Силовая электроника №4'2007

Модули фильтрации радиопомех и защиты от перенапряжений для питающих цепей постоянного и переменного тока

Игорь Твердов
Анатолий Миронов
Сергей Затулов

За три последних десятилетия импульсные высокочастотные источники вторичного электропитания (ИВЭП) благодаря высоким энергетическим и массо-габаритным характеристикам практически вытеснили традиционные. Но одновременно электронная аппаратура получила в своем составе новый мощный генератор радиопомех, который заметно ухудшил электромагнитную обстановку. Чтобы уменьшить помехи во входных и выходных цепях импульсных ИВЭП, используются встроенные и внешние фильтры радиопомех (ФРП). ООО «Александер Электрик источники электропитания» (АЭИЭП) разработало несколько серий малогабаритных модулей фильтрации радиопомех, позволяющих снизить уровни помех до значений, соответствующих государственным стандартам.

Для компаний, выпускающих универсальные модули питания, экономически невыгодно встраивать ФРП с большим коэффициентом подавления, так как требования потребителей к уровню радиопомех различны. Если для нормальной работы электронной аппаратуры недостаточно подавления радиопомех за счет встроенных фильтров, используются внешние ФРП.

Со времени первых публикаций о модулях фильтрации радиопомех предприятия АЭИЭП [1, 2] прошло почти четыре года. В настоящее время модули фильтрации с малыми габаритами и высоким коэффициентом подавления помех применяют около двухсот предприятий России, выпускающих военную и промышленную аппаратуру. По сравнению с 2004 годом спрос на модули фильтрации радиопомех увеличился более чем в 10 раз [3].

Все это время специалисты АЭИЭП продолжали совершенствовать модули фильтрации радиопомех за счет использования новых технических решений, современных материалов и элементной базы. Работы выполнялись совместно с сотрудниками испытательной лаборатории технических средств по параметрам электромагнитной совместимости (ИЛ ТС ЭМС), основанной в 1946 г. С. А. Лютовым, одной из первых в России.

Прежде всего была выполнена оптимизация модулей фильтрации, предназначенных для совместной работы с высокочастотными импульсными модулями питания АЭИЭП. Для этой цели были измерены напряжения радиопомех модулей питания всех выпускаемых серий [4].

На рис. 1 приведены графики напряжения радиопомех на входе низкопрофильных модулей питания класса DC/DC серии «Мираж» — МДМ7,5 (кривая 4) и МДМ30 (кривая 5), а на рис. 2 — графики для модулей питания класса AC/DC KN50A (кривая 4) и KR100A (кривая 5). Напряжения помех измерялись по методике согласно ГОСТ 30429-96 в экранированной камере. Кроме того, на рис. 1–2 показаны нормы напряжения радиопомех по ГОСТ 30429-96 (ГОСТ В 25803-91) в диапазоне частот 150 кГц – 30 МГц (графики 1–3). Из сравнения результатов измерений помех исследуемых модулей с нормами ГОСТ 30429-96 следует, что уровни радиопомех значительно выше всех норм в начале нормируемого участка в диапазоне частот 1,5–5 МГц, и превышают значения графика 2 на 5–15 дБ, и только после 5 МГц приближаются или ниже значений этого графика (нормы напряжения радиопомех графика 2 распространяются на большую часть оборудования стационарных объектов с радиоэлектронной аппаратурой). Таким образом, модули питания могут оказывать существенное воздействие на средства радиосвязи в диапазоне от длинных до ультракоротких волн. Чтобы обеспечить высокие требования ГОСТов по радиопомехам, АЭИЭП выпускает модули фильтрации в широком диапазоне напряжений и токов. Кроме фильтров радиопомех модули снабжены варисторами для ограничения импульсных выбросов напряжения. Известно, что импульсы с амплитудой до 1000 В и длительностью до 10 мкс встречаются в сетях переменного тока и с амплитудой до 150 В — в бортсетях постоянного тока и часто выводят электронную аппаратуру из строя.

График напряжения радиопомех
График напряжения радиопомех

Унифицированный ряд фильтров для питающих цепей постоянного тока представлен модулями на токи от 2,5 до 20 А (Таблица 1, 2), а для питающих цепей переменного тока — модулями на токи от 1 до 15 А (Таблица 3, 4).

