Электрический расчет входного и выходного фильтра

1.5.3. Электрический расчет входного и выходного фильтра.

Природа и источники электрического шума.

Борьба с генерацией и излучением высокочастотного шума – один из загадочных “черных ящиков” в проектировании импульсных источников питания и конечного изделия.

Шум создается везде, где имеют место быстрые переходы в сигналах напряжения или тока. Много сигналов, особенно в импульсных преобразователях напряжения, являются периодическими, то есть, сигнал, который содержит импульсы с ВЧ фронтами, повторяется с предполагаемой частотой следования импульсов (pulse repetition frequency, PRF). Для импульсов прямоугольной формы значения этого периода определяет основную частоту самой волны. Преобразование Фурье волны прямоугольной формы создает множество гармоник этой основной частоты двойного значения времени переднего или заднего фронта импульсов. Это типично в мегагерцовом диапазоне, и гармоники могут достичь очень высоких частот.

В импульсных преобразователях напряжения с ШИМ ширина импульсов постоянно меняется в ответ на выходную нагрузку и входное напряжение. В результате получаем почти распределение энергии белого шума с отдельными пиками и уменьшением амплитуды с повышением частоты.

Кондуктивный шум (то есть, шумовые токи, которые выходят из корпуса прибора через линии питания ) может появляться в двух формах: синфазных помех (common-mode) и помех при дифференциальном включении (differential-mode). Синфазные помехи – это шум, который выходит из корпуса только по линиям электропитания, а не заземления. Помехи, при дифференциальном включении – это шум между линией и одним из выводов питания. Шумовые токи фактически вытекают через вывод заземления.

Типовые источники шума.

Существует несколько основных источников шума внутри импульсного преобразователя напряжения с ШИМ, что и создает большую часть излучаемого и кондуктивного шума.

Источники шума являются частью шумовых контуров, которые представляют собой соединение на печатной плате между потребителями ВЧ тока и источниками тока. Главным источником шума является входная схема питания, которая содержит ключ, первичную обмотку трансформатора и конденсатор входного фильтра. Конденсатор входного фильтра обеспечивает трапецеидальные сигналы тока, необходимые для преобразования напряжения, поскольку входная линия всегда хорошо фильтруется с полосой пропускания, какая намного ниже рабочей частоты преобразователя напряжения. Конденсатор входного фильтра и ключ должен размещаться близко возле трансформатора, чтобы минимизировать длину соединений. Кроме этого, поскольку электролитические конденсаторы имеют плохие ВЧ характеристики, параллельно им должен быть включенный керамический или пленочный резистор.

Чем хуже характеристики конденсатора входного фильтра, тем больше блок из силовой линии будет забирать энергию ВЧ тока, что приведет к возникновению кондуктивных синфазных электромагнитных помех.

Вторым основным источником шума является контур, который состоит из выходных диодов, конденсатора выходного фильтра и вторичных обмоток трансформатора. Между этими компонентами протекают трапецеидальной формы токи большой амплитуды. Конденсатор выходного фильтра и выпрямитель необходимо размещать как можно ближе к трансформатору; для минимализации излучаемого тока. Этот источник также создает синфазные кондуктивные помехи, главным образом, на выходных каскадах источника питания.

Фильтры кондуктивных электромагнитных помех.

Существует два типа входных силовых шин. Силовые шины постоянного тока – это однопроводные силовые соединения, второе плечо питания которых формирует заземление. Другим типом входного соединения является двух или трехпроводная система питания от сети переменного тока. Проектирование фильтра электромагнитных (далее ЭМ) помех для систем постоянного тока осуществляется в основном в виде простого LC-фильтра. Все помехи между одним силовым проводом и соединением через “землю” называются синфазными. Фильтр постоянного тока, значительно более сложный, поскольку учитывает паразитарные характеристики компонентов.

Входной фильтр кондуктивных ЭМ помех предназначен для удержания ВЧ кондуктивного шума в середине корпуса. Фильтрация линий входа/выхода также важна для защиты от шума внутренних схем (например микропроцессоров, АЦП, ЦАП).

Проектирование фильтра синфазных помех.

Фильтр синфазных помех фильтрует шум, который создается между двумя линиями питания (H1 и H2). Схема такого фильтра приведена ниже на рис.1.5.11.

Рис. 1.5.11. Фильтр синфазных помех.

В фильтре синфазных помех обмотки катушки индуктивности находятся в фазе, но переменный ток, который протекает через эти обмотки – в противофазе. В итоге, для тех сигналов, которые совпадают или противоположны по фазе на двух линиях электропитания, синфазный поток внутри сердечника уравновешивается.

Проблема проектирования фильтра синфазных помех заключается в том, что при высоких частотах (когда собственно и нужная фильтрация) идеальные характеристики компонентов искажаются через паразитарные элементы. Основным паразитарным элементом является межвитковая емкость самого дросселя. Это небольшая емкость, которая существует между всеми обмотками, где разница напряжений (В/виток) между витками ведет себя подобно конденсатору. Этот конденсатор при высокой частоте действует как шунт вокруг обмотки и позволяет ВЧ переменному току протекать в обход обмоток. Частота, при которой это явление является проблемой, выше частоты авторезонанса обмотки.

