В настоящее время в большинстве электронных устройств источников постоянного напряжения используются встроенные или внешние импульсные блоки питания (ИБП). Основной принцип работы (ИБП) заключается в том, что сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется, далее преобразуется в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое затем понижается или повышается трансформатором до необходимых значений, далее выпрямляется, фильтруется и стабилизируется посредством обратной связи (ОС).
Широкое распространение (ИБП) обусловлено несколькими причинами: небольшим весом, малыми габаритами, высоким КПД, низкой стоимостью, широким диапазоном питающего сетевого напряжения и частоты, высокой степенью стабилизации выходного напряжения и т.д.
К недостаткам (ИБП) можно отнести то, что все они без исключения являются источниками интенсивных электромагнитных помех (ЭПМ), это связано с принципом работы схемы преобразователя, т.к. сигналы в (ИБП) представляют собой периодическую последовательность импульсов. Спектры таких сигналов занимают диапазон частот шириной до нескольких мегагерц. Помехи могут распространяться в виде токов, текущих в проводящих элементах, контуре заземления и самой земле (кондуктивные помехи) и в виде электромагнитных полей в непроводящих средах (индуктивные помехи).
Так же сами (ИБП) довольно восприимчивы к влиянию внешних (ЭПМ). В этой связи возникает необходимость, как подавлять помехи, которые они генерируют и наводят в питающую сеть, так и защищать их от внешних помех, проникающих из питающей сети. Для этой цели (ИБП) в обязательном порядке должен иметь сетевой фильтр подавления (ЭПМ), или как его еще называют EMI— фильтр (рис. 1).
Рис.1 Встроенный сетевой фильтр подавления электромагнитных помех.
Надо отметить, что такой фильтр будет работать как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. ослабит как входящие, так и исходящие помехи.
Кондуктивная помеха по питающей сети имеет две составляющих – противофазную и синфазную.
Противофазная (дифференциальная, симметричная) составляющая помехи — это напряжение помехи между шинами питания, фазой (L) и нулем (N) питающей сети. Ток противофазной помехи, наведенный на оба провода питающей сети, протекает по ним в противоположных направлениях (рис.2).
Рис.2 Направление токов противофазных помех.
Противофазные напряжения помех непосредственно накладываются на напряжение питания питающей сети, воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как управляющие сигналы в устройствах, и тем самым вызывать ложное срабатывание.
Синфазная (асимметричная, несимметричная) составляющая помехи — это напряжение помехи между шинами питания питающей сети и корпусом устройства (заземлением), т.е. между фазой (L) и землей (GND), нулем (N) и землей (GND). Ток синфазной помехи протекает по шинам питающей сети в одном направлении (рис.3).
Рис.3 Направление токов синфазных помех.
Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, вызванной токами в земле (аварийными, при замыканиях высоковольтных линий на землю, рабочими или токами молнии), а так же магнитными полями. Синфазные напряжения помех воздействуют на изоляцию проводов относительно земли и могут вести к электрическим пробоям. Так же может происходить частичное или полное преобразование синфазной помехи в противофазную.
Кроме сетевого фильтра входные цепи (ИБП) должны иметь защиту от короткого замыкания (Предохранитель), импульсных бросков напряжения в питающей сети (Варистор и Супрессор), ограничитель броска тока при включении (ИБП) в питающую сеть (Термистор), а так же иметь защиту от внешних воздействий, например грозы или высоковольтного электрического пробоя (Разрядник). На (рис. 4) показана схема многозвенного сетевого фильтра, обеспечивающего качественное подавление синфазных и дифференциальных помех с элементами защиты входных цепей (ИБП).
Рис.4 Схема многозвенного сетевого фильтра подавления (ЭПМ), с элементами защиты входных цепей (ИБП).
Схема фильтра реализована на основе двух фильтров нижних частот (ФНЧ) путем каскадного соединения (Г—образных) или (Т—образных) звеньев. Назначение элементов схемы сетевого фильтра следующее:
СY1,CY2 — конденсаторы Y типа предназначены для подавления синфазной составляющей помехи. Выбор величины емкости конденсаторов CY, в первую очередь, определяется значением безопасного для человека тока заземления, величина которого для оборудования общего назначения составляет не более 2мА, а для медицинского не более 0,1мА. Емкость СY конденсаторов варьируется от 470пФ до 10000пФ, на рабочее напряжение 3кВ. Какая бы не была емкость СY конденсаторов, полностью убрать помехи невозможно, можно только их уменьшить. Для однофазной питающей сети с номинальным напряжением до 250В используются конденсаторы класса Y2, которые выдерживают импульсы до 5кВ. Увеличение емкости конденсаторов CY улучшает фильтрацию синфазных помех, но увеличивает ток утечки.
СX1,CX2,CX3—конденсаторы X типа предназначены для подавления противофазной составляющей помехи. Задача СХ конденсаторов не пропускать помехи из внешней питающей сети в (ИБП), а так же не выпускать помехи, созданные самим (ИБП) во внешнюю питающую сеть.
