Фильтр
Первичная цепь схемы питания «Арктур-006» содержит все необходимое: предохранитель, выключатель, и даже пламегаситель. Но в условиях, когда совершенно нечем заняться, приходится придумывать новые технологии убивания времени. Один из вариантов - решение несуществующих задач.
Одним из дополнений схемы первичной цепи может служить сетевой фильтр. Анализ фирменных проигрывателей показал, что такой фильтр иногда ставят. Ниже приведено фото сетевого фильтра прекрасного современного проигрывателя Pioneer PLX-1000 (около 900$):
А вот фильтр замечательного проигрывателя Audio-Technica AT-LP1240 USB (около 600$), плата фильтра хоть и перевернута, но ее схема понятна:
В наши дни сетевые фильтры попадаются на глаза все чаще. Все видели синфазные дроссели на кольцах и П-образном феррите, а также большие прямоугольные конденсаторы ярко-желтого цвета, сплошь покрытые значками сертификации электробезопасности. Фильтр является обязательным фрагментом схемы импульсных источников питания (ИБП).
Но там фильтр выполняет противоположную задачу - не позволяет помехам, генерируемым ИБП, проникать в сеть. Проектируются эти фильтры таким образом, чтобы ИБП соответствовал нормам по паразитным излучениям. Только так можно пройти сертификацию. Подробное рассмотрение сетевых фильтров для ИБП приводится в книге Sanjaya Maniktala «Switching Power Supplies A-Z». Мне эта тема не очень интересна, так как импульсными источниками стараюсь не заниматься.
Вообще, фильтр является устройством двунаправленным, помехи со стороны сети он также способен подавлять. Какое подавление на каких частотах требуется от такого фильтра, вопрос сложный. В случае ИБП все проще - есть предельные допустимые уровни излучения, есть конкретный уровень помех, нужно второе уменьшить до уровня первого. А в моем случае неизвестно, каким считать уровень помех в сети. Есть статистические данные спектров помех бытовых приборов (заглавная картинка поста), но эти данные весьма приблизительные и сильно зависят от условий и качества сети. В то время, как фильтры ИБП прежде всего должны подавлять помехи на частоте преобразования и ее гармониках (а это десятки кГц), фильтр для аудио должен быть эффективен и в звуковом диапазоне частот. Весьма сомнительно, что такое реализуемо с использованием стандартных компонентов.
Сетевые фильтры выпускаются и в виде отдельных устройств и даже бывают встроенные в разъемы сетевого питания.
Для этих фильтров приводятся характеристики подавления помех в зависимости от частоты. Как правило, сколько-нибудь заметное подавление начинается с частот порядка 10 кГц и выше, а это верхний край звукового диапазона. В середине звукового диапазона подавление таких фильтров близко к нулю.
С другой стороны, есть масса аудиоустройств с обычными линейными БП, которые не имеют в своем составе никакого фильтра. И все эти устройства нормально работают. Это только среди аудиофилов слышна некоторая истерия по поводу сетевых фильтров, причем оценки влияния фильтра даются порой противоположные. Я же никакого влияния на звук от сетевого фильтра я не ожидаю. Вряд ли он сможет побороть, скажем, щелчки от включения холодильника или настольной галогенной лампы с трансформатором. К тому же, винил - это не тот источник, где сетевые помехи сильно заметны. У самого винила щелчков и шума намного больше, чем помех в сети. Поэтому можно просто подключить сетевой провод к трансформатору через предохранитель и выключатель, как было сделано раньше, и всё. Но с фильтром, вроде, хуже быть не должно. Раз так, фильтр можно сделать. Тем более что усилитель-корректор у меня будет встроенный, качество питания для него важно.
Как правило, сетевой фильтр предусматривает наличие трехпроводной сети: фаза, нейтраль и защитное заземление (PE). Помехи, с которыми борется сетевой фильтр, делятся на два вида - синфазные и дифференциальные. Синфазные - это когда оба провода сети синхронно меняют потенциал относительно земли (PE). Дифференциальные - это когда меняется потенциал сетевых проводов друг относительно друга. Чтобы добиться фильтрации как синфазной, так и дифференциальной помехи, нужно в каждый из сетевых проводов включить по дросселю, а на выходе установить конденсаторы двух типов - синфазные и дифференциальные. Дифференциальные конденсаторы типично имеют номинал порядка 0.1 мкФ и принадлежат к классу X (Across the Line). При сетевом напряжении 220 В по такому конденсатору будет протекать реактивный ток амплитудой примерно 10 мА. Синфазные конденсаторы принадлежат к классу Y и имеют значительно меньшую емкость (порядка 1…3 нФ). Это связано с ограничениями на величину тока через цепь защитного заземления.
