ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Рассмотренные выше типовые источники генерируют импульсные помехи малой мощности (в отличие, например, от импульсных помех, создаваемых молниевыми разрядами). Сформировались и широко используются в практике следующие методы и средства для защиты от таких помех.

Фильтрация помех

Использование различных устройств, осуществляющих час­тотную фильтрацию, относится к числу широко распространенных схемотехнических мер, направленных как на ослабление помех в месте возникновения, так и на снижение уровней помех, действую­щих на рецептор.

. В фильтрах поглощающего типа эффект образования пара­зитных полос пропускания обычно имеет менее выраженный харак­тер (по крайней мере, они проявляются при значительно больших отстройках от частот в полосе пропускания). Однако частотная из­бирательность их вблизи полосы пропускания и кпд (потери в по­лосе пропускания) обычно значительно уступают фильтрам, выпол­ненным на основе реактивных элементов. Тем не менее, фильтры поглощающего типа часто находят изменение в радиопередатчиках СВЧ для подавления излучения на гармониках, в некоторых элект­ронных устройствах для ослабления кондуктивных помех и др.

Вопросам построения и применения фильтров различных типов посвящена обширная литература, в том числе отражающая специ­фику применения фильтров в задачах обеспечения ЭМС [9,1$. 1$). Становимся на одной только разновидности фильтров, весьма эф­фективных при подавлении высокочастотных помех в относительно низкочастотных цепях - ферритовых кольцах (рис. 7).

Ферритовые кольца - недорогой и удобный способ увеличить высокочастотные потери в цепи, не внося при этом потерь в мощ­ность на постоянном токе или на низких частотах. Кольца невели­ки и могут просто надеваться на вывод компонента или провод­ник. Ферритовые кольца особенно эффективны для ослабления высокочастотных колебаний, вызываемых переходными процес­сами при переключении нагрузок, а также для предотвращения паразитных резонансов внутри различных устройств. Они полез­ны также для предотвращения распространения высокочастотных токов из цепей ИП в источники электропитания или в любые дру­гие проводники. Действие ферритовых колец в качестве фильтров основано на индуктивных свойствах участка провода с кольцом и поглощении высокочастотных полей, соответствующих процессу распространения помех по проводу. На рис. 7 и 8 показаны типичные схемы применения фильтров в виде ферритовых колец.

Рис.7 Фильтры в виде ферритовых колец: а - физическое представление, 6 - эквивалентная схема для высоких частот; I - типовые обозначения на схемах ферритового кольца, надетого на проводник (типичные размеры кольца; d = 0,76 - 1,27 мм; I ~ 2,54 — 12,7 мм)

Рнс. 8. Использование ферритовых колец для образования LC-фильтра нижних частот

для подавления высокочастотных колебание

Специальные схемные решения

Работа ряда электротехнических и электронных устройств сопровождается включениями и выключениями в цепях, содер­жащих источник постоянного или переменного тока и нагрузку (в общем случае комплексную). В результате переходных про­цессов в проводниках этих цепей возникают броски напряже­ний (токов). НЭМП, соответствующие этим импульсным про­цессам, образуют в проводниках цепей кондуктивные помехи, а вызываемые этими токами электромагнитные поля во внеш­нем пространстве - излучаемые индустриальные помехи. Для по­давления этих помех в месте возникновения разработан ряд спе­циальных схемных решений. Некоторые простейшие из них по­казаны на рис. 9.

Рис. 9. Варианты схем подавления импульсных помех (см рис. 1)

при разрыве цепи электромагнитных реле

На фиг. 9 показаны схемы с шестью видами цепей, которые обычно ставят параллельно обмотке реле или другой индуктивно­сти для минимизации напряжения переходного процесса, возника­ющего при разрыве токовой цепи. На фиг. 9,а параллельно индуктивности включен резистор R. При размыкании ключа индук­тивность возбуждает ток, который после размыкания контактов проходит через резистор. Таким образом, амплитуда переходного напряжения с увеличением сопротивления возрастает, однако она ограничена произведением тока в установившемся режиме на со­противление. Если R сделать равным сопротивлению нагрузки, переходное напряжение будет ограничено величиной, равной напряжению питания. В этом случае между контактами будет приложено напряжение питания плюс наведенное в катушке напря­жение, т. е. удвоенное напряжение питания. Эта схема очень рас­точительна по мощности, так как всякий раз, когда в нагрузку проходит ток, он ответвляется и в резистор. Если R сделать рав­ным сопротивлению нагрузки, на этом резисторе в установившемся режиме будет рассеиваться такая же мощность, как и на нагруз­ке.

