Схемы сетевого фильтра 220 вольт для потребителей двухпроводной и трехпроводной сети

Работа электротехнических и электронных устройств происходит за счёт питания сетевым током. Энергопоток через провода приносит с собой сателлитные электромагнитные поля. Они несут угрозу точности выполнения своих функций абонентами электросети. Решить этот вопрос могут сетевые фильтры (СФ). Их всегда можно купить в виде сетевых удлинителей. Зная схему сетевого фильтра, устройство несложно собрать своими руками.

Сетевой фильтр

Принцип работы сетевого фильтра

Напряжение переменного тока в сети 220 в изменяется в синусоидальном виде. Правильная форма электрического импульса «загрязняется» электромагнитными помехами. Синусоида выглядит в виде изгибающейся линии чистого сигнала, окружённой вязью блуждающих токов, вызванных фазными перекосами, подсадками и всплесками напряжения.

График сетевого тока

Сопровождающие помехи влияют на чувствительные компоненты электронных схем различных приборов и аппаратуры. Возникает проблема очистки тока от паразитных образований. Для этого применяют сетевой фильтр (СФ).

СФ встраивают между источником сетевого тока и потребителями. Он состоит из соединённых в определённом порядке дросселей и конденсаторов. Работа фильтра – выстраивание индуктивного сопротивления катушек, не пропускающего помехи высокой частоты. Ёмкости устройства отсекают нежелательные помехи. Конденсаторы замыкают цепь и не пропускают паразитные импульсы.

Многофункциональные UPS

UPS защищает приборы не только при отключении, но и при снижении напряжения ниже допустимого порога посредством переключения на батареи. Периодические срабатывания сокращают срок службы аккумуляторов. Целесообразно перед бесперебойником дополнительно подключать стабилизатор напряжения. Для некоторых моделей в этом нет необходимости. Современный UPS может содержать встроенный фильтр или стабилизатор напряжения.

Напряжение модифицированной (прямоугольной) синусоиды корректно измерить обычным вольтметром невозможно. Показания будут значительно отличаться от фактических значений.

Устройство простого сетевого фильтра

Лабораторный блок питания своими руками

СФ бывают двух видов:

1. Встроенные.
2. Стационарные – многоканальные.

Встроенные

Компактные платы СФ являются частью внутреннего устройства различного электронного оборудования. Ими оснащается компьютерная и другая сложная техника.

Плата встраиваемого сетевого фильтра

На фото видно устройство СФ. На плате установлены следующие детали:

• VHF – конденсатор;
• тороидальный дроссель;
• добавочные конденсаторы;
• варистор;
• индукционные катушки;
• термический предохранитель.

Варистором называют резистор с переменным сопротивлением. При превышении нормативного порога напряжения (280 в) его сопротивление может уменьшиться в десятки раз. Варистор выполняет функцию защиты от импульсного перенапряжения.

Стационарные – многоканальные

Корпус прибора имеет несколько розеток. Благодаря этому, есть возможность подключить через фильтр всю имеющуюся электротехнику в одном помещении к одной розетке. Для очистки от радиопомех высокой частоты применяется простой LC-фильтр. Несгораемые термопредохранители предотвращают скачки напряжения. В некоторых моделях применяются одноразовые плавкие предохранители.

Виды

Разнообразие сетевых фильтров сегодня велико, выбрать необходимую модель не составит труда. Фильтр может иметь вертикальный вид или круглый, его можно использовать как настольный вариант или повесить на стену, при желании можно использовать сетевой фильтр как встроенный в столешницу. Продвинутые типы электрофильтров обладают регулировкой с дистанционным управлением. Различие видов сетевых фильтров дает возможность осуществить:

• защиту порта USB – к такой конструкции можно подсоединять для подзарядки устройства с соответствующим разъемом, например, смартфон, медиаплеер и т. д.;
• возможность раздельного включения каждой розетки – обычные модели с помощью единой кнопки отключают питание всего сетевого фильтра, но есть усовершенствованные варианты, где для пользования розетку можно выбрать и включить автономно;
• закрепление конструкции сетевого фильтра на стене – осуществить это можно с помощью специальной петельки, имеющейся на корпусе устройства, или выполнить прочное крепление с помощью использования 2 креплений, расположенных на тыльной стороне конструкции.

Самостоятельное изготовление сетевого фильтра

Сделать самый простой сетевой фильтр своими руками в домашних условиях радиолюбителю будет совсем не трудно. Для этого нужно встроить небольшую схему внутрь корпуса сетевого удлинителя с несколькими розетками. На нижнем рисунке показано, как это сделать.