Ниже показано, как схема фильтра трансформируется при рассмотрении отдельно подавления дифференциальной помехи:
И отдельно для синфазной помехи:
Видно, что частота среза для синфазных помех будет намного выше из-за малой допустимой емкости синфазных конденсаторов. К счастью, есть возможность значительно увеличить индуктивность для этой помехи. Для дросселей фильтра должно соблюдаться условие - их сердечник не должен входить в насыщение. Иначе индуктивность резко упадет вместе с фильтрующими способностями. Через дроссели протекает полный ток питания устройства, что не позволяет получить высокую индуктивность при малых габаритах. Но можно изготовить специальный дроссель с двумя одинаковыми обмотками, которые имеют хорошую магнитную связь. Тогда при противоположном направлении рабочего тока в обмотках магнитный поток будет компенсироваться, результирующая индуктивность будет близка к нулю. Но для синфазной помехи направление тока в обмотках будет одинаковым, они будут продолжать работать. Благодаря тому, что подмагничивание сердечника рабочим током теперь отсутствует, в тех же габаритах можно получить намного большую индуктивность. Но для фильтрации дифференциальных помех такой дроссель бесполезен, поэтому в схеме фильтра требуется дополнительный дифференциальный дроссель. Который часто и ставят. Но существуют совмещенные дифференциально-синфазные дроссели. Они также имеют две одинаковых обмотки, но конструктивно сделаны так, что обмотки имеют не полную связь. В результате появляется индуктивность рассеяния, которая эквивалентна последовательному включению дополнительного несвязанного дросселя.
Как правило, такие дроссели выполнены на П-образном ферритовом сердечнике и имеют несвязанную индуктивность порядка 1…2% от полной. Численно полная индуктивность каждой обмотки может составлять порядка 20…50 мГн, а несвязанная индуктивность - порядка 0.2…1 мГн. Это достаточно много, в большинстве случаев установка дополнительного дифференциального дросселя не требуется.
Показанный на фото дроссель Murata PLY10AN9920R6R2 имеет индуктивность обмоток около 20 мГн. Но если посмотреть datasheet, то там будет указана индуктивность для синфазной помехи 9.9 мГн. Как было показано на схеме выше, для синфазной помехи обмотки дросселя оказываются включенными параллельно, в результате общая индуктивность уменьшается в 2 раза.
При рассмотрении отдельно подавления дифференциальной помехи схема с таким дросселем трансформируется следующим образом:
При рассмотрении отдельно подавления синфазной помехи будет так:
Поскольку Lc намного больше Ld, частота среза для синфазной и дифференциальной помехи у такого фильтра оказывается примерно одинаковой.
Для модели можно как явно указать отдельные несвязанные индуктивности, так и рассчитать и задать коэффициент связи (k = 1 - Ls/L). Результат будет один и тот же.
Чтобы промоделировать фильтр, надо выбрать реальные компоненты и внести их параметры в модель. Под рукой имеются разные дроссели, заимствованные из старых плат ИБП. Поскольку стоит задача получить хорошее подавление помех на как можно более низких частотах, надо выбрать дроссели с самой высокой индуктивностью.
На первый взгляд, должны быть лучше самые крупные дроссели. Но замеры показали, что у них весьма скромная индуктивность, вся разница только в допустимом токе. Но здесь это роли не играет, так как устройство маломощное. Дроссели на кольцах сразу отпали, число витков там маленькое, индуктивность тоже маленькая. К тому же, это чисто синфазные дроссели, индуктивность рассеяния у них очень низкая, дифференциальной индуктивности почти нет. Самая высокая индуктивность (70 мГн) оказалась у двух маленьких черных дросселей фирмы Matsushita, которые на фото стоят рядом. С ними и решил фильтр промоделировать.
В результате моделирования получил не очень красивые результаты. Подавление фильтр обеспечивает только выше своей резонансной частоты, т.е. выше 10 кГц. В звуковом диапазоне подавления нет. Но самое неприятное, на резонансной частоте наблюдается многократное увеличение амплитуды помехи. При попытке увеличить эффективность фильтра на низких частотах, резонансная частота сдвигается вниз и попадет как раз в середину звукового диапазона. Возникает вопрос по правильному выбору параметров фильтра именно для аудио.
На графиках показано выходное напряжение фильтра (зеленый график) при воздействии на вход дифференциальной помехи амплитудой 1 В. Нижний график - то же самое, но только в логарифмическом масштабе по оси Y.
Фраза "с фильтром хуже не будет" оказалась под сомнением.
