Сетевой фильтр с развязкой от фазного провода

Недавно для экспериментов понадобилось напряжение 220 В с развязкой от фазы. Порылся в «тумбочке» - готового решения нет. Есть железо от ТС-180. Можно намотать трансформатор 1:1. И уже было собрался делать, когда на глаза попались валяющиеся без дела источники бесперебойного питания Back-UPS CS-500 (модель BK500EI) (рис.1). А ведь в них стоят достаточно мощные трансформаторы в преобразователе – почему бы не попробовать на одном понизить напряжение, а другим опять повысить? Получится требуемая развязка…

Рис.1

Трансформаторы в преобразователях сделаны достаточно добротно – пластины проварены в двух местах, обмотки залиты чем-то похожим на эпоксидный клей, но более прозрачным. Сетевая обмотка намотана сверху. Толщина провода по изоляции 0,5 мм. Входные проводники (белый и чёрный) делают два витка через ферритовое кольцо (рис.2).

Рис.2

Вторичных обмоток две (рис.3). Одна из них, сильноточная, имеет отвод от средины и намотана проводом диметром 1,6 мм (по изоляции). Это выводы красного, чёрного и белого цветов. Другая вторичная обмотка выполнена проводом диаметром по изоляции 0,5 мм. Её выводы коричневого и синего цвета.

Рис.3

При проверке тока холостого хода трансформаторов оказалось, что они немного разные. У одного ток около 55 мА, у другого – 42 мА. Выходные напряжения тоже отличались, примерно на 0,15-0,2 В.

Сначала была собрана схема по рисунку 4. При подаче на вход напряжения 225 В на выходе получалось напряжение 221 В. При подключении нагрузки (лампы накаливания 220 В/60 Вт) напряжение на выходе проседает до 212 В. При уменьшении нагрузки до 40 Вт поднимается до 215 В. Трансформаторы при длительной работе нагреваются примерно до 50-60 градусов. В общем, всё достаточно хорошо.

Рис.4

Затем решил проверить, как ведёт себя такой преобразователь в качестве фильтра гармоник сетевого напряжения и всевозможного мусора, присутствующего в нём. К входным и выходным цепям были подключены резисторные делители R1R2 и R3R4 (рис.5), сигнал с которых подавался в звуковую карту компьютера и обрабатывался программой SpectraPLUS.

Рис.5

Спектральная характеристика, снятая в полосе частот 10 Гц – 23 кГц, показана на рисунке 6. Здесь и далее по тексту верхний график (левый канал) – входное сетевое напряжение, нижний (правый канал) – выходное. «Палка», стоящая в обоих каналах на частоте 17,7 кГц – это внутренняя проблема компьютера, эта помеха присутствует всегда, меняется только её уровень. Большой уровень и количество гармоник сетевого напряжения обусловлен искажённой формой синусоиды – обрезаны макушки полуволн. Ну, а в целом видно, что особой разницы в АЧХ между входным и выходным сигналом нет. Это говорит о достаточной, в данном случае, даже избыточной, широкополосности трансформаторов в звуковом диапазоне. Более высокочастотные сигналы, наведенные на сетевые провода, наверняка так же проходят со входа на выход, но уже не за счёт трансформации, а через ёмкостную связь между первичной и вторичной обмотками. Ферритовые кольца на выводах первичных обмоток начинают эффективно работать, скорее всего, с частот 5-10 МГц.

Рис.6

Попробовал поставить параллельно низковольтным обмоткам плёночные полипропиленовые конденсаторы С1 и С2 ёмкостью по 150 нФ (рис.7) и оценить их влияние.

Рис.7

На нижнем графике рисунка 8 видны некоторые изменения на частотах выше 10 кГц. Но этого слишком мало для того, чтобы называться «фильтром». Может быть, высокие частоты он и «давит», но все низкочастотные пока пропускает.

Рис.8

Поставил в высоковольтные цепи стандартные компьютерный сетевые LC фильтры, а в низковольтные цепи - дроссели L2 и L3 (рис.9 (резисторы делителей в схеме здесь и далее не показаны, но они всегда стоят на входе и выходе схем)). На нижнем графике рисунка 10 стал заметен более крутой спад на частотах выше 1,5 кГц.

Рис.9

Рис.10

Но также заметно небольшое увеличение уровней гармоник на частотах с 650 Гц по 1550 Гц. Возможно, что это связано с протеканием сильных токов через дроссели L2 и L3, намотанных на ферритовых кольцах, взятых из компьютерных блоков питания (рис.11). Кольца имеют размер 27х14х11 и выкрашены в жёлтый цвет. Обмотка состоит из 20 витков эмалированного провода диаметром 1,5 мм.

Рис.11

Но в целом, характеристики схемы устраивали, она была собрана и благополучно выполнила свою задачу.

А недавно решил собрать такой же развязывающий фильтр, но с акцентом на фильтрацию, и запитать через него старенький проигрыватель компактдисков. Подумал, что раз уже ПКД совсем «дремучий», то фильтр помешать ему не сможет.

