема сетевого фильтра

Особую трудность вызывает подавление высокочастотных импульсных искажений в диапазоне нескольких десятков МГц. Часто для этих целей используют защиту, применяемую непосредственно к источнику помехи.

Высоким уровнем защиты компьютеров и другой чувствительной электроники обладают бесперебойники. На рисунке 5 показано фото источника бесперебойного питания для защиты компьютера.

Рисунок 5. ИБП

В этих устройствах реализовано несколько защитных функций, но главная из них – снабжение питанием приборов в течение нескольких минут, с последующим корректным их отключением. С целью достижения максимального уровня защиты логично отдать предпочтение бесперебойному блоку питания.

Стабилизаторы напряжения

Если подаваемое напряжение в сети не соответствует заданным нормам, стабилизатор нормализует его. К тому же стабилизатор повторяет функции хорошего сетевого фильтра: защита от короткого замыкания, от перенапряжения и высоковольтных импульсов, а также фильтрация помех. Маломощные стабилизаторы можно устанавливать для отдельного электроприбора, например, для холодильника, так как этот прибор наиболее болезненно реагирует на скачки напряжения. Супермощные стабилизаторы устанавливаются для всей сети, такие модели наиболее полезны для загородных домов или в районах, где с напряжением постоянные проблемы.

В сетях 220 Вольт используются однофазные стабилизаторы, в сетях 380 Вольт — три однофазных либо один трехфазный. Хороший стабилизатор хоть и стоит в разы дороже сетевого фильтра, однако он реально защищает технику от серьезных перепадов напряжения и обеспечивает стабильную работу.

Сетевые фильтры

Так называемый сетевой фильтр — это зачастую просто разветвитель/удлиннитель, защитные функции у которого либо фактически отсутствуют, либо являются минимальными и способны защитить только от перегрузки или короткого замыкания.

Однако среди «обманок» прячутся и настоящие сетевые фильтры, которые с помощью LC-контура фильтруют высокочастотные помехи в сети. Стоимость таких устройств, естественно, выше, но для некоторых видов техники наличие полноценной фильтрации необходимо. У приборов с LC-контуром есть характеристика «Подавление электромагнитных / радиочастотных шумов»

Если вам нужен такой вариант, обращайте на нее внимание

Чем опасны перепады напряжения

Перепад напряжения может быть вызван одновременным отключением нескольких мощных устройств, аварией на электросетях, нестабильной работой подстанции из-за перегрузки, эксплуатацией сварочного аппарата, низким качеством материалов электропроводки или ее монтажа. Нередко к существенному скачку напряжения приводит и удар молнии по линии электропередач.

Большинство перепадов незначительны и остаются незамеченными нами, но не техникой. Любой скачок, из-за которого напряжение в сети становится выше 250 Вольт, снижает срок службы подключенных устройств или дестабилизирует их работу. Даже несущественные отклонения на 5-10 %, происходящие регулярно, приводят к сбоям в управляющих блоках, сбросу настроек, возникновению помех. Перепады на 10-25 % сокращают срок службы приборов почти вдвое. А скачки напряжения до 300 Вольт выводят из строя блоки питания, управляющие и сенсорные панели, электродвигатели, сетевое оборудование.

В большинстве многоквартирных домов качество электропроводки оставляет желать лучшего, они не выдерживают нагрузки, ведь в каждой квартире одновременно работают десятки приборов. Безусловно, лучше поменять в квартире проводку, чтобы минимизировать вероятность перепадов и не довести до пожара. Но даже если нет такой возможности, обезопасить себя и родных можно.

Что собой представляет провал напряжения?

В соответствии с европейским стандартом EN 50160 провалом напряжения считается внезапное понижение эффективных значений напряжения до значения от 90 % до 1 % заданного, после чего следует непосредственное восстановление напряжения (рис. 1). Длительность провала напряжения составляет от половины периода (10 мс) до 1 мин.