Резонансные явления в фильтре могут стать причиной появления значительных перенапряжений. Специальные фильтрующие конденсаторы класса X на это рассчитаны, но такое же требование будет и для дросселей. Конструктивно довольно трудно сделать для дросселя повышенное пробивное напряжение, поэтому параллельно обмоткам синфазного дросселя на печатной плате обычно добавляют разрядники. Информации по проектированию таких разрядников (Spark Gap) мало, что-то есть в документе ICE3BS02 от Infineon, что-то есть в патентах US 2012/0044599 A1 и US 8345400 B2. Вот фото той же платы ИБП, которая приводилась выше, но с обратной стороны, хорошо видны разрядники:
Для борьбы с резонансными явлениями в сетевых фильтрах применяется демпфирование. Подробно этот вопрос рассматривается в книге «Fundamentals of Power Electronics», Chapter 10: Input Filter Design, 10.3.2 Damping the input filter. Можно применить параллельное демпфирование резонанса с помощью RC-цепочки, или последовательное с помощью RL-цепочки. Второй вариант затруднительно реализовать на практике, используя стандартные компоненты. Поэтому выбираю параллельное RC-демпфирование. В статье «Input Filter Design for Switching Power Supplies» (SNVA538) есть упрощенный расчет номиналов демпферной цепочки для оптимального демпфирования. Он дает Cd = 4Cf, Rd = sqrt(Lf/Cf). При моделировании попробовал различные комбинации номиналов. Мне больше понравился результат с цепочкой 470 нФ + 100 Ом (на схеме выше эта цепочка нанесена, с ней получены красные графики, а зеленые получены без нее). Довольно громоздко, конечно, но в данном случае место есть.
Предыдущая модель не совсем корректна в плане моделирования питающей сети. Недостаточно взять идеальный источник напряжения 220 В 50 Гц. Реальная сеть обладает неким внутренним сопротивлением, в результате под нагрузкой напряжение немного «проседает». Это можно сымитировать, добавив последовательное сопротивление Ri несколько десятых Ома. Но при моделировании фильтра не так интересен импеданс сети на частоте 50 Гц. Более интересно, как сеть ведет себя на высоких частотах, где измеряется подавление фильтра. Очевидно, что импеданс будет выше, так как подводящие провода обладают значительной индуктивностью. Но конкретное значение сказать трудно, конфигурация подводящей сети может быть самая разная. Чтобы можно было сопоставлять результаты измерений сетевых фильтров, была стандартизирована цепочка под названием LISN (Line Impedance Stabilization Network). Эта цепочка производится в железе в виде измерительного прибора немалых габаритов. Но можно ее использовать и как модель. Для моделирования фильтра с трехпроводной сетью цепочку LISN нужно сделать симметричной.
Цепи LISN на высоких частотах образуют импеданс около 50 Ом, что значительно больше Ri. К слову, эта модель сети наглядно показывает, что в первичной цепи не может быть никаких коротких мощных импульсов тока, про которые ходят страшилки. Импеданс сети для таких импульсов слишком большой.
Использование LISN дает некие среднестатистические результаты, довольно хорошо согласующиеся с реальностью. С этой цепочкой резонансный пик фильтра значительно меньше (графики с линейным и логарифмическим масштабом по оси Y).
Применение снаббера картину улучшает (красный график), ход АЧХ с ним получается более ровный. Хотя в практических реализациях фильтра снабберных цепочек не видел не разу. Встречал только на картинках внутренних схем фильтров, встроенных в разъем, да и то лишь для старших семейств. Подобные цепочки упоминаются в статье В. Ланцов, С. Эраносян «Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути решения. Часть 2», журнал «Силовая электроника», №1, 2007.
Конечно, радикальной разницы со снаббером и без него не видно. Но не всегда в качестве источника электропитания используется обычная сеть. Могут быть ситуации, когда импеданс источника даже на высоких частотах окажется малым. Тогда демпфирование фильтра просто необходимо. Да и при работе от сети оно не помешает, насколько точно параметры реальной сети соответствуют модели LISN, неизвестно. С этой точки зрения оправданы и варисторы, которые включают как на входе, так и на выходе фильтра.
Для синфазной помехи тоже наблюдаются резонансные явления в фильтре. На графиках (красный график) показано выходное напряжение фильтра при воздействии на вход синфазной помехи амплитудой 1 В (для линейного и логарифмического масштаба по оси Y). Схема фильтра соответствует приведенной выше, только в нее добавлены два синфазных конденсатора по 3.3 нФ с каждого из выходов фильтра на землю.
Резонансный пик может быть подавлен демпферной цепочкой. Достаточно взять еще один Y-конденсатор, включить с ним последовательно резистор 10 кОм и подключить эту цепочку параллельно одному из синфазных конденсаторов (синий график).
