Экранировка блока питания: Импульсные источники питания с низким уровнем пульсаций и помех

Подавление помех от импульсных источников питания

Импульсные блоки питания в большинстве случаев создают основную электромагнитную «пелену» помех в полосе частот 1…100 МГц, т. е. во всех КВ-диапазонах и в начале УКВ. Дело осложняется и тем, что число таких блоков исчисляется сегодня десятками в одном жилище (компьютеры, мониторы, освещение, различные зарядные устройства и т. п.) и сотнями в одном доме — в ближней зоне КВ-антенны любительской радиостанции.

Даже если предположить идеальный случай — соответствие нормам на паразитное излучение всех близлежащих блоков питания, то сумма нескольких десятков паразитных полей явно будет выше нормы. И в своём КВ-приёмнике вы услышите массу паразитных сигналов, которые, по нерушимому закону «падающего бутерброда», окажутся на частоте DX. В реальности же среди десятков окружающих вас импульсных блоков питания найдутся и те, в которых фильтрация помех сделана плохо, а то и вовсе отсутствует. Один такой блок может закрыть возможность приёма во всей полосе КВ в радиусе десятков метров. Поэтому важно знать, как подавлять паразитное излучение кабелей импульсного блока питания, чтобы правильно дорабатывать существующие устройства и выбирать новые.

На рис. 1 приведена упрощённая схема импульсного блока питания. Точнее, узел преобразования напряжения показан предельно упрощённо, а вот цепи подавления помех, наоборот, полностью. И общий случай питания — от трёхпроводной (с отдельным проводом электротехнического заземления) розетки.

Рис. 1. Схема импульсного блока питания

Дроссели L1 и L2 подавляют синфазные помехи, идущие от блока питания и подключённого к нему устройства (например, трансивера с антенной) в сетевой провод и далее в линии электропитания. Обмотки дросселя L1 обычно имеют индуктивность около 30 мГн. Это основные элементы подавления помех в питающей сети. Поэтому они должны быть качественными и обладать высоким импедансом во всей подавляемой полосе, начиная от частоты переключения транзистора блока питания (десятки-сотни килогерц) до нескольких мегагерц.

А в ответственных случаях (чувствительные приёмники и их антенны рядом) — до десятков-сотен мегагерц. Один дроссель это сделать не может. Поэтому в таких случаях последовательно с L1 и L2 включают такие же дроссели, но с индуктивностью в 50…500 раз меньшей, чем указано на рис. 1. Эти дополнительные дроссели должны иметь высокую собственную резонансную частоту, чтобы эффективно подавлять верхние частоты требуемой полосы.

Конденсатор С1 подавляет низкочастотные дифференциальные помехи, идущие от блока питания в сеть. Высокочастотные синфазные помехи подавляют керамические конденсаторы малой ёмкости С2 и С3, включённые параллельно С1.

Но это не единственная функция С2 и С3. Они также замыкают синфазную составляющую импульсов переключения на корпус устройства.

Разберёмся с этим подробнее. На стоке силового транзистора присутствуют прямоугольные импульсы с размахом около 300 В (выпрямленное и отфильтрованное напряжение сети) с частотой несколько десятков-сотен килогерц. Фронты этих импульсов короткие (меньше микросекунды). Во время этих фронтов ключевой транзистор находится в активном режиме и греется, поэтому фронты стараются сделать короче. Но это расширяет полосу создаваемых помех. И всё равно в мощных блоках питания транзистор нагревается. Для охлаждения его закрепляют на теплоотводе, в качестве которого в некоторых случаях используют металлический корпус блока питания (про экранирование не забываем). Транзистор изолируют от корпуса прокладкой. Ёмкость стока на корпус может достигать нескольких десятков пикофарад.

А теперь посмотрим, что у нас получилось: транзисторный генератор прямоугольных импульсов с размахом 300 В через конденсатор в несколько десятков пикофарад (конструктивный между стоком охлаждаемого транзистора и корпусом устройства на рис. 1 показан штриховыми линиями) подключён к корпусам и блока питания, и питаемого им устройства. Мы считаем, что это корпус с нулевым потенциалом, а на самом деле там протекает большой ВЧ-ток через конструктивную ёмкость теплоотвода. Это приведёт к появлению большого синфазного тока (а значит, и помех) на корпусах всех устройств, подключённых к нашему источнику питания.

Чтобы такого не было, установлены конденсаторы C2 и С3. Фронты импульсов со стока транзистора, просочившиеся через конструктивную ёмкость теплоотвода, через эти конденсаторы и диоды моста (точнее, через диод, открытый в данный момент) замыкаются на исток транзистора. Этот путь для них оказывается проще, чем синфазно растекаться по корпусам.

Но проблемы с высоковольтными короткими фронтами импульсов на стоке силового транзистора не заканчиваются с установкой конденсаторов С2 и С3. Есть ещё одна паразитная ёмкость — между обмотками трансформатора (тоже показана на рис. 1 штриховыми линиями). Через неё импульсы тока поступают в выходную цепь блока питания. Сразу в оба провода, т. е. как синфазная помеха. Конденсатор С4 замыкает эти токи на исток транзистора, создавая им более лёгкий путь для протекания.

