Выбор и расчет фильтров радиопомех на основе унифицированных дросселей предприятия АЭИЭП

Помехи во входных и выходных цепях модулей питания создаются в основном силовыми ключами и диодами. Периодическая последовательность импульсов, вырабатываемая ключом, может быть представлена в виде суммы бесконечного ряда синусоидальных колебаний, кратных частоте следования импульсов. Высокочастотные составляющие этого ряда, имеющие достаточную энергию, будут определять радиопомехи по входным и выходным цепям модуля. Эквивалентная схема модуля как источника радиопомех (рис. 1) включает генератор с ЭДС — Е, внутреннее сопротивление Z_i и сопротивление Z_н, подключенное к его зажимам сети и играющее роль нагрузки. Чтобы уменьшить напряжение радиопомех на нагрузке, необходимо или увеличивать сопротивление Z_i, или уменьшить сопротивление Z_н. Наиболее часто используют и то и другое.

Рис. 1. Эквивалентная схема источника радиопомех

Помехи, созданные источником, попадают непосредственно в отходящие от него провода, а через распределенную емкость — в соседние провода и распространяются по ним на значительные расстояния, мешая приему радиосигналов. Поэтому основная задача подавления заключается в противодействии распространению радиопомех по проводам.

Имеются два пути распространения помех: симметричный и несимметричный (рис. 2).

Рис. 2. Пути распространения помех по проводам: I_пс — ток помехи симметричной, I_пн — ток помехи несимметричной

Так как ток симметричной помехи I_пс циркулирует только по проводам, устранить помехи от него значительно проще (достаточно конденсатора между проводами), чем от токов несимметричной помехи I_пн1 и I_пн2, распространяющихся одновременно по обоим проводам, а затем и по земле. Такие пути трудно поддаются учету, к тому же на антенны радиоприемников воздействуют электромагнитные помехи, образующиеся между помехонесущими проводами и землей, то есть за счет распространения несимметричных токов радиопомех. По этой причине нормирование радиопомех осуществляется по несимметричному пути, и необходимо в первую очередь подавлять несимметричные помехи.

На практике это осуществляется включением фильтров в провода, отходящие от источников помех. ФРП обычно выполняются по индуктивно-емкостным Г-образным схемам. Для выбора и расчета ФРП необходимо знать уровень помех, создаваемый модулем, генератором помех, допустимый уровень помех в линии, а также внутреннее сопротивление модуля Z_i и сети Z_н (рис. 1). Первый параметр измерить просто, второй регламентируется нормами, а два последних могут быть измерены, что затруднительно, или рассчитаны, что практически невозможно.

Можно исключить определение сопротивлений Z_i и Z_н если провести измерения и установить, что сопротивление генератора помех (модуля) высокоомное. Для этого необходимо измерить напряжение радиопомех во входных и выходных цепях в диапазоне частот 0,15-30 МГц. Затем, подключив на входе и выходе модуля конденсаторы (например, К10-47), обладающие минимальным значением полного сопротивления в диапазоне частот 0,15-0,5 МГц, где уровни помех особенно велики, измерить величину напряжения радиопомех в проводах входных и выходных цепей на частоте 0,15 МГц. Включение конденсаторов проводится по несимметричной схеме между каждым помехонесущим проводом и корпусом модуля.

Испытания показали, что при таком измерении напряжения радиопомех во входных и выходных цепях заметно снижаются, следовательно, модуль имеет высокое внутреннее сопротивление, и со стороны модуля фильтр должен начинаться с емкости.

Так как сопротивление Z_i велико, а сопротивление Z_н для большинства питающих сетей мало, то в широко известной формуле для коэффициента фильтрации Г-образного фильтра:

где значения Z_н и Z_i сокращаются, коэффициент К_ф определяется сопротивлением индуктивности Z_L и емкости Z_C фильтра.

С учетом изложенного разработаны схемы входных и выходных фильтров на основе унифицированных дросселей серий ДФ, ДФК, ДФП и ДФПК предприятия АЭИЭП.

Дроссели ДФ и ДФП выполнены в бескорпусном, а ДФК и ДФПК — в корпусном исполнении (рис. 3) по двух- и трехобмоточной (только ДФ) электрическим схемам. Они рассчитаны на ток до 20 А и напряжение до 350 В и в составе LC-фильтров подавляют несимметричные помехи в диапазоне частот 0,15-100 МГц.

Рис. 3. Дроссели фильтрации: а) в бескорпусном исполнении; б) в корпусном исполнении

ДФ(К) предназначены для двухпроводных сетей и по принципу работы представляют собой компенсированные по току нагрузки дроссели.