Сопротивление конденсаторов CX уменьшается с ростом частоты, следовательно, помехи и резкие скачки напряжения шунтируются (закорачиваются) на входе и выходе сетевого фильтра. Емкость СX конденсаторов варьируется от 0,1мкФ до 1мкФ и зависит от мощности (ИБП). Какая бы не была емкость СХ конденсаторов, полностью убрать помехи невозможно, можно только их уменьшить. Для однофазной питающей сети с номинальным напряжением до 250В используются конденсаторы класса Х2, которые выдерживают импульсы до 2,5кВ. К конденсаторам типа СХ предъявляются высокие требования по безопасности. Они должны выдерживать максимально возможные всплески напряжения в питающей сети, не должны загораться и поддерживать горение. Увеличение емкости конденсатора CX улучшает фильтрацию дифференциальных помех, но приводит к увеличению реактивного тока.
LY1— синфазный дроссель используются для подавления синфазных помех. Он выполнен на тороидальном ферритовом сердечнике с достаточно высокой магнитной проницаемостью (μ) и имеет две идентичные обмотки (рис. 5).
Рис.5 Схема синфазного дросселя.
В случае появления синфазных токов помех, магнитные потоки обоих обмоток складываются, т.к. обмотки дросселя оказываются включенными последовательно с шинами питания фазой (L) и нулем (N) питающей сети. Входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов помех и значительному снижению амплитуды шумового сигнала. Индуктивное сопротивление XL растет с увеличением частоты синфазных помех: XL=2πfL, f—частота помех, L—индуктивность включенных последовательно обмоток дросселя.
Когда через обмотки протекают дифференциальные токи помех, они индуцируют низкочастотные магнитные поля, которые при таком включении имеют противоположные направления и взаимно компенсируют друг друга.
Таким образом, обмотки дросселя для синфазной составляющей помехи имеют большое индуктивное сопротивление, поскольку для синфазного тока они включены согласно. В то же время для противофазной составляющей помехи индуктивное сопротивление обмоток минимально, так как для противофазного тока они включены встречно.
Индуктивность синфазного дросселя LY определяется многими параметрами и лежит в диапазоне от 10мГн до 0,47мГн при токе потребления от 1A до 10A . Начальная магнитная проницаемость сердечника μi = 6000—10000. Размеры ферритового сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов. Увеличение индуктивности синфазного дросселя улучшает фильтрацию, но приводит к увеличению активного сопротивления обмоток.
LX1— Z –образный дроссель предназначен для подавления противофазных (дифференциальных) помех. Дроссель имеет две одинаковые обмотки намотанных сонаправленно, на тороидальном ферритовом сердечнике с зазором или магнитодиэлектрическом сердечнике из распыленного железа (Iron powder core) (рис. 6).
Рис.6 Схема Z –образного дросселя.
Индуктивность Z—образного дросселя LX зависит от многих параметров и лежит в диапазоне от 270мкГн до 47мкГн при токе потребления от 1А до 10A. Сердечник из распыленного железа может быть серии DT68—DT106. Размеры сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов.
L1,L2— ВЧ дроссели обеспечивают дальнейшее ослабление высокочастотных помех. Включаются последовательно с шинами питания фазой (L) и нулем (N) питающей сети на выходе сетевого фильтра. Содержат мало витков и выполняются на ферритовых кольцах с малым значением магнитной проницаемости μ. Их применение позволяет расширить диапазон частот эффективного подавления помех фильтром до 50-60МГц. Индуктивность ВЧ дросселей лежит в диапазоне 5—10 µH и зависит от частоты ослабления ВЧ помех. Размеры сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов.
R2,R3 — резисторы уменьшают добротность L1, L2 для устранения резонансных явлений.
RK1 – терморезистор (NTC термистор) предназначен для ограничения броска тока при включении (ИБП) в питающую сеть. Термистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры. Термисторы бывают двух типов: с положительным и отрицательным температурным коэффициентом. У термистора с положительным коэффициентом при повышении температуры сопротивление возрастает, а с отрицательным коэффициентом — уменьшается. Их сокращённые названия на английском языке: PTC (positive temperature coefficient) и NTC (negative temperature coefficient).
Термистор включается последовательно с одной из шин питания фазой (L) или нулем (N) питающей сети. NTC термистор, при температуре окружающей среды, имеет сопротивление в несколько Ом. В момент включения (ИБП) в питающую сеть, конденсатор выпрямителя заряжается, поэтому представляет собой короткозамкнутую нагрузку. В цепи питания происходит бросок тока, но термистор поглощает его, превращая в тепло. Далее термистор разогревается, его сопротивление падает почти до десятых долей Ома и он не влияет на работу устройства. Происходит так называемый мягкий пуск.
Термистор является инерционным элементом. Фактически при кратковременном отключении питания и повторном пуске, термистор не работает как элемент защиты, т.к. полностью восстанавливает свои свойства только через 5—10 мин. Температура термистора в рабочем состоянии, когда его сопротивления близкого к нулю, может доходить до 250 градусов.
R1 – резистор обеспечивает быстрый разряд конденсаторов СX при отключении сетевого кабеля от питающей сети и необходим для безопасного обращения с устройством.
FV1—разрядник предназначен для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. Разрядник состоит из электродов с искровым промежутком между ними и дугогасительного устройства. Один из электродов присоединяется к защищаемой цепи, другой — заземляется. Когда к такому устройству прикладывается высокое импульсное напряжение со скоростью около 1 кВ/мкс, возникает разряд. Чем меньше скорость нарастания фронта, тем выше должно быть напряжение, "зажигающее" разряд. Через такое устройство может проходить импульсный ток до 100кА. Несмотря на отличную способность снижать напряжение, разрядник имеет время реакции от сотен наносекунд до единиц микросекунд, что в десятки раз медленнее по сравнению с варисторами. Применение данных устройств актуально, где есть опасность прямого удара молнии в провода питающей сети или высоковольтных источниках питания, где есть вероятность попадания высокого напряжения на шины (L) или (N) питающей сети.
