Схемы сетевого фильтра 220 вольт для потребителей двухпроводной и трехпроводной сети

Зачем нужен сетевой фильтр: краткое пояснение

Само название этой электронной схемы объясняет ее назначение. Слово «фильтр» указывает на отсеивание вредных помех, а «сетевой» — определяет их источник.

Другими словами, весь электрический мусор, поступающий из сети питания, отсеивается на входе нашего устройства и не влияет на качество работы бытового прибора. Основной же сигнал сети 220 вольт с частотой 50 герц беспрепятственно проходит через фильтр.

Электромагнитные помехи в сети появляются спонтанно, предугадать их появление невозможно. Даже простое включение лампы накаливания формирует начальный бросок тока, создающий зону переходных процессов.

Подключение электродвигателей холодильника, стиральной или посудомоечной машины связано с изменением индуктивного сопротивления. Ток такого включения может превышать в десятки и более раз номинальную величину нагрузки.

При этом в сети создается значительная «просадка» напряжения. А далее следует его всплеск, формирующий высоковольтные помехи.

Эти процессы протекают кратковременно. Во времена пользования аналоговой бытовой техникой они особого вреда не причиняли, а в аудио и видео аппаратуру встраивали простейшие фильтры, отлично выполняющие свои функции.

Они надежно сглаживали все эти быстрые провалы и пики напряжения своей конструкцией, предотвращая их попадание к чувствительной электронной схеме.

Важно понимать, что фильтр работает исключительно с кратковременными провалами и пиками входного сигнала. Если же подобный процесс немного затянется, то здесь нужно другое устройство — стабилизатор напряжения.

Какой вред наносят электромагнитные помехи

1. Напряжение кратковременных импульсов накладывается на основной сигнал питания сети 220. При этом в точке амплитуды может возникнуть перенапряжение, способное прожечь рабочий слой изоляции или повредить электронный компонент.
2. Проникающие внутрь слаботочных цепей посторонние сигналы искажают работу звукозаписывающих или звуковоспроизводящих устройств, видеотехники, телеприемников, дорогой цифровой аппаратуры.
3. Специальная техника позволяет через электромагнитные шумы, передающиеся по нулевому проводнику, проложенному вне квартиры, получать доступ к конфиденциальной информации.

Чтобы надежно бороться с помехами необходимо знать особенности своей бытовой сети.

Основные эксплуатационные характеристики фильтров, которые важно знать

Борьба с электромагнитными помехами из сети выполняется разными способами. Популярными являются экранизация и использование электронных компонентов.

Какой корпус эффективнее борется с помехами

Отличительной чертой качественных изделий является закрытый металлический экран, исключающий прохождение и наводку посторонних электромагнитных сигналов. Его подключают на контур заземления.

В советское время на нем указывали схему внутренних соединений и технические характеристики изделия.

Такой корпус может изготавливаться общим для всего устройства, как делается у микроволновки или системного блока компьютера.

Многочисленные современные модули, выпускаемые для фильтрации помех из бытовой сети, имеют обычный пластиковый кожух.

Они лишены возможности защиты от внешних наводок и посторонних излучений.

К тому же часто маркетологи называют обычные удлинители сетевым фильтром, что не совсем правильно. При этом используется их внешнее сходство.

Конструктивные особенности и электрические характеристики, улучшающие условия фильтрации

Наличие выключателя

Маркетологи обращают на него внимание, показывая небольшие удобства в пользовании. Его же ставят на обычных удлинителях.

Однако на этом его роль и заканчивается. Он просто позволяет отключать или подавать питание потребителям без выдергивания вилки из розетки. Эта функция бывает полезна, когда розеточный блок закрыт мебелью, а доступ к нему затруднен.

Допустимый ток нагрузки

Рекомендую обращать пристальное внимание на электрические характеристики, заявленные производителем. Их необходимо обязательно соблюдать.

Ток нагрузки, например, 10 ампер, приведенный на корпусе, составляет максимальное потребление всех подключенных устройств. Превышать его нельзя, ибо внутренняя схема перегреется, возникнут повреждения изоляции.

Здесь важно учитывать, что в такой закрытой конструкции толщина многожильного провода из меди не превышает 1 мм квадратный.

Таким же сечением выполнены дроссели, выполняющие роль индуктивного сопротивления.

При подключении к розеткам фильтра потребителей необходимо рассчитывать общий ток нагрузки. Довольно часто возникает ситуация, что включать параллельно с работающим компьютером пылесос или чайник недопустимо.

В руки отдельных пользователей могут попасть фильтры, выпущенные в странах с напряжением 100 или 110 вольт (например, США, Япония). У них другие контактные разъемы.

Но их замена на наш стандарт не позволит использовать такие устройства в нашей проводке. Всю внутреннюю схему необходимо переделывать, а это затратнее, чем приобрести новый блок.