Схема подверглась небольшой переделке (рис.12). Оказалось, что весь «акцент на фильтрацию» заключался в том, что было достаточно убрать дроссели, намотанные на компьютерных ферритовых кольцах, а на их место поставить один стандартный Д-165У. Судя по справочнику [1], такой же дроссель, но без буквы «У», намотан на железе ШЛМ25х25, имеет индуктивность 1,2 мГн при токе подмагничивания 18 А. Сопротивление обмотки 0, 0212 Ом. Ёмкости конденсаторов С5 и С6 были набраны из большого количества всевозможных МБГ, К73-11, К73-16 и К77-1. Конденсатор С5 совместно с L2 выполняет функцию фильтрации помех, создаваемых блоком питания нагрузки. Полипропиленовые конденсаторы C4 и C7 серии PPN оставлены в схеме, т.к. имеют малую индуктивность и должны хорошо гасить высокочастотные помехи.

Рис.12

Входные и выходные LC фильтры (рис.13) использовались такие же, как и в схеме на рисунке 9. В случае работы развязывающего фильтра в трёхпроводной сети, точки соединения конденсаторов С1С3 и С8С10 можно подключить к «земле» (к каждому фильтру - отдельный провод).

Рис.13

Надо сказать, что ёмкости конденсаторов С5 и С6 в 30-40 мкФ уже хватает для нормальной фильтрации, но у меня было несколько лишних низковольтных конденсаторов и место для них в корпусе, что позволило не экономить и получить на выходе АЧХ, показанную на рисунке 14. Разница при применением конденсаторов ёмкостью 30 мкФ небольшая – около 2-3 dB на участке частот от 500 Гц до 2 кГц (скриншот, к сожалению, не сохранился).

Рис.14

Все приведённые выше спектры были сняты с подключенной в качестве нагрузки лампой накаливания мощностью 60 Вт. Видно, что на частоте 550 Гц гармоника подавлена почти на 10 dB, на частотах с 1050 Гц до 5 кГц – примерно на 20 dB. Выше по частоте уровни гармоник в сети настолько малы, что их можно не принимать во внимание. Но это не означает, что фильтр там не работает.

Теперь про АЧХ при подключении к фильтру CD проигрывателя «Вега-122С». Судя по информации на задней стенке, потребляемая им мощность равна 15 Вт. Блок питания трансформаторный. Напряжение, выдаваемое фильтром при подключенном ПКД, получается около 214-216 вольт в зависимости от режима работы.

Так как эта проверка проводилась в другой день, сначала посмотрим состояния сети без подключенного фильтра и нагрузки (рис.15). Видны некоторые отличия в сравнении с рисунком 14.

Рис.15

Далее, на рисунке 16, показан график при включенном напрямую в сеть ПКД в режиме «Воспроизведение». При том, что сеть 220 В имеет низкое внутреннее сопротивление, всё равно заметно небольшое увеличение уровней гармоник в районе 2-3 кГц. Откуда они берутся, будет показано ниже.

Рис.16

На рисунке 17 показан скриншот при подключении ПКД через фильтр.

Рис.17

Видно, что уровни гармоник на графике сетевого напряжения приблизились к состоянию сети без подключенного ПКД (рис.15). Появление же в выходном напряжении чётных гармоник и повышение уровня нечётных связано с работой диодных выпрямителей в блоке питания ПКД и увеличением внутреннего сопротивления источника питания для ПКД. Те самые, появившиеся на рисунке 16 гармоники, связаны с моментами подзаряда электролитических конденсаторов во время открывания и закрывания диодов выпрямителя.

Несколько уменьшить некоторые гармоники на выходе фильтра можно изменением ёмкости конденсатора С9 (нумерация по рисунку 12), но, так как он подключен параллельно высоковольтной обмотке Tr2 и первичной обмотке трансформатора нагрузки, то образует совместно с ними контур и на некоторых гармониках может входить в резонанс. При превышении конденсатором С9 ёмкости 5-10 мкФ резонанс возможен даже на основной частоте 50 Гц, что, соответственно, вызовет сильное увеличение выходного напряжения. Поэтому при использовании С9 ёмкостью более 0,1-0,2 мкФ и смене нагрузки фильтра может понадобиться проверка выходного напряжения и корректировка в случае превышения нормы.

Для понимания процессов, проходящих в трансформаторном блоке питания и вызывающих появление помех, была собрана схема по рисунку 18. Трансформатор применялся такой же, что и в вышеописанных фильтрах. Напряжение на конденсаторе С1 и, соответственно, на резисторе нагрузки Rнагр было около 20 В (измерено мультиметром ВР-11А). Сопротивление Rнагр – 100 Ом (резистор марки ПЭВ-10). Получается, что постоянный ток, текущий через него, равен 200 мА. Резистор R1 – это датчик тока подзаряда конденсатора. Падение напряжения с него подавалось в звуковую карту компьютера. Вход карты закрыт по постоянному току, т.е. сигнал проходит через конденсатор, поэтому медленные процессы отображаются с ошибками и оси графиков смещаются относительно нулевой отметки, но в данном случае это не критично.