RU1 — варистор защищает цепи от импульсных бросков напряжения или увеличивает скорость срабатывания плавкого предохранителя. Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко изменяется при изменении приложенного напряжения выше номинального.
Варистор включается на входе сетевого фильтра параллельно входному сетевому напряжению 220В и фактически постоянно находится под этим напряжением, однако ток в этом состоянии через варистор очень мал т.к. его сопротивление в этом случае сотни МОм. В случае возникновения высоковольтного импульса напряжения способного вывести из строя (ИБП), варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление до десятков Ом, то есть шунтирует (закорачивает) цепь питания, ток в этом состоянии может достигать нескольких тысяч ампер, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла. Варистор не обладает инерцией, поэтому после поглощения импульса он мгновенно восстанавливает свои свойства.
Одного варистора может быть не достаточно в случае аварии на линии электроснабжения, когда вместо фазы и нуля по обоим проводам подали фазу. Для защиты от такого рода аварий целесообразно включать в схему нескольких варисторов, как показано на (рис.7).
Рис.7 Схема защитного треугольника на варисторах.
Эта схема из трех варисторов на входе сетевого фильтра надёжно блокирует проникновение импульса не только по фазовой цепи (L), но и по цепи нуля (N). Варистор RU1 подключается между фазой и нулевым проводником. Он осуществляет основную защиту. Два других RU2 и RU3 подключаются между фазой (L) и землей (Gnd), а так же между нулем (N) и землей (Gnd). Принцип работы RU2 аналогичен, описанному выше RU1. Варистор RU3 контролирует напряжение между нулем (N) и землей (Gnd). Если всё нормально, напряжения быть не должно или оно крайне мало (единицы вольт). В случае появления большого напряжения на проводе (N), как правило, фазы (L), варистор RU2 благополучно зашунтирует защищаемый блок.
VD1—защитный диод TVS (Transient Voltage Suppressor) или супрессор обеспечивает подфильтровку остаточных перенапряжений, которые пройдут через варисторы, без заметных выбросов на шину заземления. Так как емкость варисторов составляет не менее 1000пФ, то они не позволяют фильтровать высокочастотные выбросы выше 100МГц. В таких случаях лучшим решением является применение быстродействующего супрессор—диода. Принцип работы супрессора основан на ярко выраженной нелинейной вольтамперной характеристике. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа, то он перейдет в режим лавинного пробоя, т.е. импульс напряжения будет ограничен до нормальной величины, а излишки уйдут на землю (GND). Отличительной чертой супрессоров является очень короткое время реакции на превышение напряжения, скорость переключения лежит в пикосекундном диапазоне. Супрессоры выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двухполярным напряжением, а несимметричные только с напряжением одной полярности. В маркировке супрессора 1.5КЕ400СА зашифрованы основные его характеристики. 1,5— Мощность 1500Вт; 400—напряжение пробоя 440В; С—двунаправленный (без буквы однонаправленный); А— допустимое отклонение напряжения 5%. Симметричный защитный диод 1.5КЕ440СА можно заменить двумя такими же однополярными (без индекса СА), включенным встречно. Для надежной защиты сетевого фильтра и входных цепей (ИБП) супрессоры включаются по схеме защитного треугольника, как и варисторы (рис. 7).
Для защиты от внешних индуктивных помех применяют экранирование, как всего (ИБП), так и отдельно сетевого фильтра. Экранирование выполняется за счет использования металлического корпуса, с обязательным соединением с шиной заземления. Это препятствует распространению излучаемых электромагнитных помех за пределы корпуса (ИБП), а так же подавляет внешние электромагнитные помехи, воздействующие на (ИБП).
Применение высокоэффективных индуктивно—емкостных помехоподавляющих фильтров позволяет обезопасить оборудование от вредного влияния входящих помех, а так же снизить исходящие помехи, которые генерируются внутри самого оборудования. Использование фильтров подавления (ЭПМ) — одно из основных требований по электромагнитной совместимости современного оборудования.
Компания Лазер—блок является производителем высоковольтных блоков питания для лазерных станков с СО2 излучателями. В выпускаемых нами блоках питания для лазерных станков, или как их еще называют, блоки розжига для лазера, мы используем только высококачественные электронные компоненты, которые закупаем со всего мира, а так же используем и отечественные аналоги, которые славятся своим запасом прочности. Наши инженеры постоянно проводят исследования в лаборатории, внося корректировки в схемы.
В настоящее время в большинстве электронных устройств источников постоянного напряжения используются встроенные или внешние импульсные блоки питания (ИБП). Основной принцип работы (ИБП) заключается в том, что сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется, далее преобразуется в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое затем понижается или повышается трансформатором до необходимых значений, далее выпрямляется, фильтруется и стабилизируется посредством обратной связи (ОС).
Широкое распространение (ИБП) обусловлено несколькими причинами: небольшим весом, малыми габаритами, высоким КПД, низкой стоимостью, широким диапазоном питающего сетевого напряжения и частоты, высокой степенью стабилизации выходного напряжения и т.д.