Таблица 1
Таблица 2
Таблица 3
Таблица 4

Далее приводятся технические характеристики для модулей фильтрации питающих цепей постоянного тока. Данные приводятся для НКУ, Uвх.ном, Iпрох.ном (если не указано иначе).

Входные характеристики:

  • диапазон входного напряжения / переходное отклонение (1 с):
    • 27 В: 10,5…36 В / 10,5…40 В;
    • 60 В: 17…72 В / 17…84 В.

Выходные характеристики:

  • коэффициент ослабления радиопомех в диапазоне частот:
    • от 0,15 до 0,3 МГц ≥ 30 дБ;
    • от 0,3 до 1 МГц ≥ 40 дБ;
    • от 1,0 до 10 МГц ≥ 60 дБ;
    • от 10 до 30 МГц ≥ 55 дБ.
  • падение напряжения на модуле: ≤ 2% Uвх.ном.

Максимальное напряжение на выходе модуля при импульсе на входе:

Общие характеристики:

  • Температура окружающей среды (рабочая и хранения): –60…+70 °С.
  • Температура корпуса (рабочая): –60…+85 °С.
  • Повышенная влажность: 98% @ 35 °С.
  • Прочность изоляции:
    • напряжение (амплитудное значение): +вх/корп, –вх/корп, +вых/корп, –вых/корп:
    • ~115 В (400 Гц): 80,5…138 В / 80,5…150 В:
    • сопротивление @ 500 В пост. тока: 20 МОм.
  • Наработка на отказ:
    • > 6,4 млн час. @ +25 °С;
    • > 100 тыс. час. @ +85 °С.
  • Охлаждение: естественная конвекция или радиатор.
  • Материал корпуса: металл.

Ниже приводятся технические характеристики для модулей фильтрации питающих цепей переменного тока. Данные приводятся для НКУ, Uвх.ном, Iпрох.ном (если не указано иначе).

Входные характеристики:

  • диапазон входного напряжения / переходное отклонение (1 с):
    • ~115 В (400 Гц): 80,5…138 В / 80,5…150 В;
    • ~220 В (50 Гц): 187…242 В / 176…264 В.

Выходные характеристики:

  • коэффициент ослабления радиопомех в диапазоне частот:
    • от 0,15 до 0,3 МГц ≥ 25 дБ;
    • от 0,3 до 1 МГц ≥ 35 дБ;
    • от 1,0 до 10 МГц ≥ 55 дБ;
    • от 10 до 30 МГц ≥ 30 дБ.
  • падение напряжения на модуле: ≤ 1% Uвх.ном.

Максимальное напряжение на выходе модуля при импульсе на входе:

Общие характеристики:

  • Температура окружающей среды (рабочая и хранения): –60…+70 °С.
  • Температура корпуса (рабочая): –60…+85 °С.
  • Повышенная влажность: 98% @ 35 °С.
  • Прочность изоляции:
    • напряжение (действующее значение):
    • вх1/корп, вх2/корп, вых1/корп, вых2/корп: ~ 1500 В.
    • сопротивление @ 500 В пост. тока: 20 МОм.
  • Наработка на отказ:
    • > 9,6 млн час. @ +25 °С;
    • > 150 тыс. час. @ +85 °С.
  • Охлаждение: естественная конвекция или радиатор.
  • Материал корпуса: металл.

Конструкция модулей представляет собой тонкостенный алюминиевый корпус, внутри которого размещена печатная плата с элементами поверхностного и объемного монтажа, защищенная компаундом с теплопроводящим наполнителем. В аппаратуре модули можно устанавливать на радиатор охлаждения или на печатную плату. Для различных вариантов установки предусматриваются два типа корпусов модулей — с фланцами и без фланцев, в которых для крепления используются резьбовые втулки или отверстия во фланцах.

С 2006 года корпусы модулей изготавливаются с покрытием, обеспечивающим пайку низкотемпературными припоями, что позволяет разработчикам электронной аппаратуры соединять корпус с конденсаторами фильтров радиопомех, увеличивая их эффективность, на частотах свыше 5 мГц на 10–15 дБ. На модули также устанавливаются опаиваемые донышки, которые обеспечивают механическую защиту элементов и являются экраном от излучаемых радиопомех. С целью увеличения прочности изменена технология изготовления модулей: давление и фрезерование корпусов заменено на литье.