Другая конфигурация защитной цепи показана на фиг. 9,б, где параллельно индуктивности включен варистор (нелинейный резистор, уп­равляемый напряжением). Когда напряжение на варисторе мало, его сопротивление велико, а когда напряжение на нем велико, сопротивление мало. Этот прибор работает почти так же, как и рези­стор на фиг. 9,а, за исключением того, что мощность, рассеива­емая на варисторе, при прохождении в цепи тока уменьшается.

На фиг. 9,в показана более совершенная схема, в которой параллельно индуктивности подключены последовательно соеди­ненные резистор и конденсатор. Эта цепь не потребляет мощности при прохождении тока через катушку индуктивности. Когда кон­такты размыкаются, конденсатор в начальный момент действует как короткозамкнутая цепь, отводя через резистор ток, возника­ющий в индуктивности. Такой способ помехоподавления широко используется в люминесцентных лампах.

На фиг. 9,г параллельно индуктивности включен полупро­водниковый диод. Полярность его включения такова, что, когда в схеме проходит ток, диод закрыт. Однако при размыкании кон­тактов напряжение на индуктивности имеет полярность, обратную той, которая создается источником питания. Это напряжение смещает диод в прямом направлении, и он ограничивает переходное напряжение на индуктивности до очень малой величины (прямого падения на­пряжения на диоде). Поэтому напряжение на размыкающихся кон­тактах приблизительно равно напряжению питания. Данная схема очень эффективно подавляет напряжение переходного процесса. Однако время, необходимое для уменьшения тока в индуктивности до нуля, здесь больше, чем в любой из предыдущих схем, что может нарушить правильное функционирование схемы (энергия LI²/2, накопленная в индуктивности обмотки реле, c помощью тока через диод некоторое время продолжает удерживать якорь реле в притянутом к сердечнику состоянии).

Чтобы уменьшить время выключения реле, последовательно с диодом (фиг. 9,г) можно включить небольшое сопротивление, но при этом возрастет напряжение переходного процесса. Диод должен выдерживать напряжение, превышающее максимальное напряжение питания, а максимально допустимый ток диода должен быть больше, чем максимальный ток нагрузки. Если контакты срабатывают редко, в качестве токового параметра можно взять максимально допустимый импульсный ток через диод. Если же контакты срабатывают не реже нескольких раз в минуту, следует выбирать диод по максимально допустимому постоянному току.

Включение последовательно с диодом стабилитрона (фиг. 9,д) дает возможность току в индуктивности спадать быстрее. Та­кая защита, однако, не столь хороша, как приведенная выше ди­одная, и в ней на один элемент больше. В этом случае напряжение на размыкающихся контактах равно напряжению питания плюс напряжение пробоя стабилитрона.

Ни одна из диодных схем (фиг. 9,г или д) не может работать в цепях переменного тока. Схемы, работающие от источников переменного тока, или те, которые должны работать при обеих полярностях постоянного напряжения, можно защищать при помощи цепей, показанных на фиг. 9,а-в, или двумя встречно включенными стабилитронами (фиг. 9,е). Каждый стабилитрон должен иметь напряжение пробоя выше пикового значения пере­менного напряжения питания, а максимальный ток стабилизации (стабилитрона) выбирается равным максимальному току нагрузки.

Следует отметить, что рассмотренные выше методы и средства подавления импульсных помех малой мощности, возникающие, в частности, при коммутации электромагнитных реле, одновременно выполняют и функцию защиты коммутирующих контактов от разрушения электрической дугой.

Литература

1. Костроминов А.М. Защита устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от помех / А. М. Костроминов. – М.: Транспорт, 1997. – 192 с.

2. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков В.С. и др. – СПб., ПЭИПК Министерства топлива и энергетики РФ, 1997, 216 с.

3. Воршевский А.А., Гальперин В.Е. Электромагнитная совместимость судовых технических средств. - СПб.: Изд-во СПбМТУ, 2006. - 317 с.

4. Базелян Э.М. Осторожно, молния! – М.: Изд-во «Спорт и Культура – 2000», 2012. – 160 с.

5. Седельников Ю.Е. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств: Учебное пособие. - Казань: ЗАО "Новое знание", 2006. - 304 с.

6. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. – М.: Мир, 1979. – 320 с.