К недостаткам (ИБП) можно отнести то, что все они без исключения являются источниками интенсивных электромагнитных помех (ЭПМ), это связано с принципом работы схемы преобразователя, т.к. сигналы в (ИБП) представляют собой периодическую последовательность импульсов. Спектры таких сигналов занимают диапазон частот шириной до нескольких мегагерц. Помехи могут распространяться в виде токов, текущих в проводящих элементах, контуре заземления и самой земле (кондуктивные помехи) и в виде электромагнитных полей в непроводящих средах (индуктивные помехи).
Так же сами (ИБП) довольно восприимчивы к влиянию внешних (ЭПМ). В этой связи возникает необходимость, как подавлять помехи, которые они генерируют и наводят в питающую сеть, так и защищать их от внешних помех, проникающих из питающей сети. Для этой цели (ИБП) в обязательном порядке должен иметь сетевой фильтр подавления (ЭПМ), или как его еще называют EMI— фильтр (рис. 1).
Рис.1 Встроенный сетевой фильтр подавления электромагнитных помех.
Надо отметить, что такой фильтр будет работать как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. ослабит как входящие, так и исходящие помехи.
Кондуктивная помеха по питающей сети имеет две составляющих – противофазную и синфазную.
Противофазная (дифференциальная, симметричная) составляющая помехи — это напряжение помехи между шинами питания, фазой (L) и нулем (N) питающей сети. Ток противофазной помехи, наведенный на оба провода питающей сети, протекает по ним в противоположных направлениях (рис.2).
Рис.2 Направление токов противофазных помех.
Противофазные напряжения помех непосредственно накладываются на напряжение питания питающей сети, воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как управляющие сигналы в устройствах, и тем самым вызывать ложное срабатывание.
Синфазная (асимметричная, несимметричная) составляющая помехи — это напряжение помехи между шинами питания питающей сети и корпусом устройства (заземлением), т.е. между фазой (L) и землей (GND), нулем (N) и землей (GND). Ток синфазной помехи протекает по шинам питающей сети в одном направлении (рис.3).
Рис.3 Направление токов синфазных помех.
Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, вызванной токами в земле (аварийными, при замыканиях высоковольтных линий на землю, рабочими или токами молнии), а так же магнитными полями. Синфазные напряжения помех воздействуют на изоляцию проводов относительно земли и могут вести к электрическим пробоям. Так же может происходить частичное или полное преобразование синфазной помехи в противофазную.
Кроме сетевого фильтра входные цепи (ИБП) должны иметь защиту от короткого замыкания (Предохранитель), импульсных бросков напряжения в питающей сети (Варистор и Супрессор), ограничитель броска тока при включении (ИБП) в питающую сеть (Термистор), а так же иметь защиту от внешних воздействий, например грозы или высоковольтного электрического пробоя (Разрядник). На (рис. 4) показана схема многозвенного сетевого фильтра, обеспечивающего качественное подавление синфазных и дифференциальных помех с элементами защиты входных цепей (ИБП).
Рис.4 Схема многозвенного сетевого фильтра подавления (ЭПМ), с элементами защиты входных цепей (ИБП).
Схема фильтра реализована на основе двух фильтров нижних частот (ФНЧ) путем каскадного соединения (Г—образных) или (Т—образных) звеньев. Назначение элементов схемы сетевого фильтра следующее:
СY1,CY2 — конденсаторы Y типа предназначены для подавления синфазной составляющей помехи. Выбор величины емкости конденсаторов CY, в первую очередь, определяется значением безопасного для человека тока заземления, величина которого для оборудования общего назначения составляет не более 2мА, а для медицинского не более 0,1мА. Емкость СY конденсаторов варьируется от 470пФ до 10000пФ, на рабочее напряжение 3кВ. Какая бы не была емкость СY конденсаторов, полностью убрать помехи невозможно, можно только их уменьшить. Для однофазной питающей сети с номинальным напряжением до 250В используются конденсаторы класса Y2, которые выдерживают импульсы до 5кВ. Увеличение емкости конденсаторов CY улучшает фильтрацию синфазных помех, но увеличивает ток утечки.
СX1,CX2,CX3—конденсаторы X типа предназначены для подавления противофазной составляющей помехи. Задача СХ конденсаторов не пропускать помехи из внешней питающей сети в (ИБП), а так же не выпускать помехи, созданные самим (ИБП) во внешнюю питающую сеть.
Сопротивление конденсаторов CX уменьшается с ростом частоты, следовательно, помехи и резкие скачки напряжения шунтируются (закорачиваются) на входе и выходе сетевого фильтра. Емкость СX конденсаторов варьируется от 0,1мкФ до 1мкФ и зависит от мощности (ИБП). Какая бы не была емкость СХ конденсаторов, полностью убрать помехи невозможно, можно только их уменьшить. Для однофазной питающей сети с номинальным напряжением до 250В используются конденсаторы класса Х2, которые выдерживают импульсы до 2,5кВ. К конденсаторам типа СХ предъявляются высокие требования по безопасности. Они должны выдерживать максимально возможные всплески напряжения в питающей сети, не должны загораться и поддерживать горение. Увеличение емкости конденсатора CX улучшает фильтрацию дифференциальных помех, но приводит к увеличению реактивного тока.
LY1— синфазный дроссель используются для подавления синфазных помех. Он выполнен на тороидальном ферритовом сердечнике с достаточно высокой магнитной проницаемостью (μ) и имеет две идентичные обмотки (рис. 5).
Рис.5 Схема синфазного дросселя.