Для модулей фильтрации радиопомех в питающих цепях постоянного тока был использован индуктивно-емкостной Т-образный фильтр. Чтобы обеспечить эффективное подавление помехи в начале нормируемого участка диапазона частот, в дросселях фильтров были выбраны индуктивности от 0,7 до 1 МГн. Две катушки индуктивности на общем ферритовом сердечнике включены так, чтобы несимметричные токи в обоих проводах протекали в одном направлении от начала до конца обмоток. Малые габариты дросселей получены за счет использования ферритовых сердечников с высоким μ.

При разработке фильтров было установлено, что несимметричное входное и выходное сопротивления модулей питания имеют высокое значение, и фильтры должны начинаться с емкости. Установка конденсаторов с целью трансформации внутреннего высокочастотного сопротивления на входе и выходе модуля питания показана на рис. 3.

Рекомендованная схема трансформации внутреннего высокочастотного сопротивления модуля

Конденсаторы С1, С3, С4, С6 использованы для коррекции сопротивления несимметричной помехи, С2, С5 — симметричной. Значения емкости этих конденсаторов приведены в ТУ на модули.

В процессе эксплуатации некоторые потребители указали на неудобство применения модулей фильтрации с внешними элементами, требующими дополнительного «драгоценного» места. В 2007 году разработаны модули с открытым выходом на основе Г-образного LC-фильтра, лишенные этого недостатка, т. к. все элементы, необходимые для обеспечения заданных параметров фильтрации, размещены внутри корпуса.

При разработке модулей фильтрации радиопомех в питающих цепях переменного тока основные трудности были связаны с обеспечением требований безопасности, которые ограничивают допустимый ток емкостной утечки в соответствии с ГОСТ РВ 20.57.310-98 до значений не выше 6 мА. В свою очередь, это ограничение препятствует увеличению емкости конденсаторов, которые устанавливаются в ФРП между проводами и корпусом и шунтируют радиопомехи.

ФРП для питающих цепей переменного тока состоят из двух Г-образных LC-звеньев, в которых одно звено подавляет помехи по симметричному пути, другое — по несимметричному. Фильтр по такой схеме длительное время используется в технике специальной связи (более 20 лет) для подавления помех в сетях переменного тока, а также при заданном коэффициенте подавления радиопомех обеспечивает минимальные токи утечки на корпусе [2].

Модули были проверены в испытательной лаборатории технических средств по параметрам электромагнитной совместимости. Испытания проведены методом отношения напряжения, изложенным в ГОСТ 13661-92. Результаты измерений вносимого затухания К дБ в диапазоне частот 0,1–30 МГц для модулей фильтрации питающих цепей постоянного тока приведены на рис. 4: кривая 1 — для модулей МРМ1 и кривая 2 — для МРМ3. Как видно на рис. 4, коэффициент подавления помех, начиная с частоты 150 кГц, превышает 35 дБ, а в диапазоне частот 0,3–30 МГц составляет 50–70 дБ.

Частотные характеристики коэффициента подавления модулей защиты и фильтрации постоянного тока 1 - МРМ1; 2 - МРМ3

Результаты измерений коэффициента подавления для сетевых модулей фильтрации приведены на рис. 5. Анализ графиков показывает, что коэффициент подавления помех, начиная с частоты 150 кГц, превышает 25 дБ, а в диапазоне частот 0,3–30 МГц составляет 40–70 дБ.

Частотные характеристики коэффициента подавления сетевых модулей защиты и фильтрации тока 1 - МРМ4; 2 - МРР2; 3 - МРР3

Согласно ГОСТ 13661-92, коэффициент подавления измеряется при сопротивлении 50 Ом на входе и выходе ФРП. Однако на практике входное высокочастотное сопротивление модулей питания меняется в широких пределах. Для определения реального коэффициента подавления проведены испытания системы «модуль фильтрации — модуль питания». Измеренный уровень помех на входе в системе модуль фильтрации МРМ2 и модуль питания МДМ30 показан на рис. 1, (кривая 6), в системе МРР2 и KR100А — на рис. 2 (кривая 6). При совместной работе модуля питания и модуля фильтрации помехи на входе не превышают значений, определяемых графиком 1 и 2 Норм.