Конденсаторы С2-С4 оказываются включёнными между безопасными для человека цепями (выходами и корпусом источника) и силовой сетью 230 В. Для обеспечения безопасности людей номинальное напряжение этих конденсаторов делают очень высоким (несколько киловольт), а их конструкцию такой, чтобы в случае аварии они обрывались, а не замыкались. Конденсаторы, устанавливаемые на месте С2-С4, выпускаются как отдельный тип и называются Y-конденсаторами. Конденсаторы с маркировкой Y1 рассчитаны на импульсы напряжения до 8 кВ, Y2 — до 5 кВ.

С точки зрения подавления помех, ёмкость конденсаторов С2-С4 желательно иметь побольше. Но надо иметь в виду, что при двухпроводной сети (или обрыве провода заземления в трёхпроводной) выходы и корпус источника через конденсаторы С2-С4 оказываются соединёнными с сетевым фазным проводом. Поэтому их суммарная ёмкость должна выбираться так, чтобы ток частотой 50 Гц на корпус не превышал 0,5 мА (неприятно, но не смертельно). С учётом возможного максимального напряжения в сети, разброса, температурных уходов и старения получается не более 5000 пФ.

Рассмотрим теперь ошибки, допускаемые в фильтрации помех импульсных источников.

Иногда, для экономии, ставят только один из двух конденсаторов С2 или С3. Идея, на первый взгляд, кажется разумной: всё равно ведь они соединены параллельно через большую ёмкость конденсатора С1. Но на высоких частотах конденсаторы большой ёмкости совсем не являются коротким замыканием, а имеют заметный индуктивный импеданс. Поэтому такая экономия может привести к тому, что на десятках мегагерц (выше резонансной частоты С1, которая окажется невелика, поскольку это конденсатор большой ёмкости) заметно снизится подавление синфазного тока, протекающего на корпус.

Встречается отсутствие конденсатора С4 — или производитель решает, что можно С4 не устанавливать, так как в его трансформаторе ёмкость мала, или пытливый потребитель выкусывает, чтобы от источника не пощипывало током утечки 50 Гц через этот конденсатор. Внешними цепями эта проблема не лечится (хотя хороший внешний развязывающий дроссель по выходным цепям снижает остроту проблемы), надо ставить С4 на его законное место.

Отсутствие С2, С3 может быть допустимо, но только если выполняются все три следующих условия сразу: сеть двухпроводная, корпус блока питания не имеет контакта с корпусами питаемых устройств (пластмассовый, например), силовой транзистор установлен не на теплоотводе-корпусе. Если хотя бы одно из условий нарушено, С2 и С3 должны быть.

Установка перемычек вместо основного развязывающего дросселя L1 редко, но всё же встречается в дешёвых источниках плохих производителей. Экономят, видимо. Лечится это установкой нормального дросселя. В крайнем случае такой дроссель можно сделать, намотав сетевой шнур на большом ферритовом магнитопроводе.

Перемычка вместо L2 встречается, увы, часто, даже у приличных производителей. Видимо, полагают, что раз в двухпроводной сети этот дроссель не нужен (а там он действительно не требуется, току некуда течь), то без него можно обойтись и в трёхпроводной. Увы, нет, поскольку это открывает прямую дорогу в сеть для синфазных помех (и помех из сети на корпус). Исправляется установкой L2 в разрыв провода между разъёмом сети и платой. На худой конец допустим внешний дроссель на сетевом шнуре.

В завершение рассмотрим частую ошибку, которая относится не только к импульсным, но и ко всем блокам питания. Нередко слева (по рис. 1) от L1 устанавливают дополнительные конденсаторы, как показано на рис. 2. Они должны блокировать чужие помехи, идущие из сети в источник питания. Конденсатор С1 блокирует дифференциальные помехи и нам не мешает. А вот конденсаторы С2 и С3, замыкающие синфазные помехи в сетевых проводах на земляной провод, могут стать причиной соединения по ВЧ корпуса устройства и силовых (фазы и нуля) проводов сети. Это произойдёт, если среднюю точку С2 и С3 соединить с корпусом устройства, как показано штриховой линией красного цвета на рис. 2. Делать так нельзя (хотя печально, часто именно так и подключают). ВЧ синфазные помехи из сети пойдут через С2 и С3 на корпус устройства. И назад: синфазные токи устройства (например, трансивера с антенной) потекут в сеть. Правильное подключение средней точки С2 и С3 должно быть только к выводу заземления трёхпроводной розетки, но не к корпусу устройства, т. е. к левому выводу дросселя L2, как показано линией зелёного цвета на рис. 2.

Рис. 2. Схема блока питания

Если используется двухпроводная питающая сеть, то проверьте, нет ли в вашем блоке питания конденсаторов с проводов сети на корпус устройства. И если есть, удалите их, так как это прямая дорога для ВЧ синфазных токов из сети в ваше устройство и назад.

А если сеть трёхпроводная, то установите дроссель L2 между корпусом своего устройства и землёй сети (он разорвёт путь для синфазных токов между ними), а среднюю точку входных конденсаторов (С2, С3 по рис. 2) переместите на землю сети.

Сетевой фильтр, показанный на рис. 2 с конденсаторами С1-С3, является общим случаем для питания любых устройств, генерирующих радиочастотные помехи, например КВ-передатчиков.