В случае появления синфазных токов помех, магнитные потоки обоих обмоток складываются, т.к. обмотки дросселя оказываются включенными последовательно с шинами питания фазой (L) и нулем (N) питающей сети. Входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов помех и значительному снижению амплитуды шумового сигнала. Индуктивное сопротивление XL растет с увеличением частоты синфазных помех: XL=2πfL, f—частота помех, L—индуктивность включенных последовательно обмоток дросселя.
Когда через обмотки протекают дифференциальные токи помех, они индуцируют низкочастотные магнитные поля, которые при таком включении имеют противоположные направления и взаимно компенсируют друг друга.
Таким образом, обмотки дросселя для синфазной составляющей помехи имеют большое индуктивное сопротивление, поскольку для синфазного тока они включены согласно. В то же время для противофазной составляющей помехи индуктивное сопротивление обмоток минимально, так как для противофазного тока они включены встречно.
Индуктивность синфазного дросселя LY определяется многими параметрами и лежит в диапазоне от 10мГн до 0,47мГн при токе потребления от 1A до 10A . Начальная магнитная проницаемость сердечника μi = 6000—10000. Размеры ферритового сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов. Увеличение индуктивности синфазного дросселя улучшает фильтрацию, но приводит к увеличению активного сопротивления обмоток.
LX1— Z –образный дроссель предназначен для подавления противофазных (дифференциальных) помех. Дроссель имеет две одинаковые обмотки намотанных сонаправленно, на тороидальном ферритовом сердечнике с зазором или магнитодиэлектрическом сердечнике из распыленного железа (Iron powder core) (рис. 6).
Рис.6 Схема Z –образного дросселя.
Индуктивность Z—образного дросселя LX зависит от многих параметров и лежит в диапазоне от 270мкГн до 47мкГн при токе потребления от 1А до 10A. Сердечник из распыленного железа может быть серии DT68—DT106. Размеры сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов.
L1,L2— ВЧ дроссели обеспечивают дальнейшее ослабление высокочастотных помех. Включаются последовательно с шинами питания фазой (L) и нулем (N) питающей сети на выходе сетевого фильтра. Содержат мало витков и выполняются на ферритовых кольцах с малым значением магнитной проницаемости μ. Их применение позволяет расширить диапазон частот эффективного подавления помех фильтром до 50-60МГц. Индуктивность ВЧ дросселей лежит в диапазоне 5—10 µH и зависит от частоты ослабления ВЧ помех. Размеры сердечника и диаметр провода обмоток зависят от мощности (ИБП) с учетом пусковых токов.
R2,R3 — резисторы уменьшают добротность L1, L2 для устранения резонансных явлений.
RK1 – терморезистор (NTC термистор) предназначен для ограничения броска тока при включении (ИБП) в питающую сеть. Термистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры. Термисторы бывают двух типов: с положительным и отрицательным температурным коэффициентом. У термистора с положительным коэффициентом при повышении температуры сопротивление возрастает, а с отрицательным коэффициентом — уменьшается. Их сокращённые названия на английском языке: PTC (positive temperature coefficient) и NTC (negative temperature coefficient).
Термистор включается последовательно с одной из шин питания фазой (L) или нулем (N) питающей сети. NTC термистор, при температуре окружающей среды, имеет сопротивление в несколько Ом. В момент включения (ИБП) в питающую сеть, конденсатор выпрямителя заряжается, поэтому представляет собой короткозамкнутую нагрузку. В цепи питания происходит бросок тока, но термистор поглощает его, превращая в тепло. Далее термистор разогревается, его сопротивление падает почти до десятых долей Ома и он не влияет на работу устройства. Происходит так называемый мягкий пуск.
Термистор является инерционным элементом. Фактически при кратковременном отключении питания и повторном пуске, термистор не работает как элемент защиты, т.к. полностью восстанавливает свои свойства только через 5—10 мин. Температура термистора в рабочем состоянии, когда его сопротивления близкого к нулю, может доходить до 250 градусов.
R1 – резистор обеспечивает быстрый разряд конденсаторов СX при отключении сетевого кабеля от питающей сети и необходим для безопасного обращения с устройством.
FV1—разрядник предназначен для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. Разрядник состоит из электродов с искровым промежутком между ними и дугогасительного устройства. Один из электродов присоединяется к защищаемой цепи, другой — заземляется. Когда к такому устройству прикладывается высокое импульсное напряжение со скоростью около 1 кВ/мкс, возникает разряд. Чем меньше скорость нарастания фронта, тем выше должно быть напряжение, "зажигающее" разряд. Через такое устройство может проходить импульсный ток до 100кА. Несмотря на отличную способность снижать напряжение, разрядник имеет время реакции от сотен наносекунд до единиц микросекунд, что в десятки раз медленнее по сравнению с варисторами. Применение данных устройств актуально, где есть опасность прямого удара молнии в провода питающей сети или высоковольтных источниках питания, где есть вероятность попадания высокого напряжения на шины (L) или (N) питающей сети.
RU1 — варистор защищает цепи от импульсных бросков напряжения или увеличивает скорость срабатывания плавкого предохранителя. Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко изменяется при изменении приложенного напряжения выше номинального.
Варистор включается на входе сетевого фильтра параллельно входному сетевому напряжению 220В и фактически постоянно находится под этим напряжением, однако ток в этом состоянии через варистор очень мал т.к. его сопротивление в этом случае сотни МОм. В случае возникновения высоковольтного импульса напряжения способного вывести из строя (ИБП), варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление до десятков Ом, то есть шунтирует (закорачивает) цепь питания, ток в этом состоянии может достигать нескольких тысяч ампер, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла. Варистор не обладает инерцией, поэтому после поглощения импульса он мгновенно восстанавливает свои свойства.
