CS-CS.Net: Лаборатория Электрошамана
Сборка электрощитов, автоматика и автоматизация для квартир и частных домов. Программы для ПЛК. Сценический свет (световые шоу, настройка оборудования). Консультации, мастер-классы.
Щит с автоматикой IPM для коттеджа (Поварово)
Автоматика моего санузла на логическом реле ABB CL
Щиты TwinLine в Долгопрудный (таунхаус) и Солнечногорск
Щит для котельной на базе сенсорного ПЛК ОВЕН (Папушево)
Щиты с IPM (сеть, генератор, UPS) в Ядромино и Победа-2
Щит в ЖК Монэ на ПЛК ОВЕН со сценарным управлением светом
Силовой щит в Весёлово (Тула): Простой трёхфазный
Щит для квартиры в Митино на ПЛК ОВЕН (свет, отопление)
О сетевых фильтрах и конденсаторах (вынос потенциала по PE между устройствами)
Опубликован
на 18 декабря 2009, 12:00
Число просмотров: 35 252
Импульсный блок питания формата ATX
Итак, мы возвращаемся к предыдущей статье о том, почему же сгорел USB-порт? В результате разбирательств (правда уже задним числом), выяснился интересный факт, о котором можно сделать заметку. Итак, поговорим о помехах и защите от них, сетевых фильтрах и конденсаторах, стоящих внутри блоков питания и почему это всё бьётся током.
Как известно, сейчас практически везде используются так называемые импульсные источники питания, принцип работы которых основан на преобразовании напряжения на более высокой частоте, чем обычные 50Гц в трансформаторных источниках питания. С повышением частоты уменьшаются габариты и масса трансформаторов, за счёт чего при таких же размерах источника питания можно получить в несколько раз бОльшую выходную мощность.
Схемотехника импульсных блоков питания обычно следующая: сетевое напряжение 220 выпрямляется и фильтруется диодным мостом с конденсаторами, после чего подаётся на каким-либо образом (микросхема, автогенератор) реализованный преобразователь, основой которого обычно является импульсный трансформатор. На фото платы источника питания Mean Well (вот отдельный пост про них) этот трансформатор хорошо видно:
Внутренняя плата источника питания S-15-5
Часть его обмоток используется для обратной связи с преобразователем, а остальные используются для получения нужных выходных напряжений блока питания.
Но за все достоинства такого блока надо платить. В первую очередь, это высоковольтные компоненты — транзисторы, которые должны работать при амплитудных значениях напряжения достигающих 350 вольт, не говоря об амплитуде коммутационных импульсов. Диодный мост, конденсаторы, да и вообще примерно половина платы такого импульсника находится под сетевым напряжением! Вот она — плата за компактность! А ещё это всё надо защищать от перегрузок, замыканий или пробоев, чтобы на «нежную» нагрузку не пошло сетевое напряжение. Издавна бытует поверье, что компьютерные блоки питания отличаются качеством на вес: более качественно разработанный и собранный блок весит больше! 😉
А теперь подбираемся к самому важному для нас. Мало того, что с импульсниками по факту много возни из-за высокого напряжения, так это чудо ещё и генерирует в сеть кучу помех (тоже, хе-хе, импульсных), возникающих из-за процессов коммутации обмоток трансформатора ключами. Для аналогии можно представить например коллекторный двигатель, щётки и коллектор которого постоянно коммутируют обмотки якоря под большими токами, прямо-таки загрязняя питающую сеть импульснымми выбросами. Плохие производители по-тихому забивают на это, ну а более-менее хорошие — ставят сетевые фильтры по питанию.
На эту тему мне попалась замечательная статья автора BSVi — Сетевые фильтры и помехоподавляющие конденсаторы, где всё это расписано наглядно и с картинками. Я позволю себе кратко пересказать её содержание.
Простейший фильтр помех представляет собой конденсатор определённой ёмкости, включённый параллельно источнику помех.
Пример простейшего фильтра сетевых помех
В этом случае ток помехи замыкается через этот конденсатор, не выходя за пределы устройства. Более сложная схема фильтра обычно выглядит вот так, и содержит целый набор конденсаторов и дросселей, которые не выпускают токи помехи за пределы корпуса устройства. Данная схема относительно стандартная и в том или ином виде находится практически в каждом уважающем себя импульснике. Помехи, создаваемые устройством на его проводах питания, шунтируются дросселем и конденсатором C1. А излучаемые помехи (так как у нас большие токи и напряжения коммутации) экранируются корпусом, замыкаясь через конденсаторы С2 и C3. Всё прекрасно.