Основные электронные компоненты внутренней схемы

Защита варисторами

Уже в самых дешевых конструкциях используется один варистор. Он стоит на входе между потенциалами фазы и нуля. При нормальном напряжении сети он имеет очень высокое электрическое сопротивление и ничем не мешает работе схеме.

Когда же из сети приходит остаточный импульс перенапряжения, не до конца погашенный устройствами УЗИП, то внутреннее сопротивление варистора резко снижается.

За счет этого через него по закону Ома начинает протекать большой ток, преобразующийся в тепловую энергию, а в схему поступает только допустимый уровень напряжения.

Для трехпроводной проводки используются три варистора. Они включаются для устранения дифференциальных и синфазных помех напряжения.

Индуктивности и конденсаторы в высокочастотной схеме

В конструкции в/ч фильтра используется зависимость емкостного и индуктивного сопротивления от частоты сигнала.

Обычные 50 герц легко проходят через индуктивность. Для помехи же высокой частоты здесь создается большое сопротивление. Поэтому обмотки катушек включают последовательно с проводниками. Их делают таким же сечением, как основной провод.

Конденсаторы же подключают параллельно дифференциальным и синфазным помехам. Емкостное сопротивление имеет обратную зависимость от частоты сигнала. Оно шунтирует высокочастотное напряжение.

Особенности работы ферритового кольца

На концах кабеля в нескольких сантиметрах от разъема полезно разместить ферритовый фильтр, как делается на блоке питания ноутбука.

Такой пассивный элемент в виде цельного или составного цилиндрика подавляет проходящие по кабелю в/ч помехи своим индуктивным сопротивлением.

При этом, в зависимости от состава материала и марки ферритового кольца происходит:

• отражение части высокочастотной помехи индуктивностью обратно в сеть;
• или частичное поглощение в/ч волны материалом феррита (более эффективно);
• либо совмещение обеих функций.

Качество подавления помех ферритом можно увеличить. Достаточно пропустить кабель несколько раз вокруг его кольца. Однако не всегда это удается выполнить на практике.

Следует учитывать, что на многожильных проводах слаботочных цепей цифровой передачи данных или аудио-, видеосигналов ферриты, поглощающие помехи, не используют. Они работают как синфазный трансформатор, пропускающий аналогичные сигналы.

Принципиальная схема

На рис.2 приведена типовая схема сетевого фильтра питания. На ней показана трехпроводная (европейская) сеть питания: “фаза” — “ноль” (“нейтраль”) — “земля”. Сразу на входе фильтра стоит варис-тор VR1.

Его задача — подавить высоковольтные выбросы напряжения сети. При появлении такого выброса электрическое сопротивление варистора резко падает, и он замыкает через себя эту помеху, не позволяя ей пройти дальше. Следом включены дроссель Т1 и конденсаторы С1, С2, C3, образующие LC-фильтр.

Сопротивление дросселя возрастает с увеличением частоты тока, а конденсаторов падает, так что все высокочастотные помехи задерживаются или “стекают” в землю.

Помехи могут возникать не только между сетевыми проводами (“фазой” и “нейтралью”), их отфильтрует конденсатор С3, но и между “фазой” и “землей”, а также возможны помехи “нейтоаль» — “земля”. Для эффективного подавления таких помех служат конденсаторы С1 и С2.

Рис. 2. Типовая схема сетевого фильтра питания.

При отсутствии земли общая точка конденсаторов С1 и С2 “висит” в воздухе, что приводит к созданию ими и дросселем Т1 паразитного колебательного контура, который начинает излучать высокочастотное электромагнитное поле, становясь источником потенциальной опасности для расположенной рядом радиоаппаратуры.

Рис. 3. Схема сетевого фильтра без заземленных конденсаторов и связи с землей.

Поэтому в двухпроводной сети применяются фильтры без этих конденсаторов и связи с “землей” (рис.З). Типовая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) сетевого фильтра показана на рис.4. Из этого графикавидно, что чем выше частота помех, тем эффективнее они подавляются.

Рис. 4. График зависимости.

Стоит остановиться на одной особенности фильтров питания. Речь пойдет все о той же “земле”. Существует целый класс сетевых фильтров, у которых заземляющий провод не имеет никакой связи с внутренней схемой, кроме соответствующих контактов самих евророзеток и заземляющего контакта евровилки.

Этим достигается важное преимущество: при работе от сети с заземлением все розетки фильтра заземлены, как и положено. Но в случае отсутствия “земли” в сетевой розетке (типичный случай отечественной сети питания) все розетки фильтра объединены между собой по заземляющему контакту (естественно, сам фильтр при этом не заземлен)

Почему это важно?

Представим, например, схему подключения различной периферии к компьютеру, показанную на рис. 5а (типичный случай — подключены принтер, сканер, внешний звуковой усилитель И Т.П.).