Одного варистора может быть не достаточно в случае аварии на линии электроснабжения, когда вместо фазы и нуля по обоим проводам подали фазу. Для защиты от такого рода аварий целесообразно включать в схему нескольких варисторов, как показано на (рис.7).
Рис.7 Схема защитного треугольника на варисторах.
Эта схема из трех варисторов на входе сетевого фильтра надёжно блокирует проникновение импульса не только по фазовой цепи (L), но и по цепи нуля (N). Варистор RU1 подключается между фазой и нулевым проводником. Он осуществляет основную защиту. Два других RU2 и RU3 подключаются между фазой (L) и землей (Gnd), а так же между нулем (N) и землей (Gnd). Принцип работы RU2 аналогичен, описанному выше RU1. Варистор RU3 контролирует напряжение между нулем (N) и землей (Gnd). Если всё нормально, напряжения быть не должно или оно крайне мало (единицы вольт). В случае появления большого напряжения на проводе (N), как правило, фазы (L), варистор RU2 благополучно зашунтирует защищаемый блок.
VD1—защитный диод TVS (Transient Voltage Suppressor) или супрессор обеспечивает подфильтровку остаточных перенапряжений, которые пройдут через варисторы, без заметных выбросов на шину заземления. Так как емкость варисторов составляет не менее 1000пФ, то они не позволяют фильтровать высокочастотные выбросы выше 100МГц. В таких случаях лучшим решением является применение быстродействующего супрессор—диода. Принцип работы супрессора основан на ярко выраженной нелинейной вольтамперной характеристике. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа, то он перейдет в режим лавинного пробоя, т.е. импульс напряжения будет ограничен до нормальной величины, а излишки уйдут на землю (GND). Отличительной чертой супрессоров является очень короткое время реакции на превышение напряжения, скорость переключения лежит в пикосекундном диапазоне. Супрессоры выпускаются как несимметричные (однонаправленные), так и симметричные (двунаправленные). Симметричные могут работать в цепях с двухполярным напряжением, а несимметричные только с напряжением одной полярности. В маркировке супрессора 1.5КЕ400СА зашифрованы основные его характеристики. 1,5— Мощность 1500Вт; 400—напряжение пробоя 440В; С—двунаправленный (без буквы однонаправленный); А— допустимое отклонение напряжения 5%. Симметричный защитный диод 1.5КЕ440СА можно заменить двумя такими же однополярными (без индекса СА), включенным встречно. Для надежной защиты сетевого фильтра и входных цепей (ИБП) супрессоры включаются по схеме защитного треугольника, как и варисторы (рис. 7).
Для защиты от внешних индуктивных помех применяют экранирование, как всего (ИБП), так и отдельно сетевого фильтра. Экранирование выполняется за счет использования металлического корпуса, с обязательным соединением с шиной заземления. Это препятствует распространению излучаемых электромагнитных помех за пределы корпуса (ИБП), а так же подавляет внешние электромагнитные помехи, воздействующие на (ИБП).
Применение высокоэффективных индуктивно—емкостных помехоподавляющих фильтров позволяет обезопасить оборудование от вредного влияния входящих помех, а так же снизить исходящие помехи, которые генерируются внутри самого оборудования. Использование фильтров подавления (ЭПМ) — одно из основных требований по электромагнитной совместимости современного оборудования.
Компания Лазер—блок является производителем высоковольтных блоков питания для лазерных станков с СО2 излучателями. В выпускаемых нами блоках питания для лазерных станков, или как их еще называют, блоки розжига для лазера, мы используем только высококачественные электронные компоненты, которые закупаем со всего мира, а так же используем и отечественные аналоги, которые славятся своим запасом прочности. Наши инженеры постоянно проводят исследования в лаборатории, внося корректировки в схемы.
Импульсные источники питания завоевывают все большее жизненное пространство. Надежность их растет, и те недостатки, которые характерны для импульсных преобразователей энергии, с лихвой компенсируются их несомненными преимуществами. Сейчас они начинают применяться уже в тех областях, где традиционно использовались линейные источники питания.
Один из недостатков импульсных преобразователей энергии это то, что они являются источником высокочастотных помех, проникающих в первичную сеть переменного тока. Это, в свою очередь, может приводить к нестабильной работе другого оборудования, подключенного к той же фазе первичной сети, что и импульсный источник. В связи с этим, абсолютно любой блок питания должен иметь в своем составе входные помехоподавляющие цепи, обеспечивающие его защиту от помех из первичной сети, а также защиту первичной сети от высокочастотных помех импульсного источника. Кроме того, эти цепи могут выполнять функции по защите от высоких напряжений и больших токов.
Переменный ток сети на первом этапе преобразования должен быть выпрямлен с помощью диодного моста. На этот диодный мост переменный ток подается через сетевой выключатель, сетевой предохранитель, терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и помехоподавляющий фильтр. В подавляющем большинстве источников питания построение входных цепей одинаково, и такая типовая схема входных цепей приводится на рис.1.