Автор: Игорь Гончаренко (DL2KQ), г. Бонн, Германия

Правда и мифы о возможностях кабелей питания

Главная задача любого аудио и видео кабеля, неважно цифрового или аналогового, — доставлять актуальный аудио или видеосигнал от одного устройства к другому. Это необходимо, так как кабели является звеньями сигнальной цепи. Часто слишком много уделяется внимания влиянию характеристик кабеля на качество видео и аудио, но справедливости ради стоит отметить, что любой кабель в сигнальной цепи, т.е. использующийся для проведения сигналов, имеет, по крайней мере, потенциальную возможность оказать влияние на качество звука на аудио- или видео выходе вашей системы.

Кабели питания — совсем другое дело. Они никоим образом не участвуют в передаче сигналов, они просто передают питание от основного источника энергии к устройствам. Это, несомненно, важно, т.к. ни одно устройство не будет работать без кабеля питания. Но вопрос заключается не в том, насколько важным является кабель питания, а есть ли различия в производительности между правильно сконструированными кабелями. И ответ на этот вопрос простой: нет.

Как работает кабель питания

Правильно сконструированный кабель питания — необходимость, потому что некачественный кабель может привести к не оптимальной работе системы. Основное внимание требуется обратить на размер кабеля, и иногда совет заменить кабель питания на более толстый действительно может быть полезным и не понесет за собой значительных затрат.

Чтобы понять, насколько важен размер кабеля, опишем работу кабеля и блока, который он питает. Большинство схем, используемых в бытовой электронике, работают на напряжениях постоянного тока от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. В идеале, напряжение в линиях постоянного тока должно быть постоянным. Однако то электричество, которое попадает в нашу розетку, является переменным электрическим током. Переменный ток, подающийся в наши дома, меняет свое напряжение резко от момента к моменту. Такие изменения в идеале представляют синусоиду с частотой 50 Гц.

Очевидно, что схемы с постоянным током, где требуется чистое стабильное напряжение, не могут быть просто подключены к сети переменного тока. И устройства оснащаются блоком питания, который принимает переменный ток из розетки и преобразует его в нужное напряжение. Классическое и самое распространенное устройство блока питания состоит из трансформатора, выпрямителя и фильтра; в современных моделях добавляется еще регулятор напряжения. Ток поступает через специальный разъем и идет на трансформатор, который, как правило, представляет собой железное ядро с плотно намотанной вокруг него медной проволокой. Благодаря свойству индуктивности, энергия, проходя через обмотку трансформатора, индуцирует поле в других обмотках и вызывает протекание тока в них. В результате переменный ток из розетки превращается в переменный ток с необходимым напряжением.

Но это все еще переменный ток, непригодный для схем с постоянным током, но уже с нужным напряжением. Следующий шаг — пустить ток через выпрямитель, который обычно представляет собой набор диодов, действующих как односторонние клапаны для электрического потока. Конфигурация диодов, известная под термином «мостовой выпрямитель», позволяет «перевернуть» отрицательное напряжение в каждом цикле и превратить его в положительное напряжение, или, наоборот, по мере необходимости. Теперь вместо напряжения, которое колеблется от отрицательного до положительного через ноль, получается напряжение, которое колеблется от положительного к нулю и от нуля до положительного и так далее.

Выпрямленный ток по-прежнему не подходит для схем с постоянным током, где требуется постоянное напряжение. Поэтому следующий шаг — это фильтрация. Блок питания обычно имеет фильтр с конденсатором и дросселями.

К перечисленным компонентам блока питания может быть добавлен регулятор напряжения, который предназначен для предотвращения случаев, когда напряжение превышает определенные значения. Предполагая, что блок питания сконструирован правильно, мы получим пригодный для использования постоянный ток, что и требуют схемы используемых нами устройств.

Когда кабель питания становится негодным

Мало что может повредить кабель питания, но существует один момент, который, несомненно, имеет значение. Неподходящий по размеру кабель питания (имеется ввиду кабель недостаточного размера для существующего тока) может быть опасным, потому что он может перегреться и стать причиной пожара. Помимо угрозы жизни и здоровью, шнур неподходящего размера может также при определенных обстоятельствах влиять и на качество аудио сигнала.

Мы обычно думаем о напряжении, которое поступает на вход блока питания как о том же самом напряжении, которое подается к дому, на самом деле это не совсем так. Если провода в вашем доме являются суперпроводниками, то каждый метр проводки на пути создает небольшое сопротивление, в результате некоторая часть тока превращается в тепло. Для большинства устройств эти сопротивления в проводке являются несущественными и могут быть игнорированы. Тем не менее, в соответствии с законом Ома, энергия, путешествуя по цепи, потребляется элементами схемы в зависимости от их сопротивления. Устройства с высоким сопротивлением и низкой мощностью, такие как зарядное устройство сотового телефона, потребляют почти все небольшое количество энергии, текущей в цепи, но устройства с низким сопротивлением и высокой мощностью, такие как обогреватель, в силу своего низкого внутреннего сопротивления, могут стать причиной того, что часть энергии будет сжигаться в проводе. Когда это произойдет, изменится одно свойство схемы: напряжение на входе блока питания. Если напряжение тока составляет 220 вольт, а сопротивление устройства составляет 10 Ом, в то время как сопротивление провода равно 1 Ом, 1/22 от подводимой мощности будет сгорать в проводе, и блок питания получит не 220 вольт, а 210 вольт. Падение напряжения приводит к пропорциональному падению напряжения на выходе, что может вызвать некоторые проблемы.