Это — идеальная схема: все подключено к заземленной сети питания, потенциалы корпусов устройств одинаковы (равны нулю), поскольку соединены с “землей”. В случае возникновения пробоя или повреждения изоляции любого из устройств “лишнее” напряжение уйдет в землю.

Рис. 5. Схемы подключения различной периферии к компьютеру.

Теперь возьмем схему соединений для случая сети без заземления (рис.5б). Как видно, провод заземления отсутствует, и единственной связью корпусов устройств является слаботочный интерфейсный кабель (точнее, его экранирующая оплетка).

При разности потенциалов корпуса компьютера и внешнего устройства (а такое наблюдается сплошь и рядом!) уравнительные токи, текущие от большего потенциала к меньшему, могут легко “выжечь” входные и выходные порты соединенных устройств.

Таких случаев встречается множество. Самый распространенный — выгорание входа или выхода звуковой карты в случае подключения ее к внешнему источнику сигнала или к усилителю звука.

Для решения проблемы нужно подключить эти устройства к “европейскому” удлинителю, даже не соединенному (за неимением) с внешней “землей” (рис,5в). Здесь электрические потенциалы всех устройств выровнены, сквозные токи выберут себе более легкий путь через заземляющие контакты евророзеток, и ничего страшного не произойдет.

Промышленные и самодельные фильтры для трехпроводной системы питания

Среди серийно выпускаемых изделий имеются довольно полезные технические решения, на которые домашнему мастеру стоит обратить внимание.

Краткий обзор полезных функций заводских моделей

Одной из популярных разработок, широко представленной в торговле, считается серия фильтров Pilot разных конструкций.

Принципиальная электрическая схема сетевого фильтра Пилот показана на картинке для облегчения понимания его возможностей.

Остановлюсь на задачах, которые призван решать Pilot XPro, специально созданный для комфортной работы, продления ресурса подключенных потребителей и снижения расхода электричества. Это:

• защита варисторами от импульсных перенапряжений;
• предотвращение действия высокочастотных помех индуктивно-емкостными сопротивлениями;
• управление электропитанием за счет введения функции Master Control;
• защита от перенапряжений, связанных с обрывом нуля;
• плавное отключение и включение оборудования под нагрузку функцией Zero Start за счет исключения бросков тока встроенной схемой;
• автоматика включения потребителей после устранения аварийного пропадания питания;
• два уровня защиты от токовых перегрузок или коротких замыканий за счет плавкого предохранителя и биметаллического расцепителя;
• индикация подключения к сети и уровня напряжения питания;
• контроль температуры и автоматическое отключение при перегреве.

Функция Master Control определяет одну розетку основной (как master-розетка). На нее подключают основной потребитель мощностью более 50ватт, например, системный блок компьютера.

При его включении автоматика одновременно запитывает три других розетки с периферийным оборудованием. Она же отключает их при снятии питания с основного блока.

На корпусе имеются розетки, не управляемые микропроцессорной автоматикой. Их используют для освещения, телефона, другого оборудования

Более подробные сведения об этом оборудовании можете узнать в коротком видеоролике владельца ZIS Company.

Описание принципа работы

Стандартный сетевой фильтр пропускает электрический ток по кабелю от розетки к ряду электрических и электронных устройств, подключенных к устройству. Если напряжение от розетки поднимается выше допустимого уровня, то прибор бесперебойного питания отвлекает дополнительную электроэнергию от розетки в провод заземления.

Наиболее распространенный тип сетевого фильтра имеет компонент, называемый варистором, изготовленным из оксида металла, или MOV, который отводит дополнительное напряжение. MOV образует связь между фазовой линией электропередачи и линией заземления.

Непосредственно варистор состоит из трех частей: оксидо-металлическая деталь в середине кабеля подключения к линиям электропитания и заземления, которые изготовлены из двух полупроводников. Эти полупроводниковые приборы имеют переменное сопротивление, которое зависит от напряжения. Когда напряжение ниже определенного уровня, электроны в полупроводниках потока объединяются таким образом, чтобы создать очень высокое сопротивление. Если напряжение превышает этот уровень, электроны ведут себя иначе, создавая более низкое сопротивление. В том случае, если напряжение соответствует заданному разрешению, варистор ничего не делает.

Фото — Магистральный сетевой фильтр

Как только дополнительный ток отводится в фильтр и на заземление, напряжение в фазовой линии возвращается к нормальному уровню. Таким образом, сетевой фильтр Pilot (Пилот), Defender, прочие только отводят импульсный ток, позволяя при этом продолжать работать остальным устройствам, подключенным к проводнику в нормальном ритме. Другими словами, сетевые помехоподавляющие приспособления по принципу работы напоминают чувствительный к давлению клапан, который открывается только в том случае, когда поступает слишком много давления.