Терморезистор с отрицательным ТКС служит для ограничения броска зарядного тока через конденсатор С5 в момент включения источника питания. При включении блока питания в начальный момент времени через диодный мост протекает максимальный зарядный ток конденсатора С5, и этим током может быть выведен из строя один (или более) диод выпрямителя. Так как в холодном состоянии сопротивление терморезистора составляет несколько Ом, ток через выпрямительные диоды моста ограничивается на безопасном для них уровне. Через некоторый промежуток времени в результате протекания через терморезистор зарядного тока С5 , он нагревается, его сопротивление уменьшается до долей Ома и больше не влияет на работу схемы. Такое решение проблемы ограничения броска зарядного тока при помощи элемента с нелинейной вольт – амперной характеристикой используется достаточно часто, так как схема при этом получается наиболее простой и дешевой по сравнению с другими вариантами. Кроме того, она обеспечивает минимальные потери и высокую надежность, что и обуславливает ее применение практически во всех блоках питания. Ограничительный терморезистор, как и всякий нагреваемый элемент, обладает тепловой инерцией. Это означает, что для того, чтобы он восстановил свои ограничительные свойства, после выключения блока питания из сети должно пройти некоторое время (порядка нескольких минут), то есть он должен остыть. При этом следующее включение блока питания произойдет так же с ограничением броска зарядного тока. И это является дополнительным условием, из-за которого настоятельно рекомендуется выждать одну-две минуты перед следующим включением источника питания после его выключения, хотя на практике часто встречаются ситуации, при которых необходимо выключить источник питания и тут же снова включить его.
Терморезисторы довольно часто выходят из строя при пробоях силового транзистора, пробоях диодов выпрямителя. Неисправности терморезисторов довольно очевидны, так как они перегорают обычно с физическими нарушениями корпуса, т.е. корпус элемента разламывается и на нем видны следы копоти. При перегорании терморезистора специалист, производящий ремонт, может применить несколько вариантов решения проблемы:
1) Заменить терморезистора на аналогичный – это наиболее оптимальное решение.
2) Заменить терморезистор обычным резистором малого сопротивления (несколько Ом) и большой мощности (порядка 5 Вт) – в этом случае такой резистор будет осуществлять ограничение тока через выпрямитель в течение всей работы блока питания, однако будет выделять довольно большое количество тепла.
3) Заменить терморезистор несколькими витками нихромовой проволоки – такой элемент будет выполнять общее ограничение тока, а витки будут способствовать плавному нарастанию тока. Однако стоит отметить, что такое решение нельзя назвать оптимальным, и лучше воздержаться от его применения.
4) Замена терморезистора перемычкой – такой способ ремонта не рекомендуется применять (а некоторые специалисты и категорически предупреждают от замены терморезистра перемычкой), однако в некоторых ситуациях это приходится делать. К тому же, если при ремонте пришлось заменить диоды выпрямителя и поставить более мощные (например, КД226), то, как показывает практика, зарядный ток для таких диодов не страшен и схема вполне работоспособна без терморезистора. Следует отметить, что ограничительный терморезистор некоторые производители размещают между "-" диодного моста и общим проводом первичной части (рис.2).
В некоторых источниках питания терморезисторы не используются, а применяются ограничительные резисторы большой мощности (обычно белого цвета и имеющие форму параллепипеда). Эти резисторы имеют номинал сопротивления, равный несколько Ом и мощность 5 – 10 Вт. Как уже отмечалось ранее, такой резистор обеспечивает ограничение тока не только в момент включения, а постоянно при работе источника питания. Поэтому на резисторе рассеивается достаточно большая мощность, и он очень сильно нагревается. Сетевой плавкий предохранитель FU 1 предназначен для защиты питающей сети от перегрузок, которые возникают при неисправностях сетевого выпрямителя или силового транзистора. Конструктивное изменение положения предохранителя при ремонте нежелательно, так как это может приводить к появлению сетевых электромагнитных помех. Входной помехоподавляющий фильтр обладает свойством двунаправленного помехоподавления, то есть предотвращает проникновение высокочастотных импульсных помех из сети в блок питания и, наоборот, из блока питания в сеть. Эти импульсные помехи могут иметь значительную амплитуду. Сетевые помехи имеют в основном промышленную основу и создаются аппаратурой дуговой и контактной сварки, силовой пускорегулирующей аппаратурой, приводными электродвигателями, медицинской аппаратурой и т.д. Генерируемые блоком питания помехи обусловлены, главным образом, импульсным режимом работы силового транзистора и выпрямительных диодов. Помехи, генерируемые и силовой сетью и блоком питания можно разделить на два типа: симметричные и несимметричные.
Симметричная (дифференциальная) помеха – напряжение между проводами питания. Эта помеха измеряется между двумя полюсами шин питания.
Несимметричная (синфазная) помеха – напряжение между каждым проводом и корпусом блока питания (рис.3).
Для анализа работы помехоподавляющего фильтра рассмотрим случай, когда симметричная помеха воздействует на схему блока питания.