Рис. 1. Пример провала напряжения

Если эффективное значение напряжения не опускается ниже 90% заданного значения, это рассматривается как нормальное рабочее состояние. Если напряжение падает ниже 1% заданного значения, это считается прерыванием.

Таким образом, провал напряжения не следует путать с прерыванием. Прерывание возникает, например, после срабатывания предохранителя (тип. 300 мс). Пропадание напряжения в сети распространяется в форме провала напряжения по остальной распределительной электросети.

Рис. 2. Разница между провалом, прерыванием и пониженным напряжением

На рис. 2 уточняется разница между провалом, коротким прерыванием и пониженным напряжением.

Основные причины возникновения скачков напряжения в сети

Важность защиты электрической сети и приборов в электрической сети от воздействия больших скачков напряжения трудно переоценить. Защита от скачков напряжения в электрической сети может строиться на применении специальных устройств для защиты от скачков напряжения, сетевых фильтров

Для защиты сети и потребителей от скачков могут использоваться и стабилизаторы напряжения со встроенной защитой от скачков напряжения.

Есть много причин различного характера, вызывающие отклонения напряжения от нормы в сети частного дома или квартиры. Рассмотрим наиболее распространенные случаи:

1. Увеличение или уменьшение тока нагрузки в системе электроснабжения. Причина кроется в одновременном подключении к сети мощных электроприборов (электрические печи, бойлеры, масляные обогреватели и т.д.). Наибольший пик нагрузки приходится на вечерние часы, особенно в холодное время года, следствием этого является понижение напряжения.
2. Перегрузка трансформаторной подстанции может стать причиной нестабильной работы ее оборудования. Проблема заключается в том, что большинство узлов энергосистем проектировались и строились более 30-40 лет назад, соответственно, они были рассчитаны на более низкую нагрузку. Для исправления ситуации необходима модернизация оборудования проблемных узлов, а это требует серьезных финансовых вложений.
3. Причинами кратковременных скачков напряжения также могут быть аварии на ЛЭП или кабельных магистралях. Это может быть связано как с общим состоянием линий, так и неблагоприятными погодными условиями.
4. Резкий скачок напряжения происходит при обрыве нуля или плохом электрическом контакте нулевого проводника. В первом случае произойдет повышение напряжения вплоть до 380 Вольт, во втором, будут наблюдаться кратковременные скачки с 220 до 380 В.
5. Проблемы с внутридомовой разводкой электросети. Причины могут быть связаны с использованием при некачественных материалов, неправильно выполненным монтажом или «старой» проводкой. В результате происходят скачки и колебания напряжения, сопровождаемые сильными импульсными помехами.
6. Бросок напряжения возникает в тех случаях, когда на смежной линии системы электроснабжения подключен мощный потребитель, например промышленный объект. Известно, что в момент включения электродвигателей образуются сильные пусковые токи, это приводит к тому, что начинает «прыгать» напряжение. Причем установка специальных сетевых фильтров на таком объекте только частично исправляет ситуацию. Заметим, что совсем необязательно жить рядом с промышленным объектом, чтобы ощутить все эти прелести, подобный эффект может давать небольшая мастерская, торговый центр или любое общественное здание оборудованное мощной вентиляционной системой.
7. К возникновению импульсных перенапряжений может привести попадание молнии в ВЛ. Напряжение импульса может измеряться в киловольтах.

   Попадание молнии в ЛЭП вызывает сильное перенапряжение сети

Это гарантировано выведет из строя включенные в розетки электрические приборы, несмотря на краткосрочность импульса (порядка нескольких миллисекунд) броска. Большинство устройств, обеспечивающих защиту, просто не успеют сработать.