Блок питания усилителя полагается на конденсатор фильтра, который держит достаточный заряд для обеспечения необходимого напряжения на выходе блока питания при низком входящем выпрямленном напряжении. Некоторые сигналы могут заставить проводить ток быстрее, например тяжелые басы. Предположим, что мы имеем плохо подобранный шнур питания и проигрываем музыку с тяжелыми басами через усилитель. Бас понижает уровень конденсатора, и блок питания пытается пополнить заряд. Однако, чем больше тока требуется блоку питания, тем меньше становится его сопротивление и с кабелем питания маленького размера это означает, что напряжение блока питания падает. Если падение напряжения достаточно велико, конденсатор фильтра не будет полностью заряжаться на следующем цикле высокого напряжения, а это означает понижение напряжение самого усилителя. Это явление будет происходить в прямой зависимости от количества громкого баса от того. А это значит, что бас теперь будет модулировать весь выход усилителя, что приводит в свою очередь к увеличению искажения интермодуляции.

Чтобы избежать такой ситуации, следует следить за следующими параметрами: достаточная емкость конденсатора фильтра, достаточный размер кабеля питания, наличие регулятора напряжения для остановки на нем колебаний напряжения. Но даже если учтены все эти факторы, кабель питания все равно может иметь негативное влияние на качество звука.

Как же решить эту проблему? Ответ заключается в применении кабеля достаточно большого размера. Но если и это не решит вопрос, значит, проблема заключается в конструкции самого блока питания, а тут уж не поможет никакой кабель. Откажитесь от экзотического дизайна, серебряных проводников, переплетенных проводов, экранирования, тефлона и тому подобного; нужно выбрать другой провод того же размера, потому что единственная проблема заключается в слишком большом сопротивлении кабеля.

Размер провода — это величина, основанная на площади поперечного сечения. Хотя некоторые источники указывают метрические размеры, обычно используется стандарт AWG (American Wire Gauge). Чем больше AWG, тем меньше размер провода. Например, провод 30 AWG в 10 раз больше по площади поперечного сечения, чем провод 40 AWG и в 10 раз меньше, чем провод 20 AWG. Так как сопротивление при постоянном токе прямо пропорционально площади поперечного сечения провода, шкала AWG говорит о том, что сопротивление провода 10 AWG будет в 10 раз меньше, чем сопротивление провода 20 AWG и так далее. Так как сопротивление преобразует электрическую энергию в тепловую, размер провода определяет для данного электрического потока сколько тепла рассеивает провод. И это очевидно имеет непосредственное отношение к электрической безопасности, потому что как только провод становится достаточно горячим, изоляция начинает деформироваться, плавится и даже гореть. Электрические коды определяют предел того, сколько тока может проводить кабель определенного размера, поскольку повреждение провода может привести к увеличению опасности удара электрическим током.

В статье мы ведем разговор о медных проводах, потому что медь является наиболее распространенным материалом, используемым в кабелях питания. Серебро обладает большей проводимостью, но проблематично при использовании в качестве кабеля питания, потому что является достаточно хрупким и дорогостоящим материалом; другие материалы, например, алюминий, используются реже, потому что обладают меньшей электропроводностью.

Соответственно, чем ниже значение AWG, тем меньше потерь будет нести кабель. Как говорилось выше, насколько важно влияние сопротивления будет зависеть от нагрузки.

Электрическая безопасность

Основное отличие кабелей питания от аудио и видео кабелей заключается в том, что кабели питания несут опасные напряжения и токи. Аудио соединение может нести одновольтовый сигнал, в то время как кабель питания несет переменный ток с напряжением в несколько сотен вольт, который может быть опасным для жизни человека.

Опасность для человека может быть не только непосредственной, но и как реальная потенциальная опасность возникновения пожара: короткое замыкание, искра, чрезмерная жара — могут стать причиной пожара. Поэтому так необходимо быть уверенным в безопасности кабеля питания.

Соответствие кабеля международному стандарту (UL listing) является лучшей рекомендацией. Это означает, что кабель не только произведен из соответствующих материалов, но и что его сборка соответствует нормам пожарной безопасности. Существует множество необычных кабелей, несоответствующих международному стандарту. Возможно, некоторые и соответствуют нормам, но производители не проводят соответствующее тестирование; другие же не тестируются как раз потому, что заведомо не смогут пройти тестирование. Иногда проблемы возникают из-за дизайна кабеля. Например, трудно создать экранированный кабель питания, который бы отвечал UL-стандарту, потому что экранирование приводит к снижению тепловыделения. Поэтому мы настойчиво рекомендуем использовать кабели питания, прошедшие UL-стандартизацию.

Так чего же ждут пользователи от нестандартных проводов?

Трудно описать все ожидания, связанные с кабелями питания, и некоторые ожидания настолько расплывчаты, что их трудно понять. Самое распространенное ожидание, которое имеет долю смысла, это понижение шумов. Обсудим ниже этот вопрос.

Снижение шума

Часто утверждается, что кабели питания класса high-end помогают подавлять шум, уменьшая системный шум и обеспечивая более чистый звук в силу экранирования или поворотной геометрии. Такие ожидания не учитывают два важных соображения. Во-первых, кабель питания редко является источником шума. И если усилитель обладает правильно сконструированным блоком питания, возможность получения шума от кабеля питания становится практически малореальной. Трансформатор, в частности, с его чрезвычайно высокой индуктивностью, как правило, выступает в качестве препятствия против высокочастотных помех. Во-вторых, даже если несколько-метровый кабель питания между розеткой и усилителем действует в качестве антенны, понижение шума в этих нескольких метрах не будет существенным. Между основным источником переменного тока и блоком питания усилителя расположены сотни метров проводов открытых пиний электропередачи. Так что экранирование и скручивание последних 5-6 метров кабеля, имеющие целью уменьшение шума, приносят незначительную разницу.