СФ своими руками

Блок питания для шуруповерта 12в своими руками

Устанавливают СФ в удлинителе следующим образом:

1. Вскрывают корпус сетевого удлинителя.
2. В параллельные ветви после выключателя и варистора впаивают резисторы R1, R2 и дроссели (индуктивные катушки) L1, L2.
3. Затем ветви поочерёдно замыкают через конденсатор С1 и один резистор R3.
4. Установка концевого конденсатора С2 может быть сделана в любом месте между розетками.

Важно! Если внутри корпуса удлинителя не найдётся места для второго конденсатора С2, то можно обойтись без него. Достаточно скорректировать параметры С1.

Дроссели применяются с незамкнутыми ферритовыми сердечниками индуктивностью от 10 мкГн. Конденсаторы подбираются в диапазоне 0,22-1 мкФ. Сопротивление резисторов коррелируют с планируемой мощностью потребителей. При нагрузке 500 Вт потребуются резисторы 0,22 Ом. Сопротивление R3 должно быть не меньше 500 кОм.

Конструкция и детали

Схема очень непривередлива к деталям. Но все же некоторые правила нужно соблюдать. Разберем по порядку.

Варистор. Тип 471. Диаметр 6…10 мм. Это оптимально.

Резисторы R1, R2. Чем их сопротивление больше, тем лучше фильтрация, но больше нагрев и больше потери напряжения. С другой стороны, нагрев и падение напряжения тем больше, чем больше потребляемый ток (и мощность). Поэтому сопротивление резисторов выбираем в зависимости от суммарной мощности, потребляемой всеми теми устройствами, которые будут подключаться к фильтру:

• Если планируется подключать более мощные потребители, то возможно, придется вообще отказаться от резисторов. С другой стороны, зачем делать фильтр, чтобы подключать к нему утюг?!
• Резисторы используются мощностью 5 Вт. Можно взять и двухватные, но не стОит — они должны иметь запас по мощности на случай, если вдруг ток окажется больше, чем ожидалось (или помеха проскочит, где ее энергия выделится?..).
• Дроссели L1 и L2. Это самый «труднодоставаемые» элементы. Но с другой стороны, поскольку вместе с ними работают резисторы, требования к дросселям снижаются. Требования такие:
• Ферритовый сердечник. Катушка без сердечника имеет слишком низкую индуктивность (при реальных габаритах), а стальной сердечник плохо работает на ВЧ.
• Сердечник не замкнут, или с воздушным зазором — иначе сердечник может насытиться, и индуктивность сильно снизится.
• Максимальный ток катушки (это ток, при котором индуктивность начинает снижаться из-за насыщения сердечника) не меньше, чем ток нагрузки.
• Индуктивность дросселя не менее 10 мкГн. Чем больше, тем лучше (до 10 мГн).
• Дроссели не имеют магнитной взаимосвязи.
• Конденсаторы С1, С2. Если С2 поставить не удается, то вполне можно ограничиться одним конденсатором. Поскольку они соединены параллельно, то вполне можно рассматривать их как один конденсатор с емкостью, равной сумме емкостей С1 и С2.

Требования к конденсатору:

• Конденсатор пленочный, типа К73-17 или аналогичный (импортные меньше по габаритам).
• Емкость не меньше 0,22 мкФ. Больше 1 мкФ тоже не нужно.
• Напряжение 630 вольт. Зачем столько? А это запас, ведь при помехах, напряжение повышается. Да и по правилам напряжение на конденсаторе должно быть меньше максимально допустимого.
• Резистор R3. Его мощность 0,5 Вт, хотя на нем выделяется в 10 раз меньше. К этому резистору прикладывается 220 вольт, и он должен иметь довольно большие геометрические размеры (отсюда и 0,5 Вт), чтобы такое напряжение выдерживать. Сопротивление от 510 кОм до 1,5 МОм.

Вот и все. Можно пользоваться, и удачи в борьбе с помехами!

По просьбе читателей, я измерил насколько фильтр подавляет помехи. Это не очень хорошо получилось — высоковольтные импульсы мне дома сгенерировать сложно, и я этого не делал. А вот ВЧ помеху генератор выдал (маленькой амплитуды, но какая разница?). Вот два теста. Они могут быть не совем точными — величина подавления может быть несколько занижена. В качестве нагрузки в фильтр был включен паяльник.

Первый тест — подавление частоты 30 кГц. Эта частота часто используется в импульсных блоках питания (компьютерных, например), и этой частотй «засорена» сеть. Вот осциллограммы напряжения на входе и выходе:

• Синий — вход, красный — выход. Масштабы одинаковы. Подавление раз в 8, что очень неплохо для простого фильтра, да еще сделанного из подручных материалов.
• Второй тест — действительно высокочастотная помеха частотой 200 кГц:

Здесь выходное напряжение в 100 раз большем масштабе, чем входное. Подавление помехи примерно в 350 раз!!! Так что ВЧ помехи не пройдут.