1. Возникают скачки и по техногенным причинам, одна из них – обрыв сетевого провода трамвайной или троллейбусной контактной сети с последующим попаданием на ВЛ. Это приведет к тому, что превышение нормального напряжения в сети составит порядка нескольких сотен вольт. На практике встречались случаи, когда в результате такой аварии выгорали (в буквальном смысле) электроприборы в ближайшем доме.
2. Возникают скачки также при работе сварочного оборудования. Такая проблема более характерна для сельской местности, поскольку в хозяйстве часто возникает потребность для ремонта с применением сварки, например, подварить петли на воротах. Нередко некоторые умельцы с целью сэкономить подключают сварочное оборудование на вход, минуя счетчик и устройства защиты. В результате при образовании дуги происходят скачки и броски электрического тока в линии, от которой также запитаны дома соседей.

Мы назвали далеко не все причины, по которым образуются скачки входного напряжения, но приведенных примеров вполне достаточно, чтобы подвести итоги. Перепады и скачки могут быть вызваны:

• Резким изменением нагрузки.
• Авариями, вызванными воздействием стихии или имеющие техногенную природу.
• Износом оборудования.
• Отсутствием резерва мощности.

В первых двух случаях доказать вину компании, предоставляющей услуги, будет проблематично, в последних двух можно рассчитывать на получение компенсации.

Причины возникновения и опасность скачков напряжения

В момент перепада напряжения в электрических сетях его амплитуда изменяется на короткий промежуток времени. После этого она быстро восстанавливается с параметрами, приближенными к начальному уровню. Подобный импульс электрическим током продолжается буквально в течение нескольких миллисекунд, а его возникновение обусловлено следующими причинами:

• Грозовые разряды. Вызывают скачки напряжения до нескольких киловольт, которые не сможет выдержать ни один прибор. Подобные перепады нередко становятся причиной отключения сети и пожара.
• Перенапряжение, вызываемое процессами коммутации, когда подключаются или отключаются потребители с высокой мощностью.
• Явление электростатической индукции при подключении электросварки, коллекторного электродвигателя и другого аналогичного оборудования.

Опасность последствий от перенапряжений наглядно отражается на рисунке, где грозовой и коммутационный импульсы существенно отличаются от номинального сетевого напряжения. Изоляционный слой в большинстве проводов рассчитан на значительные перепады и пробоев обычно не случается. Часто импульс действует очень недолго и напряжение, проходя через блок питания и стабилизатор, просто не успевает подняться до критического уровня.

Иногда слой изоляции сети 220 В может не выдержать возрастающего напряжения. В результате случается пробой, сопровождающийся появлением электрической дуги. Для потока электронов образуется свободный путь в виде микротрещин, а проводником служат газы, наполняющие микроскопические пустоты. Этот процесс сопровождается выделением большого количества тепла, под действием которого токопроводящий канал расширяется еще больше. Из-за постепенного нарастания тока, срабатывание защитной автоматики немного запаздывает, и этих нескольких мгновений вполне хватает, чтобы вывести из строя в частном доме всю электропроводку.

Особую опасность представляют повышенное и пониженное напряжение, находящееся в таком состоянии долгое время. В основном это происходит по причине аварийных ситуаций, которые требуется устранить, чтобы ток пришел в норму. Других способов нормализации и каких-либо специальных приборов, защищающих от этого явления, не существует.

Разработка печатной платы

При разработке печатной платы необходимо учитывать как устойчивость устройства к проведенным или излученным электромагнитным помехам, так и работу аналоговой части устройства. К счастью, разработано много приемов конструирования печатных плат, эффективных с точки зрения аналоговой и аналого-цифровой производительности системы, а также способствующих улучшению помехоустойчивости устройства. Основная идея заключается в изоляции тех частей устройства, которые наиболее чувствительны к шумам и электромагнитным помехам. Так как все этапы преобразования сигнала и его цифровая обработка происходят в ИС AD7755, то надежность работы устройства определяется в первую очередь тем, как защищена микросхема AD7755.