Если все-таки случается весьма нестандартная ситуация, когда высокочастотный шум как-то попадает в систему через точку входа питания, лучшим решением будет попытаться ликвидировать шум на входе, поставив ферритовый фильтр на внешней стороне кабеля питания вблизи усилителя. И опять же, это решение не потребует сколь либо значимых затрат.

Лучший звук

Кроме подавления шумов, часто встречаются ожидания от кабелей питания, что они влияют на улучшение звука. Подобные заявления очень трудно подтвердить, а силе внушения сложно сопротивляться — если слушатель убежден, что его кабель питания сделает звук более «последовательным», чтобы это ни означало, он и будет более «последовательным» для него во время использования данного кабеля. В данном случае эффективно экспериментальное двойное «слепое» тестирование, но аудиофильное сообщество весьма негативно относится к такому тестированию.

Как только получится добиться объективного тестирования, когда слушатель почувствуют разницу между двумя кабелями, не находясь под воздействием внушений производителей, следующим шагом станет инженерное изучение продукта для выявления физических причин улучшения качества звука. Без сомнения, если бы производители точно знали, как сконструировать кабель питания, который позволит улучшить звук любой системы, к которой он подключен, это был бы, конечно, лучший кабель питания в мире. Но сейчас есть веские причины сомневаться, что такой идеальный кабель существует или может существовать в природе.

Умение слушать — это то же, что и умение различать запахи и вкусы, что-то, что наш мозг делает с информацией, поступающей из внешнего мира. Наши уши сообщают мозгу именно то, что они слышат, но мозг может обрабатывать одну и ту же информацию по-разному. Наши ожидания, настроения, наша личность — все это влияет на наш опыт прослушивания музыки. И даже тренированный критически настроенный слушатель с трудом сможет различить какие-либо изменения. В результате, те, кто заинтересован в настоящем научно изолированном тестировании, применяют слепое тестирование. Например, компания Harman-Kardon инвестировала значительные средства в лаборатории по прослушиванию, которые действительно полезны для изучения таких вещей, как выбор акустики и ее размещение.

Заключение: относитесь проще

Понятно, что качественно сделанный блок питания получает ток, который поступает из розетки и что правильно сконструированный кабель с правильным размером не влияет на передачу тока. Это не означает, что кабель питания не имеет отношения к качеству аудио и видео в отдельных случаях, но для безупречной работы кабелю требуется не так уж и много. И на качество совершенно не влияют какие-то необычные конструкции и материалы кабеля.

На что нужно обратить внимание при выборе кабеля питания? Вот основные моменты:

Механическая надежность — надежная конструкция обеспечит безопасность

UL стандартизация — лучшая гарантия, что кабель сконструирован для противостояния опасным напряжениям и возможности возгорания при использовании его в допустимых нагрузках

Адекватный размер — кабель питания не должен вызывать значительных падений напряжения и обеспечит блок питания устройства необходимым током даже при пиковой нагрузке.

Ни один из этих параметров не должен делать кабель питания слишком дорогим. Если же вас убеждают в каких-то сверх способностях кабеля питания, стоит задуматься и выбрать что-то простое, надежное, правильного размера и по разумной цене.

Неэкранированные и экранированные силовые кабели: что вам нужно?

Электромагнитные помехи — одна из самых больших проблем, с которыми приходится сталкиваться электрическим кабелям. Поэтому важно иметь четкое представление о том, какие у вас есть варианты среди различных типов кабелей для уменьшения влияния помех. В этой игре есть два основных игрока: неэкранированные и экранированные силовые кабели. Узнайте, кто победит в споре о неэкранированном или экранированном силовом кабеле.

Экранированный кабель

Кабель этого типа содержит одну или несколько изолированных жил, заключенных в общий проводящий слой. Сам экран часто состоит из плетеных медных жил или слоя проводящего полимера. Оболочка закрывает экран, который может служить обратным путем для сигнала или экранирующим устройством.

Плюсы

1. снижает электрические помехи , создаваемые электромагнитными сигналами, не влияя на силу сигнала.

2. Помогает снизить уровень электромагнитного излучения , что может произойти. Это излучение, если ему позволить воздействовать на близлежащие машины в течение длительного периода времени, может привести к поломке системы.

3. Он также минимизирует емкостно-связанные шумы , исходящие от других источников электроэнергии. Этот шум может быть постоянным источником раздражения для находящихся поблизости работников и даже может снижать производительность.

4. Что наиболее важно, кабель помогает защитить высоковольтные кабели с твердой изоляцией. Сами кабели могут страдать от пагубных последствий постоянных скачков высокого напряжения, если экран внутри кабеля не защищает их.

5. Экранированные кабели, как правило, рассчитаны на более длительный срок службы и выдерживают большую нагрузку, чем неэкранированные кабели. Вот почему они являются предпочтительным выбором для промышленного и заводского использования.

Минусы

1. Они тяжелее, жестче и более склонны к поломке , чем неэкранированные кабели. Почему? Потому что требуется гораздо больше усилий, чтобы носить их с собой и настраивать. Вот почему экранированные кабели обычно устанавливаются обученными профессионалами, которые знают, как с ними обращаться.