Рис. 18

После включения блока питания в сеть и установления на конденсаторе С1 напряжения 20 В через датчик тока R1 проходят импульсы, форма которых показана на рисунке 19. Они возникают во время открывания диодов моста. Диоды начинают открываться и пропускать через себя ток только тогда, когда уровень полуволны, идущей с трансформатора Tr1, превысит на 1,5 В (примерно) уровень потенциала, присутствующего на конденсатора С1. Конденсатор начинает подзаряжаться и через R1 начинает течь ток. На рисунке это передний (левый), более пологий фронт импульса. Крутой же спад импульса тока (правый) обусловлен тем, что диоды закрылись (и никакой ток через R1 не течёт) после того, как уровень полуволны, прошедшей точку экстремума, стал менее напряжения, накопленного конденсатором С1 плюс 1,5 В (примерно). Далее по времени, до того момента как опять начнётся подзарядка, конденсатор отдаёт накопленную энергию в нагрузку. Упоминаемые 1,5 В – это напряжение падения на двух диодах, стоящих в противоположных плечах моста. В основном оно зависит от марки диодов и от протекающего через них тока. Потому и пишу «примерно».

Рис.19

Итак, на рисунке 19 видны импульсы амплитудой около 110 мВ. Это говорит о том, что через R1 протекает ток 1,1 А. По первому правилу Кирхгофа получается, что 200 мА приходится на резистор нагрузки Rнагр, а 900 мА – на подзарядку конденсатора.

На рисунке 20 показаны падения напряжения на R1 при Rнагр = 300 Ом. Здесь суммарный ток около 500 мА, т.е. на резистор нагрузки приходится 67 мА и на конденсатор 433 мА.

Рис.20

Приведённые примеры расчёта справедливы в случае, когда между диодным мостом и фильтрующим (накопительным) конденсатором присутствует какая либо цепь с сопротивлением именно 0,1 Ом (например, тонкие провода). Если же это сопротивление меньше, то ток подзарядки конденсатора, соответственно, становится больше. А это значит, что присутствующие мощные и достаточно короткие импульсы тока во всех цепях вплоть до конденсатора С1 включительно (во вторичной обмотке трансформатора, во всех проводах, подходящих к диодам, в самих диодах), имеют широкий спектр продуктов искажений, обновляющихся с периодичностью 100 Гц. Этими продуктами и отличается нижняя АЧХ от верхней на рисунка 17. Также часть мусора, присутствующего в сети 220 В, проходит со вторичной обмотки трансформатора напрямую на конденсатор С1 в те моменты, когда диоды открыты.

Приведу два спектра, сигналы для которых сняты с резистора нагрузки, т.е. вход звуковой карты просто подключен к выводам Rнагр (рис.18). Первый спектр, на рисунке 21 – блок питания собран один в один по схеме, без доработок. Все соединительные провода - из многожильного провода от компьютерных БП с диаметром по меди около 1 мм и длиной от 50 до 150 мм. Резистор нагрузки подключен к С1. Второй, на рисунке 22 – этот же блок питания, но выполненный с соблюдением некоторых правил, т.е. со снабберами и с дополнительными демпфирующими конденсаторами по входу и выходу диодного моста, проводники до моста и после него проходят через ферритовые кольца (4 кольца по 10 витков). Эти проводники имеют максимально возможный диаметр (около 2,5 мм) и минимальную длину. Вместо одного конденсатора С1 «ROE Elko rauh IIA DIN 41250» ёмкостью 68000 мкФ 25 В стоит 10 штук дешёвых китайских «Jamicon» по 6800 мкФ 25 В (соединённых в параллель медными шинами 200х8х0,5 мм) и каждый зашунтирован плёночным К73-11а 1 мкФ и слюдяным КСО 10 нФ с максимально короткими выводами. Резистор нагрузки 100 Ом подключен в самом конце батареи конденсаторов. Датчик тока R1 присутствует в обеих схемах, диодный мост – PBL 405. И, похоже, что он попался с неодинаковыми диодами - судя по рисунку 19, при больших токах одна полуволна получатся меньшей амплитуды. Наверное, при его замене на «быстрые» или «ультрабыстрые» одиночные диоды можно было бы получить лучшие показания. Но всё равно результат во втором варианте, как говорится, виден невооружённым глазом – даже пятидесяти- и стогерцовые пульсации уменьшились. Повышенный общий уровень графика на рисунке 21 говорит о том, что в первом варианте исполнения присутствовал широкополосный шум, скорее всего, связанный с конденсатором «ROE». Он хоть и имеет ESR менее 0,05 Ом и ёмкость более 50000 мкФ (больше прибор не измеряет), но всё же он очень старый и редко использовался.

Рис.21

Рис.22

Внимание! Во время конструирования сетевого фильтра, а, тем более при экспериментах с ним, следует соблюдать осторожность и правила техники безопасности при работе с высокими напряжениями!

Литература:
1. Сидоров И.Н., Мукосеев В.В., Христинин А.А. «Малогабаритные трансформаторы и дроссели», Справочник, Москва, «Радио и связь», 1985г.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, лето 2014.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Трансформатор