В продаже появились неплохие катушки:

Они намотаны довольно толстым проводом на ферритовом сердечнике, по форме напоминающем гантелю. Снаружи надета термоусадочная трубка. У этих катушек довольно большая индуктивность при приличном токе (и несколько типоразмеров — чем больше размер, тем больше произведение индуктивности на максимальный ток). Имея такие катушки, фильтры делать — одно удовольствие. Схема почти такая же, теперь катушки «мощные» и резисторы в цепь гашения помех не нужны:

В принципе, все осталось прежним, но кроме катушек изменился конденсатор. Это специализированный конденсатор, предназначенный доя работы в фильтрах (такие стоЯт в компьютерах и бесперебойниках. И напряжение 280 В, на которое рассчитан конденсатор — это действующее значение переменного тока (об этом говорит знак «280V ~» на корпусе). Такое же, как и 220. Т.е. не нужно делить напряжение, написанное на конденсаторе на корень из 2, чтобы узнать на какое макс. напряжение переменного тока его можно включить. Как раз на 280 вольт. А у нас — 220, запас приличный. Вот что получилось:

Голубой — варистор, который и был в этом «фильтре»-удлиннителе; рядом с ним черные — катушки, по хорошему их надо размещать так, чтобы их оси были перпендикулярны, но я сначала сфотографировал, потом отогнул (нижнюю на фото) катушку, потом все закрутил, а уж потом вспомнил, что сфотографировал неправильно! Снова разбирать было лень, уж извиняйте! Желтый — это конденсатор. Насколько я с ними встречался — они все желтые.

Резистор, разряжающий конденсатор, здесь не установлен — в этот фильтр будет все время включено устройство, которое и разрядит конденсатор. А если один раз в жизни я этот фильтр сниму, то уж не забуду разрядить. Просто быо лень искать и паять резистор, но всем я категорически рекомендую в этом с меня пример не брать, и резистор устанавливать!

Вот и все! Очень просто и очень неплохо!

Схема СФ защиты от сетевых помех

Типовая схема сетевого фильтра является основой всех устройств такого типа за исключением дополнительных мелочей. Классикой является подключение к точкам: Земля, Фаза и Ноль. На входе устанавливается варистор VDR 1. Он подавляет всплески напряжения сетевого тока. При высоком скачке напряжения сопротивление варистора резко падает, этим он не пропускает помеху далее по схеме.

Для гашения небольших изменений напряжения используются дроссель Tr1 и три ёмкости С. Конденсаторы С1, С2 и С3 – реактивные радиодетали, постоянно меняющие уровень сопротивления. Оно при изменении частоты тока резко возрастает.

Нормальный ток беспрепятственно проходит через фильтр. В то же время помехи высокой частоты задерживаются в СФ. Сопротивление фильтра находится в прямой пропорциональной зависимости от величины частоты тока. Оба показатели одновременно возрастают, что позволяет задерживать помехи на пути к потребителю.

Обратите внимание! Трёхпроводная сеть питания может подвергаться возникновению помех на участках фаза – ноль, земля – фаза, земля – ноль. Эффективное подавление таких негативных явлений осуществляется нормальным стандартным заземлением СФ.

Примеры

Рис.17 Ampleon

Рис.18 MiniCircuits

Рис.19 CREE

Рис.20 SkyWorks

Рис.21 Qorvo (кристалл)
По последнему примеру необходимо небольшое пояснение: для кристаллов обычно используют плоскопараллельные конденсаторы. Выглядят они вот так:

Рис.22 Вид конденсатора (Tecdia)

Спасибо за внимание!

Приглашаю в мой Инстаграм и почитать мои прошлые статьи.

Пути улучшения схемы фильтра

Существует множество вариантов улучшения схемы сетевого фильтра. Один из них отличается остроумием и позволяет существенно экономить потребляемую электроэнергию. Суть метода заключается в следующем:

1. Вскрывают корпус многоразъёмного СФ удлинителя.
2. Одну из токоведущих шин разрезают.
3. Отрезки соединяют с 5 вольтовым реле, рассчитанным на коммутацию тока 3А, 250 в.
4. Два других контакта реле соединяют проводами с USB разъёмом на конце.
5. Разъём подключают к USB входу телевизора.

В результате получается управляемая система питания, состоящая из ТВ, цифровой приставки и блока питания спутниковой антенны. Если ранее при выключении телевизора все части системы оставались в режиме ожидания, то с модернизированным фильтром они полностью отключаются. Стоит с пульта включить телеприёмник, как все коммутированные приборы тоже приводятся в действие и наоборот.

Дополнительная информация. Различные модернизированные СФ всегда можно найти на радиорынке, но стоят они довольно дорого. Поэтому намного выгоднее сделать усовершенствование устройства своими руками.