Неэкранированные кабели

Как следует из названия, кабели этого типа не имеют экранирования. Они часто используются для офисных локальных сетей и других типов сетевых кабельных систем.

Плюсы

1. Модель более легкая, тонкая и гибкая, чем модель , чем их экранированные аналоги. Это означает, что неэкранированные кабели легче использовать в непромышленных условиях.

2. Они дешевле в производстве , и как следствие дешевле и в покупке. Конечно, многое зависит и от качества. Качественный неэкранированный кабель может прослужить вам долгие годы, в то время как аналогичный кабель низкого качества может сломаться в течение нескольких месяцев.

3. Их проще устанавливать и обслуживать, чем экранированные кабели. Если сравнивать простоту монтажа, то даже неподготовленным специалистам несложно настроить неэкранированные кабели.

Минусы

1. Они обеспечивают меньшую защиту от электромагнитных помех . Это означает, что они менее полезны в заводских условиях с интенсивным использованием электричества.

2. Неэкранированные кабели не могут выдерживать такое сильное напряжение , как экранированные кабели.

Если вы пытаетесь выбрать между неэкранированными и экранированными силовыми кабелями, силовые кабели Almor помогут вам сделать правильный выбор! Отправьте нам чертежи вашей системы, и мы отправим вам образцы для тестирования в течение нескольких рабочих дней.

Как экранирование может помочь минимизировать шумы

Введение

Сосуществование оборудования различных технологий и неадекватность установок способствуют излучению электромагнитной энергии и часто вызывают проблемы с электромагнитной совместимостью.

Электромагнитные помехи – это энергия, которая вызывает нежелательную реакцию любого оборудования и может быть вызвана искрением на щетках двигателя, переключением цепей напряжения, включением индуктивных и резистивных нагрузок, включением выключателей, автоматических выключателей, люминесцентных ламп, нагревателей, автомобильных зажиганий, атмосферные разряды и даже электростатические разряды между людьми и оборудованием, СВЧ-устройствами, средствами мобильной связи и т. д. Все это может спровоцировать изменения с вытекающими отсюда перегрузками, пониженными напряжениями, пиками, переходными процессами напряжения и т. д., которые могут оказывать сильное воздействие на сеть связи. . Это очень распространено в промышленности и на заводах, где электромагнитные помехи довольно часты в связи с более широким использованием машин, таких как сварочные инструменты, двигатели (MCC), а также в цифровых сетях и компьютерах поблизости от этих областей.

Самой большой проблемой, вызванной электромагнитными помехами, являются случайные ситуации, которые медленно ухудшают работу оборудования и его компонентов. Многие различные проблемы могут быть вызваны электромагнитными помехами на электронном оборудовании, такими как сбои связи между устройствами одной и той же сети оборудования и / или компьютерами, аварийные сигналы, выдаваемые без объяснения причин, действия на реле, которые не следуют логике, без команды, в дополнение к сгоранию электронные компоненты и схемы и т. д. Очень часто возникают шумы в линиях электропитания из-за плохого заземления и экранирования или даже ошибки в проекте.

Топология и распределение проводки, типы кабелей, методы защиты являются факторами, которые необходимо учитывать для сведения к минимуму воздействия электромагнитных помех. Имейте в виду, что на высоких частотах кабели работают как передающая система с перекрещивающимися и путающимися линиями, отражают и рассеивают энергию от одной цепи к другой. Держите соединения в хорошем состоянии. Неактивные разъемы могут вызвать сопротивление или стать детекторами радиочастот.

Типичным примером того, как электромагнитные помехи могут повлиять на работу электронного компонента, является конденсатор, подвергающийся воздействию пикового напряжения, превышающего указанное номинальное напряжение. Это может привести к повреждению диэлектрика, ширина которого ограничена рабочим напряжением конденсатора, что может создать градиент потенциала ниже диэлектрической жесткости материала, что приведет к неисправности и даже к возгоранию конденсатора. Или, все же, токи поляризации транзистора могут изменяться и вызывать их насыщение или обрыв, или сжигание его компонентов за счет эффекта джоуля, в зависимости от интенсивности.

В измерениях:

• Не проявляйте небрежности, неосмотрительности, безответственной неопытности или некомпетентности в технических вопросах.
• Помните, что у каждой установки и системы есть свои особенности безопасности. Ознакомьтесь с ними перед началом работы.
• По возможности обращайтесь к физическим нормам, а также к технике безопасности для каждой зоны.
• При проведении измерений соблюдайте осторожность, избегая контакта между клеммами и проводкой, так как высокое напряжение может привести к поражению электрическим током.
• Чтобы свести к минимуму риск потенциальных проблем, связанных с безопасностью, соблюдайте стандарты безопасности и местные секретные области, регулирующие установку и эксплуатацию оборудования. Эти стандарты варьируются в зависимости от региона и постоянно обновляются. Пользователь несет ответственность за определение правил, которым следует следовать в своих приложениях, и гарантирует, что каждое устройство установлено в соответствии с ними.
• Неправильная установка или использование оборудования в нерекомендуемых приложениях может повредить производительность системы и, следовательно, процесс, а также стать источником опасности и несчастных случаев. Поэтому для выполнения работ по установке, эксплуатации и техническому обслуживанию привлекайте только обученных и квалифицированных специалистов.