ЭДС помехи приложена к входу источника питания между фазным и нулевым проводом со стороны сети. Конденсатор С1 представляет собой очень большое сопротивление для питающего тока сетевой частоты (50Гц), и поэтому этот ток через конденсатор С1 не ответвляется. Для импульсного высокочастотного тока помехи этот конденсатор, напротив, имеет очень малое сопротивление, и поэтому большая часть тока помехи замыкается через него. Однако одного конденсатора С1 оказывается недостаточно для полного подавления помехи. Поэтому далее включается двухобмоточный дроссель Т1 (нейтрализующий трансформатор), обмотки I и II которого имеют одинаковое число витков и намотаны на одном сердечнике. Направление намотки обеих обмоток согласное. Из этого следует, что полезный ток сетевой частоты, протекающий по обмоткам I и II в противоположных направлениях, будет создавать в сердечнике Т1 два равных встречно-направленных магнитных потока, взаимно компенсирующих друг друга. Поэтому независимо от величины потребляемого от сети тока сердечник Т1 не будет намагничиваться, а значит, индуктивность обеих обмоток будет максимальна. Несмотря на это, из-за того, что питающий полезный ток имеет низкую сетевую частоту, обмотки Т1 не будут оказывать ему сколько-нибудь значительного сопротивления. Высокочастотный же ток помехи будет задерживаться этим дросселем. При этом, благодаря трансформаторному исполнению, индуктивность каждой из обмоток Т1 возрастает на величину взаимной индуктивности. Это объясняется тем, что магнитные потоки от высокочастотного тока помехи точно также взаимно компенсируются, как и токи сетевой частоты. Поэтому сердечник Т1 не намагничивается, а магнитная проницаемость его максимальна. Если бы вместо Т1 в каждый провод включался бы обычный дроссель, то протекающий ток намагничивал бы сердечники этих дросселей, в результате чего их магнитная проницаемость была бы меньше, даже при том же количестве витков. Далее уже остаточная энергия помехи подавляется конденсатором С4, который замыкает через себя оставшуюся часть тока высокочастотной помехи, прошедшую через Т1. Однако основное назначение конденсатора С4 иное. Диодный выпрямитель ( D 1- D 4) также является генератором высокочастотных помех, что связано с импульсным характером тока через выпрямитель. Величина помех в основном зависит от свойств полупроводниковых диодов выпрямителя (крутизны вольтамперной характеристики, инерционности). Процесс восстановления обратного сопротивления диодов при переключении не является мгновенным, и при смене полярности приложенного напряжения через диоды протекают импульсные обратные токи, обусловленные рассасыванием избыточных носителей. Эти импульсные токи и являются помехами, генерируемыми сетевым выпрямителем. Конденсатор С4, включенный в диагональ диодного моста, замыкает через себя токи этих импульсных помех, препятствуя их проникновению в питающую сеть и нагрузку блока питания. Конденсаторы С2 и СЗ – обязательные элементы и предотвращают проникновение несимметричных импульсных помех в питающую сеть. Такие же конденсаторы могут устанавливаться и до дросселя, образуя таким образом симметричный фильтр (рис.4) . Для предотвращения проникновения несимметричных помех из силового преобразователя в нагрузку через общий провод вторичной стороны в некоторых блоках питания этот общий провод не имеет гальванической связи с корпусом блока питания, а подключен к нему через дополнительный фильтрующий конденсатор малой емкости. При таком включении большая часть тока импульсной помехи замыкается через этот конденсатор внутри схемы блока питания. На рис.5 таким конденсатором является С6 (4.7 n /3 kV ).
Следует отметить, что для разрядки конденсаторов сетевого фильтра после выключения блока питания из сети на выходе сетевого фильтра может включаться высокоомный резистор R 1 на рис.4. Включение такого резистора обусловлено требованиями техники безопасности при ремонте блока питания.
В современной схемотехнике во многих блоках питания по сетевому входу включается также варистор или динистор. Варистор – это нелинейный элемент, сопротивление которого зависит от приложенного к нему напряжения. Поэтому, пока сетевое напряжение не выходит за пределы допустимого, сопротивление варистора велико (десятки МОм), и он не влияет на работу схемы. При перенапряжении в сети варистор резко уменьшает свое сопротивление, и возросшим током через него выжигается плавкий предохранитель. Остальные элементы блока питания при этом остаются целыми. Сам варистор при этом обычно выходит из строя, что очень легко заметить – он чернеет, на окружающих его элементах – копоть и обычно варистор раскалывается. Достаточно часто для защиты источника питания от работы при повышенных напряжениях сети используется зенеровский диод, обозначаемый на схемах ZNR . Принцип работы его практически не отличается, т.е. если к нему прикладывается напряжение выше уровня его пробивного напряжения, то он “пробивается” и также выжигает плавкий предохранитель.
Маркировка варистора или зенеровского диода является достаточно простой. На корпусе тремя цифрами указывается номинал пробивного напряжения. Например, число 301 соответствует пробивному напряжению 300В (30 x 10 1 ), число 271 – напряжению 270В (27 x 10 1 ) и т.д.
В случае неисправного варистора или зенеровского диода установка нового предохранителя и повторное включение источника питания опять приводит к перегоранию предохранителя. Замену варистора или диода желательно производить на аналогичное изделие. Установка прибора с меньшим пробивным напряжением часто приводит его “пробою” при включении источника питания, т.к. именно в момент включения наблюдается большой скачок напряжения. Если установить прибор с большим значением пробивного напряжения, то в момент включения он не будет выходить из строя, однако и защищать источник питания он буде хуже. Возможен и такой способ решения проблемы, как полное удаление варистора (зенеровского диода) из схемы. Источник питания при этом будет запускаться без проблем, и предохранитель будет оставаться целым, однако, как, наверное, всем понятно, защита от повышенного напряжения сети будет отсутствовать. Такой способ решения проблемы стоит применять только в том случае, если вы уверены в хорошем качестве питающего напряжения и нет возможности найти аналогичную замену неисправному прибору.