Для того чтобы обеспечить точность в широком динамическом диапазоне, та часть платы, которая ответственна за обработку сигналов, должна находиться в условиях минимального электрического шума. Шум приводит к росту погрешности в процессе аналогово-цифрового преобразования, выполняемого ИС AD7755. Обычным источником шума в любом устройстве со смешанными сигналами является шум шины «земли», идущей к источнику питания. Здесь высокочастотный шум (возникающий из-за того, что цифровые сигналы имеют высокую скорость нарастания) может влиять на аналоговую часть устройства, так как шины «земли» аналоговой и цифровой частей имеют общий участок, идущий к источнику питания. Рис. 16 поясняет этот принцип.

Общепринятый метод преодоления такого рода неприятностей заключается в использовании отдельных цепей заземления, идущих к источнику питания, для аналоговой и цифровой частей схемы. Кроме того, необходимо приложить все усилия для того, чтобы импеданс этих цепей был по возможности низким. При разработке печатной платы для ИС AD7755 были предусмотрены отдельные заземляющие поверхности для того, чтобы изолировать друг от друга цепи заземления, идущие к источнику питания. Использование заземляющих поверхностей также гарантирует, что будет обеспечен очень низкий импеданс заземления.

Микросхема AD7755 и чувствительные к помехам сигнальные пути расположены в «тихой» части платы, которая изолирована от шумных компонентов устройства, таких, как источник питания, мигающий светодиод и т. д. Так как в устройстве используется источник питания с гасящим конденсатором, значительный ток (приблизительно 32 мА при напряжении сети 220 В) будет возвращаться по заземлению в фазный провод (точку заземления устройства). Эта проблема проиллюстрирована на рис. 17. При размещении источника питания на цифровой части печатной платы обеспечивается удаленность пути этого обратного тока от ИС AD7755 и аналоговых входных сигналов. Этот ток имеет ту же частоту, что и измеряемые сигналы и может отрицательно повлиять на точность прибора (в результате влияния помех от источника питания на аналоговые входы), если не будут приняты должные меры при разводке печатной платы. Кроме того, частично схема делителя для канала V2 (канала напряжения) находится на цифровой части платы. Это помогает избежать возможного влияния на канал V1 за счет того, что обеспечивается насколько возможно малая амплитуда аналогового сигнала на аналоговой («тихой») части платы. Напоминаем, что при сопротивлении шунта 350 мкОм диапазон напряжения на входе канала V1 изменяется в пределах от 35 мкВ до 14 мВ (от 2 до 800%·Ib). На рис. 17 показан предварительный эскиз размещения компонентов на печатной плате счетчика электроэнергии.

Разделение поверхностей на печатной плате, как показано на рис. 17, также позволяет нам применить метод «крепостного рва» с целью повысить устойчивость системы к электромагнитным помехам. Цифровая часть печатной платы — это место, куда подключаются линии фазы и нейтрали. Эта часть платы содержит схему подавления импульсных помех (варистор, ферритовый дроссель и т. д.) и схему источника питания. Поверхности «земли» соединены посредством ферритовой бусины, которая способствует изоляции аналоговой «земли» от высокочастотных помех.

Импульсный шум

Импульсы, составляющие импульсные помехи, имеют произвольную длительность и амплитуду, а также следуют один за одним через случайные временные промежутки.

Отличие импульсного шума от непрерывного заключается в следующем: в нем длительность импульсов гораздо меньше, чем промежутки между ними. Потому каждый новый импульс при появлении рассматривается в качестве независимого события.

При прохождении такого шума через полосовую цепь происходит размытие импульсов, то есть их расширение и слияние в непрерывный шум.

Основная трудность в локализации импульсных помех объясняется их непостоянством во времени. И не каждое диагностическое оборудование может оказаться полезным, ведь оно может использовать для анализа лишь часть спектра, а также иметь порог статических помех, при превышении которого событие будет фиксироваться как импульсная помеха. В данном случае как импульсные шумы будут приниматься радиопомехи и иные стационарные шумы, «перевалившие» за этот порог.