Довольно часто надежность системы управления ставится под угрозу из-за ее некачественного монтажа. Обычно пользователи терпят их, но при внимательном рассмотрении обнаруживаются проблемы, связанные с кабелями, их прокладкой и укладкой, экранированием и заземлением.

Чрезвычайно важно, чтобы каждый вовлеченный человек знал и осознавал и, кроме того, был привержен эксплуатационной надежности установки и личной безопасности. В этой статье содержится информация и советы по заземлению, но в случае сомнений преимущественную силу всегда имеют местные правила.

Контроль шума в системах автоматизации жизненно важен, так как он может стать серьезной проблемой даже при использовании лучших устройств и оборудования для сбора данных и работы.

Любая промышленная среда имеет электрические помехи в источниках, включая линии электропередач переменного тока, радиосигналы, машины и станции и т. д. фильтры и дифференциальные усилители могут контролировать шум в большинстве измерений.

Преобразователи частоты имеют системы коммутации, которые могут генерировать электромагнитные помехи (ЭМП). Их усилители могут излучать значительные электромагнитные помехи на частотах от 10 до 300 МГц. Скорее всего, этот коммутирующий шум может создавать помехи в соседнем оборудовании. Хотя большинство производителей предпринимают в своих проектах надлежащие меры предосторожности, чтобы свести к минимуму этот эффект, полной невосприимчивости достичь невозможно. Таким образом, некоторые методы компоновки, проводки, заземления и экранирования вносят значительный вклад в эту оптимизацию.

Снижение электромагнитных помех сведет к минимуму первоначальные и будущие эксплуатационные расходы и проблемы в любой системе.

В этой статье показано, как можно минимизировать шумы с помощью экранирования. Разберемся с емкостной связью.

Емкостная связь

Если шум вызван электрическим полем, экран эффективен, так как Q2 не будет внутри закрытого и заземленного корпуса.

Рис. 1. Нагрузка Q1 не создает нагрузки в закрытом и заземленном металлическом корпусе.

Связь электрического поля моделируется как емкость между двумя цепями (см. рис. 2). На рис. 3 показана физическая модель.

Рисунок 2 — Цепь, эквивалентная емкостной связи

. Рисунок 3 — непристойное физическое представление.0083

Эквивалентная емкость Cef прямо пропорциональна площади действия электрического поля и обратно пропорциональна расстоянию между двумя цепями. Следовательно, за счет расширения разделения или сужения области влияние CEF будет сведено к минимуму, а емкостная связь не будет слишком сильно влиять на сигнал. Это эффект емкости между двумя телами с электрическими нагрузками, разделенными одним диэлектриком, называется эффектом взаимной емкости.

Уровень емкостной связи пропорционален частоте и амплитуде шумового сигнала.

Эффект электрического поля пропорционален частоте и обратно пропорционален расстоянию.

Уровень помех зависит от колебаний напряжения (dv/dt) и значения емкости связи между «возмущающим кабелем» и «кабелем-жертвой».

Емкость связи увеличивается с:

• Инверсия частоты: потенциал емкостной связи увеличивается с увеличением частоты (емкостное реактивное сопротивление, рассматриваемое как сопротивление емкостной связи, уменьшается в соответствии с частотой и может быть видно в XC = 1/2πfC ) формула.
• Расстояние между мешающим и пострадавшим кабелями и длина параллельных кабелей.
• Высота троса относительно плана отсчета (относительно земли).
• Входное сопротивление цепи-жертвы (наиболее уязвимы цепи с высоким входным сопротивлением).
• Изоляция кабеля-жертвы (εr изоляции кабеля), в основном в сильно связанных парах кабелей.

Влияние может быть уменьшено надлежащим использованием экрана, который будет работать как экран (клетка Фарадея). Экран должен быть размещен между проводниками с емкостной связью и заземлен только в одной точке, рядом с источником сигнала. См. рис. 5. На рис. 4 показано неадекватное состояние, при котором контурный ток циркулирует через экран.

Рисунок 4 – Неправильное использование экрана, заземление более чем в одной точке.

Рисунок 5 – Неадекватное использование экрана, заземление только в одной точке.

Меры по уменьшению эффекта емкостной связи

• Ограничение длины параллельного кабеля
• Увеличьте расстояние между мешающим кабелем и кабелем-жертвой.
• Заземлите один из концов экранов на обоих кабелях
• Уменьшить dv/dt мешающего сигнала, по возможности увеличив время нарастания сигнала (уменьшить частоту сигнала)
• По возможности защищайте проводник или оборудование металлическим материалом (фарадеевский экран). В идеале нужно покрыть сто процентов защищаемой части и заземлить этот экран, чтобы паразитная емкость между проводником и экраном не работала как еще один источник питания или элемент перекрестных помех. На рис. 6 показаны помехи между кабелями, емкостная связь которых между кабелями вызывает переходные процессы напряжения (электростатические наводки). В этой ситуации ток помех отводится на землю через экран, не влияя на уровни сигнала.

Рисунок 6 — Вмешательство между кабелями: емкостная связь индуцирует переходные процессы напряжения (электростатические пикапы )

На рисунке 7 показан пример защиты против.

  Рисунок 7 – Пример защиты от переходных процессов (наилучшее решение от тока Фуко)

 Как уменьшить электростатические помехи:

• Надлежащее заземление и экранирование              
• Оптическая изоляция              
• С помощью заземленных металлических воздуховодов и коробок

На рис. 8 показана емкость связи между двумя проводниками, разнесенными на расстояние D.