Между индуктивностью самой обмотки и этой распределенной межвитковою емкостью формируется колебательный контур. Выше точки авто резонанса влияние емкости становится большим от влияния индуктивности, что снижает уровень затухания при высоких частотах.

Частотная характеристика фильтра изображена на рис. 1.5.12.

Рис. 1.5.12. Частотная характеристика фильтра.

Этот эффект можно уменьшить, использовав Cx большей емкости. Частота авторезонанса является той точкой, в которой проявляется возможность наибольшего затухания для фильтра. Таким образом, путем выбора метода намотки обмоток индуктивности, можно разместить эту точку поверх частоты, которая нужна для наилучшей фильтрации.

Чтобы начать процесс проектирования необходимо измерить спектр не фильтрованного кондуктивного шума или принять по отношению к нему некоторые предположения. Это необходимо для того, чтобы знать, каким должно быть затухание и на каких частотах.

Примем, что нам необходимо 24дБ затухания на частоте переключения преобразователя напряжения.

Определим частоту среза характеристики фильтра:

,

де Gζ – затухания;

,

где: fc – желаемая частота среза характеристики фильтра, fsw- рабочая частота преобразователя напряжения. В нашем случае fsw=100кГц, затухание Gζ= -24дБ.

Выбор коэффициента затухания

Минимальный коэффициент затухания (ζ) не должен быть менее 0,707. Меньшее значение приведет к “резонансу” и не даст меньшее 3дБ затухания на частоте среза характеристики.

Расчет начальных значений компонентов

,

где: ζ – коэффициент затухания, ζ=0,707, RL =50Ом - импеданс линии,

;

Принимаем С≈0,1мкФ 400В.

Принимаем Сх=0,22мкФ400В. Данные конденсаторы размещены между линиями электропитания и должны выдерживать напряжение 250 В и скачки напряжения.

Величину Су – конденсаторов, которые размещены между каждой фазой и “землей”, и должны выдерживать высокие напряжения ≈2500 В выбирают на несколько порядков меньше Су чем Сх. Это связано с тем, что наибольшая емкость конденсатора, доступная при номинальном напряжении 4 кВ, составляет 0,01 мкФ. Принимаем Су=2,2 нФ.

Поскольку суммарная емкость выбранных конденсаторов больше рассчитанной, то можно допустить, что фильтр будет обеспечивать минимум — 60 дБ затухания при частотах в диапазоне от 500 кГц до 10 Мгц.

Расчетная схема фильтра подходит как для входной, так и для выходной цепи:

Рис. 1.5.13. Входной фильтр электромагнитных помех.

L5=L=450 мкГн

С55=С58=Сх=0,22 мкФ400 В

С54=С56=Су=3,3 нФ3 кВ.

Рис.1.5.14. Выходной фильтр электромагнитных помех.

L6=L=450 мкГн

С54=С56=Су=3,3 нФ3 кВ.

С57=С59=Сх=0,22 мкФ400 В

Похожие работы

Интеллектуальные UPS (Источники бесперебойного питания)

Скачать

23546

4

21

... уменьшению ресурса этих частей ИБП, усложнению схемы и бесполезному расходу энергии (ведь стопроцентного КПД не бывает). -Не беда - скажем мы, и придумаем другую схему источника бесперебойного питания. ИБП с переключением (англ. – standby UPS или off-line UPS) Попытаемся использовать приятные моменты, когда напряжение в электрической сети "нормальное" (не разбираясь сейчас, что это значит). В это ...

Назначение источников бесперебойного питания

Скачать

37849

4

0

... при проведении ремонтов и регулировок без от­ключения питания электроприемников; ·           перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и ко­ротких замыканий на выходе источника бесперебойного питания; ·           перевод нагрузки с инвертора на байпас при удовлетворительном КЭ в питаю­щей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (econom mode - экономичный ...

Источник бесперебойного питания мощностью 600 Вт

Скачать

131229

42

32

... і вказівки до дипломного проектування для студентів спеціальності “Радіотехніка” /Укл. В.О.Дмитрук, В.В.Лисак, С.М.Савченко, В.І.Правда. – К.: КПІ, 1993. – 20 с. 8.   Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с.: ил. 9.   Перельман Б.Л. ...

Источник бесперебойного питания с двойным преобразованием

Скачать

38797

4

12

... исключительное качество и надежность питания цепей нагрузки, превосходит аналоги по параметрам, надежности и окупаемости капиталовложений. Liebert NX источник бесперебойный питание энергия Характеристики модели: Система Liebert NX – ИБП нового поколения с двойным преобразованием и цифровым управлением, работающая в режиме "True On–Line". Имеет нулевое время переключения в режим работы от ...