Более сложная и эффективная схема сетевого фильтра
Для нас с электрической стороны дела интересно обратить внимание на то, что два конденсатора (C2 и C3) здесь включены между сетевыми проводниками и корпусом (PE-проводник имеет контакт с металлическим корпусом)! Так как мы находимся в России, то «заземления» у нас практически нигде нет (дата-центры, офисы и кулибиных с батареей в расчёт не берём) и защитный PE-проводник часто оказывается никуда не подключённым. В этом случае очень часто проявляется обсуждаемый на множестве форумов эффект «покалывания» и «пощипывания» от стиралок, микроволновок и конечно компьютеров — кто из нас не получал удар током, ковыряясь в системнике стоящем рядом с батареей? 😉
Ёмкость C1 обычно ставится около 0,1 мкФ, а ёмкости C2 и C3 — около единиц нФ, поэтому долбать будет не сильно, но ощутимо. По этой же причине этот ток утечки при ёмкостях C2, C3 2,2 нФ будет равен около 70 мкА, что при всём желании не вызовет срабатывание УЗО. Естественно, в офисах или других местах, где ставится много аппаратуры с такими фильтрами, потребуется разбивание питающих линий на группы (по УЗО/ДифАвтомату на группу) в таком количестве, чтобы суммарный ток утечки через такие фильтры был меньше примерно половины номинального тока срабатывания УЗО. Для понимания рисую ещё одну схемку, в упрощённом виде:
Путь токов утечки через УЗО
Но это ещё не все сюрпризы от импульсников, и не все грабли, на которые можно наступить! Курим помехозащищённость дальше, и оказывается, что мы забыли ещё вот о какой мелочи: частоты коммутации у нас высокие (да-да, я не устану про это напоминать) — например килогерц 40 и выше. Значит нам придётся вспомнить о том, что между обмотками трансформатора есть некая ёмкость, которая довольно неплохо проводит ток (на схеме ниже я обозначил её как C4). До сих пор мы защищали питающую сеть от нашего импульсного блока питания. А теперь смотрим и видим, что через межобмоточную ёмкость трансформатора все помехи коммутации (условно изображено ключом на схеме) пойдут в нагрузку!
Схема, фильтрующая помехи по емкостной связи
Для этого тоже придумали решение, которое в некоторых случаях оказывается роковым. Добавляется физическая ёмкость (деталька) C5, которая по высокой частоте соединяет выходную обмотку трансформатора с точкой источника помех коммутации — ключом. Через эту ёмкость отлично замыкаются все токи помехи, документация на блок питания нам радостно рапортует, что всё хорошо, а мы получаем связь по переменному току выхода с питающей сетью. А до кучи в некоторых блоках питания с металлическим корпусом цепляют ёмкость C6, которая по переменному току соединяет выходную цепь с корпусом (тут корпус как бы в пределах блока выполняет роль некоей ГЗШ — главной заземляющий шины, на которой замыкаются все токи помех). А если корпус не заземлён — снова получаем половину питания 50Гц на выходе. Ну как минимум их связь. И ещё отмечу, что так как связь через конденсаторы — то попытки прозвонить и найти её тестером будут конечно же безуспешны! 😉
Меры предосторожности и лечение
Итак, причину появления «кусь-кусь» от устройств и выгорания портов USB мы выяснили. Теперь нужно разобраться, что же с этим делать? Кулибинские решения типа «выкусить конденсатор» отметаем сразу, хотя бы потому что этот кулбини выкусит конденсатор только в одном устройстве. А их несколько- например в компьтере: монитор, принтер, системник.
Идея всех остальных решений — содать какую-то область, где все-все потенциалы на корпусах относительно неё будут одинаковы. В лучшем случае — это вся квартира целиком (если мы говорим про домашние разработки и кулибинство). В худшем случае — это что-то в пределах рабочего стола среди компьютера, отлаживаемого устройства и вспомогательной аппаратуры. Вплоть до того, что куском провода тупо соединить корпуса компа, отлаживаемой платы и осциллографа вместе.
Грамотное решение — полный переход на трёхпроводную систему (с полным соблюдением требований по переходу на неё — читай реконструкция стояка) с перекладкой проводки от вводного щитка, но это уже отдельная тема с кучей своих заморочек. Здесь возникает ещё такая дилемма: в двухпроводных сетях PE-провод рекомендуется никуда не подключать, а по нашим выводам, наоборот — у всех устройств соединять вместе, поэтому я специально оговариваю ещё раз: такое «кривое» выравнивание потенциалов может быть использовано только грамотным разработчиком, который знает, что и главное — ПОЧЕМУ делает!
Простейшее решение, как я и говорил — обычная многорозеточная колодка «с заземлением» и трёхпроводные кабели от всех устройств, где есть металлический корпус.
З.Ы. Всё, что не происходит — к лучшему. Не купил бы блок от Mean Well — не выжег бы порт — не обратил внимание на такую особенность импульсников и потом в готовом устройстве, которое рулит 220 вольтами и ещё по USB/RS-232 с компом общается, вылезли бы все эти косяки.
З.Ы.2. Иногда, мать его, обычный 50Гц-овый трансформатор и КРЕНка надёжнее и безопаснее импульсника! 😉
Копирайты и благодарности
При создании статьи были использованы следующие материалы:
- Блог BSVi’s homepage — статья Сетевые фильтры и помехоподавляющие конденсаторы — просьба все комментарии о конденсаторах оставлять на блоге Автора!;
- Форум Город Мастеров, и конкретно тема «Help по заземлению и безопасности!» — раздел «Пощипывание от незаземленного электроприбора» (обсуждение темы здесь: Help по заземлению и безопасности! Вопросы-ответы, обсуждения) — отдельное спасибо автору Kamikaze!;
- Обсуждение на форуме iXBT.Com — Ноутбук ASUS A6M, сдохло USB;
- Моя же статья о блоках питания Mean Well.
https://cs-cs.net/o-setevyx-filtrax-i-kondensatorax