В другом случае идут по пути добавления в СФ LC-фильтра, который, помимо гашения помех от сети, понижает взаимно возникающие электрические помехи от подключённых потребителей.

Штатный варистор (470 в) часто не вызывает срабатывание автоматического предохранителя. Его меняют на аналогичное устройство, рассчитанное на напряжение 620 в. Это позволяет подавлять помехи от работающей стиральной машины, пылесоса и другой мощной электротехники.

Домашние мастера оснащают сетевые фильтры-удлинители звуковой сигнализацией. При превышении в сети уровня напряжения 280 в фильтр оповещает об этом сигналом.

Как выбрать?

Оптимальным вариантом, который объединяет свойства сетевого фильтра и стабилизатора в одном устройстве, является аппарат ИБП с аккумулятором, являющийся источником бесперебойного питания. Для ИБП характерна плавная синусоида перепада напряжения, поэтому он применяется с целью стабилизации работы для бытовой техники и для компьютера. Выбор сетевого фильтра для дома или профессионального использования делают после изучения всех особенностей и характеристик электросети. Многие современные постройки имеют заземление, но есть старые строения, которые такой защиты не имеют, для таких случаев требуется надежный сетевой фильтр. Нередко в одной квартире используются разные фильтры для телевизора, для холодильника, для домашней аппаратуры.

При выборе сетевого фильтра нужно следующее.

• Определить мощность устройства – посчитать, сколько приборов и с какой мощностью будет одномоментно подключаться к фильтру, к суммарному числу добавить запас, равный не менее 20%.
• Важен параметр максимальной энергии входного импульса – чем выше этот показатель, тем надежнее будет сетевое устройство.
• Определить наличие в фильтре термического предохранителя, защищающего фильтр от перегревания.
• Определить число розеток для подключения, а если приборы надо часто отключать от сети, то лучше выбирать фильтр с автономным отключением каждой розетки.
• Продумать, какая длина электрокабеля будет необходима.

Сетевой фильтр с 2-х обмоточным дросселем

СФ на основе дросселя с двумя обмотками применяют для чувствительной аудиотехники. Звуковые колонки чутко реагируют на помехи сетевого питания. Если таковые возникают, то динамики искажают звук и испускают посторонний фоновый шум. Радиоаппаратура, подключённая к сети через СФ с 2-х обмоточной катушкой, защищена от таких помех.

Схему собирают на отдельной печатной плате. Потребуются несколько конденсаторов и самодельный дроссель. Его изготавливают следующим образом:

1. Кольцо из феррита марки НМ с показателем магнитной проницаемости от 400 до 3000 можно взять из старой электротехники.
2. Магнитопровод оборачивают тканью и покрывают лаком.
3. Для обмотки применяют провод марки ПЭВ. Его площадь сечения зависит от величины нагрузки. Мощные потребители требуют существенного увеличения этого параметра.
4. Намотку ведут двумя проводами в разных направлениях.
5. Делают 10, 12 оборотов каждого проводника.
6. Конденсаторы устанавливают в начале и конце схемы. Они должны выдерживать напряжение до 400 в.

СФ с 2-х обмоточным дросселем

Обмотки катушки индуктивности включаются в последовательном порядке. Поэтому магнитные поля катушки взаимно поглощаются. При прохождении тока высокой частоты резко возрастает сопротивление дросселя. Ёмкости поглощают и закорачивают помехи.

Печатную плату помещают в отдельный металлический корпус. В крайнем случае схему отгораживают металлическими бортиками. Это делается с целью исключения дополнительных помех от блуждающих электромагнитных полей.

С каждым новым поколением электронного оборудования предъявляются повышенные требования к качественным характеристикам сетевого тока. Чтобы не заниматься ремонтом чувствительной электроники, нужно обязательно подключать её через сетевые фильтры. Если фильтровать ток нужно для небольшого количества потребителей, то можно пойти по экономному пути и изготовить сетевой фильтр своими руками.

Тестирование

Как внимательные читатели возможно заметили, я всё тестирую. При разработке тестовых плат (цепи с которых потом будут скопированы в итоговое изделие) я обычно делаю вот такие дополнительные платы с элементами цепей подачи питания.

Рис.15 EVB для кристалла усилителя, платала для проверки АЧХ разделительных конденсаторов, для проверки АЧХ схемы фильтрации по питанию

А вот плата для проверки характеристик Bias Tee от MiniCiruits.

Рис.16 Плата для TCBT-123 (фото из моего инстаграма)

Обычно производители микросхем усилителей дают рекомендации по компонентам в схеме питания.Однако, иногда это стандартный набор, который может быть не очень подходит для конкретного случая. Также стандартные рекомендации не подходят, если необходимо подавать импульсное питание.