Дроссели серии ДФП(К) используются в основном для создания фильтров радиопомех в однопроводных бортсетях и за счет сердечников с распределенным зазором допускают подмагничивание проходными токами до 20 А.

Более подробно дроссели рассмотрены в [3, 5, 6]. Отметим только, что дроссели разработаны для эксплуатации в особо жестких условиях, предназначены для применения в системах электропитания аппаратуры, соответствующей ГОСТ РВ 20.39.301 — ГОСТ РВ 20.39.309, и включены в перечень МОП 44 001.12-2012.

Дроссели ДФ(К) устанавливаются согласно схемам, приведенным на рис. 4.

Рис. 4. Схема включения дросселей ДФ и ДФК в составе LC-фильтров в двухпроводную сеть совместно: а) с одноканальным модулем питания; б) с двухканальным модулем питания с общей точкой

Во входном фильтре подавление помех, распространяющихся по несимметричному пути, осуществляется дросселем L1 и конденсаторами C2 и C3. Симметричная помеха подавляется входными конденсаторами С_вх. В выходном фильтре подавление несимметричных помех осуществляется дросселем L2, симметричных — выходными конденсаторами С_вых.

Выбрать дроссели L1 и L2 для фильтров просто. Для наиболее массовой продукции предприятия — модулей МДМ — обозначение модулей и дросселей практически совпадает. Например, модуль мощностью 7,5 Вт с выходным напряжением 27 В обозначается как МДМ7,5-В, дроссель фильтрации для этого модуля — ДФ7,5-В и т. д. (табл. 1).

Для модулей остальных серий АЭИЭП и модулей других фирм дроссели выбирают по току, напряжению и индуктивности, в соответствии с таблицей 2.

Дроссели ДФП(К) в однопроводную борт-сеть устанавливают по схеме, приведенной на рис. 5. Подходящие модели выбирают из таблиц 1 и 2.

Рис. 5. Схема установки дросселя ДФП(К) в однопроводную бортсеть

Расчет фильтра для выбранного дросселя с индуктивностью L включает в себя следующее:

1. Определяется требуемое ослабление напряжения радиопомех (К_тр):
   

   где U_п. изм — измеренная величина напряжения радиопомех, создаваемая модулем на частоте f = 0,15 МГц; U_п. доп — допускаемое напряжение радиопомех. Наиболее часто их выбирают в соответствии с графиком 2 норм по ГОСТ 30426-96.

2. Определяется коэффициент подавления однозвенного Г-образного фильтра (Кф), который для частоты 0,15 МГц равен:
   

   где X_L, X_C — реактивное сопротивление дросселя и несимметричного конденсатора C₂ (С₃).

3. Коэффициент К_ф должен быть равен требуемому коэффициенту ослабления напряжения (К_тр), то есть К_ф = К_тр или:
   
4. По формуле (3) и значению индуктивности выбранного дросселя определяем емкость конденсаторов C₂ и C₃:
   

Пример расчета

Рис. 6. Допустимый уровень помех

Исходные данные для расчета:

1. Измеренный уровень помех, создаваемых модулем МДМ7,5-В (рис. 6, кривая 1).
2. Допустимый уровень помех по нормам (рис. 6, кривая 2).
   Расчет:
   1. Выбираем для модуля МДМ7,5-В — дроссель ДФ7,5-2В/0,6 с индуктивностью 0,58 мГн (значение из таблицы 2 в соответствии с примечанием **).
   2. По кривой 1 определяем уровень помехи от модуля на частоте 0,15 МГц — U_п.изм = 94 дБ, по кривой 2 — U_п.доп. = 62 дБ. Кривая 2 соответствует уровню помех графика 2 норм, которые распространяются на бóльшую часть оборудования объектов с РЭА.
   3. Определяем по формуле (1) требуемый коэффициент ослабления фильтра в дБ:
      

   Выбираем К_тр с запасом — 40 дБ, или в количестве раз по формуле К_тр.дБ = 20lgК_тр.раз:

   
3. По формуле (4) определяем при L = 0,58 мГн емкость конденсаторов C₂ и C₃:
   
4. В качестве несимметричных конденсаторов фильтра используем конденсаторы К10-67В, К10-47В, имеющие минимальную паразитную индуктивность. С целью дополнительного уменьшения этой индуктивности применяется параллельное соединение нескольких конденсаторов.
5. Рекомендуемое значение емкости конденсаторов фильтров симметричной помехи в зависимости от мощности модуля питания приведено в таблице 3 [4].

В качестве симметричных применяем конденсаторы К10-67В и К10-47В, емкость которых набирается за счет параллельного соединения.