Рисунок 8 – Емкостная связь между проводниками на расстоянии D

Экранирование

Заземление и экранирование являются обязательными для обеспечения целостности данных предприятия. На практике очень часто обнаруживают прерывистую работу и грубые ошибки в измерениях из-за плохой установки.

Шумовые эффекты могут быть уменьшены с помощью соответствующего проекта, установки, распределения кабелей, заземления и экранирования. Неправильное заземление может быть источником нежелательных и опасных потенциалов, которые могут ухудшить эффективную работу оборудования или самой системы.

Экран должен быть подключен к сигналу опорного потенциала, который он защищает (см. рис. 9).

Рисунок 9 – Экранирование, подключенное к опорному потенциалу сигнала, который он защищает

10.

Рисунок 10 – Многосегментный экран, подключенный к опорному потенциалу сигнала, который он защищает

Экранирование и заземление в одной точке

В этом случае ток не будет циркулировать по петле и не нейтрализует электрические поля.

Длина проводника, выходящего из экрана, должна быть уменьшена, чтобы гарантировать хорошее соединение экрана с землей.

Рис. 11. Эффект экранирования и заземления в одной точке

Эффект экранирования и заземления в двух точках

Токи распределяются в зависимости от их частот, поскольку они следуют по пути с наименьшим импедансом.

До нескольких кГц: индуктивное сопротивление незначительно, и ток будет течь по пути с наименьшим сопротивлением.

Выше кГц: преобладает индуктивное сопротивление, и ток будет циркулировать по пути с наименьшей индуктивностью.

Путь с наименьшим импедансом – это тот, обратный путь которого находится рядом с обратным путем, поскольку он имеет наибольшую распределенную емкость и наименьшую распределенную индуктивность.

Длина проводника, выходящего из экрана, должна быть уменьшена, чтобы гарантировать хорошее соединение экрана с землей.

Рисунок 12 — Эффект экранирования против заземления в двух точках

Стоит упомянуть:

• . Не существует защиты от гостей земли.
• Возможность значительного повреждения активного оборудования, когда разность потенциалов земли между обоими концами превышает 1 В (среднеквадратичное значение).
• Электрическое сопротивление заземления должно быть минимально возможным на обоих концах сегмента, чтобы свести к минимуму контуры заземления, в основном на низких частотах.

Экранирование кабеля используется для устранения помех емкостной связи, вызванных электрическими полями.

Экранирование эффективно только в том случае, если оно создает низкоимпедансный путь к земле.

Плавающий экран не защищает от помех.

Шлейф экрана должен быть подключен к опорному потенциалу (земле) экранируемой цепи.

Заземление экрана более чем в одной точке может быть проблематичным.

Минимизируйте длину опорного соединения экрана, поскольку оно работает как катушка.

Рис. 13. Эталонная длина экрана должна быть уменьшена, поскольку он работает как катушка.

Электрические поля гораздо легче экранировать, чем магнитные поля, и использование экранирования в одной или нескольких точках работает против электрических полей.

Использование немагнитных металлов вокруг проводников не защищает от магнитных полей.

Ключом к магнитному экранированию является уменьшение площади контура. Используйте витую пару или возврат тока через экран.

Для предотвращения излучения на проводник обычно используется заземленный экран с обеих сторон выше частоты среза, хотя следует принять некоторые меры предосторожности.

Только ограниченное количество магнитных помех может быть экранировано из-за образования контура заземления.

Любое экранирование, проводящее шумовой ток, не должно быть частью сигнального тракта.

Используйте экранированный витой кабель или трехосный кабель на низких частотах.

Эффективность экранирования витого кабеля увеличивается с увеличением количества витков.

Заключение

В следующих статьях мы увидим подробности об индуктивной связи. Каждый проект автоматизации должен учитывать стандарты, гарантирующие адекватные уровни сигнала, в дополнение к безопасности, требуемой приложением. Рекомендуется ежегодно проводить профилактическое техническое обслуживание и проверять каждое соединение системы заземления, которое должно гарантировать качество каждого соединения в отношении прочности, надежности и низкого импеданса. Убедитесь в отсутствии загрязнений и коррозии.

Эта статья не заменяет стандарты NBR 5410, NBR 5418, IEC 61158 и IEC 61784, а также профили PROFIBUS и технические руководства. В случае расхождений или сомнений преимущественную силу имеют стандарты IEC 61158 и IEC 61784, а также профили, технические руководства и руководства производителя. По возможности обращайтесь к EN50170 за физическими нормами, а также за правилами техники безопасности в каждой области.

Библиографические ссылки

• Технические статьи  — César Cassiolato
• www.system302.com.br
• www.smar.com.br
• http://www.smar.com/brasil2/artigostecnicos/
• http://www.electrical-installation.org/wiki/Coupling_mechanisms_and_counter-measures
• Национальные заметки по применению 25: Полевая проводка и соображения по шуму для аналоговых сигналов — Сайед Джаффар Шах
• Заземление, экранирование, помехи и советы по установке — César  Cassiolato
• Использование металлических воздуховодов для минимизации токов Фуко в установках PROFIBUS — César  Cassiolato
• Шумы и помехи в установках PROFIBUS — Сезар Кассиолато
• http://www.