Еще одна из последних разработок АЭИЭП связана с однопроводными фильтрами. Известно, что однопроводные бортсети получили широкое распространение в промышленной и военной технике. Такие бортсети широко применяются, например, в авиационной (ГОСТ 19705-89), автомобильной и гусеничной технике (ГОСТ В 21999-86), аппаратуре связи. Характерная особенность таких электросетей: один из полюсов питания электрически соединен с корпусом аппарата (шасси самолета, автомобиля). Кроме того, зачастую необходимо иметь локальные питающие цепи с малым уровнем помех и пульсаций напряжения.

Перечисленные задачи можно решить с помощью неполярных однопроводных помехоподавляющих модулей защиты и фильтрации серии МРО. Эти приборы разработаны в ходе выполнения ОКР «Пустынник» и ориентированы на выпуск с приемкой «5».

Однопроводные модули фильтрации и защиты выпускаются на токи 2,5, 5, 10 и 20 А и работают при максимальном входном напряжении до 40 и 84 В. Внутреннее падение напряжения при максимальном токе не более, соответственно, 200 и 420 мВ. Коэффициент подавления помех в диапазоне частот 0,15–30 МГц находится в пределах 40–70 дБ (рис. 6).

Частотные характеристики коэффициента подавления однопроводных модулей МРО

Как уже отмечалось, для защиты аппаратуры от выбросов напряжения в сетевых проводах в модулях одновременно с фильтром помех размещены варисторы. Для каждого номинала входного напряжения модуля был выбран варистор класса С, обеспечивающий наименьшее напряжение на выходных клеммах при воздействии импульса. В табл. 1, 3 приведен основной параметр выбранных варисторов — напряжение на клеммах ограничителя. В соответствии с ГОСТ В 234425-90 это напряжение было измерено при воздействии импульса амплитудой 1000 В длительностью 10 мкс, при этом внутреннее сопротивление источника, генерирующего импульсы напряжения с данными параметрами устанавливалось равным 50 Ом.

По требованию заказчика в модули вместо варисторов могут быть установлены полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН). Как показали испытания, ПОН при одинаковых размерах с варистором имеет более высокую перегрузочную способность и меньшие клеммные напряжения. Испытания проведены в соответствии с методиками, изложенными в ГОСТ Р51317.1.5.-99. В качестве генератора был использован имитатор импульсных помех ИИП4000. Результаты измерений напряжения на клеммах ограничителя и варистора приведены в табл. 5.

Таблица 5

Испытания проводились одиночными импульсами с амплитудой 1000 В, запуск имитатора ИИП4000 проводился вручную. После подачи второго импульса от имитатора с сопротивлением Ri, равным 2 Ом, варистор с диаметром 20 мм вышел из строя, ПОН с такой же площадью полупроводниковой шайбы работал в режиме ограничения. На наш взгляд, применение ПОН предпочтительнее в цепях, где импульсная помеха кондуктивная от источников с малым внутренним сопротивлением.

Модули имеют малые габариты, падение напряжения на модуле не превышает 2% от значения номинала входного напряжения. Напряжение, которое выдерживает изоляция токоведущих цепей модулей относительно корпуса, составляет для модулей постоянного тока 500 В, для переменного — 1500 В.

Модули фильтрации цепей питания постоянного тока выпускаются для общепромышленного применения в соответствии с БКЮС. 468240.003 ТУ. Поставка опытных образцов с приемкой «5» осуществляется в рамках ОКР «Пустынник Д».

Сетевые модули фильтрации радиопомех выпускаются в соответствии с техническими условиями БКЮС.468240.004 ТУ. Поставка опытных образцов с приемкой «5» осуществляется в рамках ОКР «Пустынник А».

Авторы выражают благодарность начальнику ИЛ ТС ЭМС А. Г. Мартиросову за оказанную помощь при измерениях и за рекомендации при оптимизации параметров фильтров.

Литература

  1. Твердов И. и др. Новые модули фильтрации радиопомех и защита от перенапряжения // Chip New. 2004. № 3.
  2. Твердов И. В., Мартиросов А. Г., Затулов С. Л. Модернизация сетевых фильтров радиопомех на предприятии «Александер Электрик источники электропитания // Электронные компоненты. 2005. № 8.
  3. Филатьев А. Анализ российского рынка модулей вторичного питания малой и средней мощности // Производство источников электропитания промышленного и специального назначения. М.,2006.
  4. Каталог продукции АЭИЭП на диске. 2007. Осень.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_04_56.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо