Как устроены и работают сетевые фильтры

Сетевые помехи, как они возникают. Устройство сетевого фильтра, назначение его элементов. Особенности сетевых фильтров.

Теория вопроса

Переменный ток в бытовой сети является синусоидальным. Это означает, что изменение напряжения, а, следовательно, и тока, происходят по синусоиде, то есть по плавной дуге, симметрично колеблющейся вокруг оси времени. За одну секунду напряжение в розетке меняет свое значение от +310 до -310 вольт пятьдесят раз. Так по идее работает сеть переменного тока 220 вольт 50 герц.

Однако если мы посмотрим на осциллограмму напряжения в нашей розетке, то убедимся, что до идеала ей совсем далеко. Какая там синусоида!? Непрерывные пики, импульсы, искажения формы, изменения амплитуды, броски и скачки – вот что мы увидим. Все это очень портит картину и способно вывести из строя бытовую технику. Последнее, прежде всего, относится к музыкальным центрам, телевизорам, блокам питания радиотелефонов и других устройств.

Причин для искажения синусоиды напряжения питающей сети есть очень много. Это включение-выключение мощных электроприемников, атмосферные перенапряжения, короткие замыкания по высокой стороне трансформаторной подстанции, а также различные сложные переходные процессы.

Из курса математики известно, что любую сложную функцию можно представить в виде сходящегося тригонометрического ряда Фурье. Это означает, что наша искаженная синусоида – это просто сумма других, самых разных синусоид, каждая из которых имеет свою частоту и амплитуду. А нам для безопасной и надежной работы нашей бытовой техники нам нужно оставить только одну синусоиду – с амплитудой в 310 вольт и частотой 50 герц. Все остальные синусоиды или, как принято говорить, гармоники нам надо подавить, разрядить и не пропустить к электроприемнику.

Кроме этого, есть еще и особый вид апериодических помех, которые не поддаются ни прогнозированию, ни описанию при помощи математических функций. Это импульсные броски напряжения – очень кратковременные, но значительные его возрастания. Они могут возникнуть абсолютно в любой момент времени и, разумеется, тоже не идут на пользу бытовой технике. Поэтому импульсные помехи тоже необходимо подавить.

Для решения этих двух задач и используются сетевые фильтры . Они защищают оборудование от высокочастотных, низкочастотных и импульсных помех в сети. Но как они работают?

Устройство сетевого фильтра

Если сопротивление резисторов никак не зависит от рода тока, проходящего через них, то реактивное сопротивление таких элементов цепи, как емкость и индуктивность находится в прямой зависимости от частоты тока. Например, сопротивление катушки индуктивности резко возрастает для токов большой частоты.

Это свойство индуктивности как раз и используется в сетевых фильтрах для подавления высокочастотных помех – синусоид с маленькими периодами. Достаточно разместить последовательно нагрузке две катушки – в нулевой и в фазный проводник. Индуктивность каждой может быть примерно 60-200 мкГн.

Низкочастотные помехи могут гаситься активным сопротивлением катушек индуктивности, или отдельными резисторами, которые также располагаются последовательно нагрузке. Сопротивление таких резисторов не должно быть большим, иначе на них будет иметься существенное падение напряжения. Поэтому резисторы для подавления низкочастотных помех должны иметь сопротивление максимум 1 Ом.

Однако наиболее эффективными против сетевых помех являются фильтры, которые носят условное название LC. Они не ограничиваются одними лишь катушками индуктивности , а включают в себя конденсатор емкостью 0,22 – 1,0 мкФ, включенный параллельно нагрузке. Номинальное напряжение конденсатора должно быть выбрано хотя бы с двукратным запасом относительно напряжения сети, чтобы учесть перепады этого напряжения.

Действие фильтров LC напрямую связано с двумя законами коммутации: катушка L подавляет резкие изменения тока, а конденсатор С гасит высокочастотные колебания напряжения.

Но у нас остаются еще и импульсные кратковременные помехи. С ними можно справиться с помощью особого полупроводникового элемента, имеющего нелинейную вольт-амперную характеристику – варистора. На низком напряжении варистор ведет себя как резистор очень большого сопротивления и ток практически не пропускает. Но если напряжение возрастает до уровня номинального для варистора, то его сопротивление резко снижается – он пропускает через себя импульс тока.

Таким образом, если варистор включить в параллель нагрузке, то он будет «брать на себя» импульсы высокого напряжения, шунтируя нагрузку на время их воздействия. Номинальное напряжение варистора при этом должно быть около 470 вольт.

Итак, сетевой фильтр для более-менее успешной работы должен содержать в себе: две катушки индуктивности 60-200 мкГн, включенные последовательно защищаемой нагрузке, а также варистор на 470 вольт и конденсатор на 0,22 – 1,0 мкФ, включенные параллельно . При необходимости в цепь можно включить и резисторы для подавления помех низкой частоты на 1 Ом максимум. Токовый номинал элементов цепи нужно подбирать в зависимости от мощности нагрузки.

Практика

Подавляющее большинство дешевых сетевых фильтров, знакомых нам в быту, на поверку сетевыми фильтрами не являются . Они содержат в своем составе только варистор и биматаллический контакт для максимально-токовой защиты.

Но такие фильтры легко поддаются доработке, если вооружиться паяльником и собрать все необходимые перечисленные элементы для сборки контура LC.

Мощность большинства сетевых фильтров невелика. Это связано с тем, что катушки индуктивности и прочие элементы фильтра для большой нагрузки будут слишком громоздки и дороги. Зачастую для электроприемников большой мощности вообще можно использовать только фильтры, являющиеся полупроводниковыми преобразователями. И цена таких фильтров будет значительно выше, также как и сложность их устройства.

К счастью, мощные бытовые электроприемники не нуждаются в защите от сетевых помех. И плите, и утюгу, и чайнику совершенно нет никакого дела до качества электроэнергии, которую они получают. Поэтому и сетевые фильтры им не нужны.

А компьютеры, телевизоры, музыкальные центры потребляют очень мало энергии, и для их защиты достаточно отдельного сетевого фильтра с номинальным током всего в несколько ампер.