Источники помех

Искажать синусоиду переменного тока способны как природные явления, так и различные техногенное оборудование. В результате их действия происходят:

• кратковременные провалы напряжения;
• отклонения от номинальных частотных параметров;
• изменения гармоники электричества;
• колебания амплитуды тока;
• ВЧ шумы;
• импульсные всплески;
• синфазные помехи.

Остановимся вкратце на основных источниках, вызывающих перечисленные отклонения.

Провалы напряжения.

Данное явление является следствием работы коммутационных устройств в энергосистемах. Это случается при возникновении КЗ на линиях, в результате запусков мощных электромоторов и в других случаях, связанных с изменениями мощности нагрузки. Наличие таких кратковременных помех является неизбежностью при срабатывании защитной автоматики, и они не могут быть устранены поставщиком электроэнергии.

Изменения частотных характеристик.

Отклонение от заданной частоты происходит в результате значительного изменения тока нагрузки. В случае если уровень потребляемой энергии превосходит мощность генерируемых установок, происходит замедление вращения генератора, что ведёт к падению частоты. При заниженной нагрузке возрастает частота генерации.

Автоматика регулирует распределение мощностей, вплоть до отключения нагрузок, однако частотные помехи в сети всё-таки присутствуют.

Гармоники.

Источником данного вида искажений является наличие в сетях оборудования с нелинейной вольтамперной характеристикой:

• преобразовательные и выпрямительные подстанции;
• дуговые печи;
• трансформаторы;
• сварочные аппараты;
• телевизоры;
• циклоконвертеры и многие другие.

Причиной гармонических искажений могут быть электродвигатели, особенно если они установлены в конце длинной линии.

Отклонение напряжения

Изменения стабильности потенциала происходит в результате периодических скачков потребляемого максимального тока. Источником изменения нагрузок являются устройства, регулирующие напряжение, например, трансформаторы с РПН.

График, иллюстрирующий кратковременное перенапряжение показан на рисунке 2 (Фрагмент А – изображает импульсный всплеск).

Рис. 2. Перенапряжение в сети

ВЧ помехи.

Создаются влиянием устройств работающих, в высокочастотном диапазоне. ВЧ помехи, вызванные действием приборов, генерирующих сигналы с высоким диапазоном частот, распространяются эфирно или через линии сети.

Импульсы напряжения.

Несимметрия трехфазной системы.

Причиной таких помех часто являются мощные однофазные нагрузки как бытовые, так и промышленные. Они вызывают сдвиги углов между фазами и амплитудные несоответствия. Путём отключения питания мощных токопотребляющих устройств можно устранить проблему.

Заключение

Напряжение и ток, хоть они и связаны между собой, определяются разными компонентами системы электропитания: напряжение – источником, а ток – потребителем электрической энергии. Эти параметры ни в коем случае нельзя путать. По отдельности ни напряжение, ни ток не выполняют никакой полезной функции. Согласно формуле (1), даже если у нас будет миллиард миллиардов вольт, но ток будет равен нулю, толку от такой системы не будет никакого, потому что энергия потребляется электроприбором только в случае одновременного присутствия на его выводах питания и напряжения, и тока. Только в этом случае оборудованием будет выполняться полезная работа, и его использование будет иметь практический смысл.

А вот конкретные значения напряжения и тока уже определяются здравым смыслом и опытом, накопленным за два века коммерческого использования электричества. И хоть в наших розетках и присутствует опасное для жизни напряжение, его величина является технически и экономически обоснованной и ее изменение повлечет за собой изменение качества нашей жизни. Поэтому с высоким напряжением придется смириться. Но самое главное – с ним нужно научиться правильно «дружить», поскольку безопасным электричество будет только при обязательном соблюдении всех правил обращения с электропроводкой и электрическими приборами.