По поводу синфазных помех нужно сделать отступление. До этого рассматривался фильтр, подключенный к трехпроводной сети, которая имеет защитное заземление (PE). Именно к этому заземлению подключаются конденсаторы фильтра синфазной помехи. Но в обычных жилых домах сеть двухпроводная, подключать общий провод фильтра некуда. Да и аудиоаппаратура в большинстве своем имеет двухконтактную сетевую вилку. Но даже если заземление в вилке предусмотрено, в аппаратах обычно имеется переключатель «Ground Lift», с помощью которого можно отключить землю сетевой вилки от общего провода аппарата. Заземлять аудиоаппаратуру чаще всего недопустимо. Образуются земляные петли большой площади, наведенная на этих петлях ЭДС прикладывается к входу. В результате появляется фон сетевой частоты, а в выходном спектре просматривается целый лес ее гармоник. Поэтому даже если в розетке есть контакт PE, он должен подключаться только к синфазным конденсаторам сетевого фильтра, но с корпусом устройства соединяться не должен. И вообще, мне кажется весьма сомнительным, что на проводе PE не наведется та же синфазная помеха, что и на проходящих рядом двух других сетевых проводах. В любом случае, у меня в квартире PE нет, обсуждать его бессмысленно.
Что же делать с синфазными конденсаторами, когда нет PE? Иногда их устанавливают и подключают к корпусу устройства. Недавно столкнулся с таким решением в усилителе Technics SU-V505. С каждого провода сети на корпус там включен конденсатор 2.2 нФ. Аппарат имеет двухконтактную вилку, никакого заземления корпуса не предусмотрено. В результате на корпусе появляется потенциал, в некоторых условиях корпус даже немного бьется током. Это наихудшее решение из возможных.
Лучше не ставить синфазные конденсаторы вообще, как и сделано в большинстве аудиоаппаратуры. Тогда связь сети с корпусом устройства будет только через малые паразитные емкости. Сам корпус тоже имеет какую-то паразитную емкость на землю, а может быть даже заземлен явно через один из источников сигнала (например, телевизор, который обычно заземлен через оплетку антенного кабеля). Но такое заземление не будет вредить аудиосигналу, так как петель не образует. К тому же, ток в земляном проводнике при малой синфазной емкости будет незначительным. Паразитные емкости обеспечат некоторое подавление синфазной помехи (зеленый график выше), хоть и несколько хуже. Но это лучше, чем ничего. И намного лучше, чем потенциал на корпусе.
Сам сетевой трансформатор и блок питания в целом тоже обладают фильтрующими свойствами. Например, дифференциальная помеха хорошо ослабляется конденсаторами фильтра выпрямителя. Синфазная помеха тоже ослабляется, так как паразитные емкости трансформатора образуют делитель. А можно еще принять специальные меры, такие как экранирующая обмотка. На графиках ниже показано подавление на выходе фильтра (зеленый график) и на выходе БП (красный график) для дифференциальной (верхние графики) и синфазной (нижние графики) помехи. Коэффициент трансформации здесь учтен, значения для красных графиков на него умножены.
Надо сказать, что последние результаты являются недостоверными, так как здесь в основном работают паразитные параметры, которые точно промоделировать трудно. Но качественно картина примерно такая.
При наличии сетевого фильтра возникает еще один вопрос. Сам фильтр должен стоять поближе к вводу электричества в аппарат. Но тут возникает вопрос с сетевым выключателем. Часто он расположен далеко от разъема сетевого провода. В данном случае так и есть, выключатель расположен на передней панели. Интуитивно хочется расположить выключатель в схеме поближе к сети (но после предохранителя, конечно), чтобы он обесточивал всю схему. Но тогда выключатель оказывается перед фильтром, провода выключателя будут излучать помехи внутри устройства, нужна их экранировка. Если выключатель поставить после фильтра, тогда компоненты фильтра будут все время под сетевым напряжением, что немного тревожит. Есть еще вариант - разместить выключатель возле фильтра и соединить его с кнопкой на передней панели с помощью механической тяги. Такое встречал в фирменной аппаратуре, и так у меня сделано во всей самодельной аудиоаппаратуре, кроме усилителя мощности. Но в проигрывателе этот вариант не пройдет, так как на пути толкателя отказывается трансформатор. С другой стороны, стандартные сетевые фильтры, встроенные внутрь разъема сетевого провода, как раз и находятся под сетевым напряжением все время. Этот факт склонил меня пойти по такому же пути. Тем более, я всегда выдергиваю все вилки из розеток (кроме холодильника), когда ухожу.
В результате схема первичной цепи выглядит так: сетевой разъем, предохранитель, фильтр, выключатель, пламегаситель, трансформатор. После предохранителя и выключателя можно поставить варистор, только не забыть поместить его в термоусадку (необходимость этой меры тут уже обсуждалась). А вот неотключаемый варистор - это опасная штука. У знакомого был случай, когда электрики что-то накосячили, напряжение в сети поднялось. Приходит домой, в ковре на полу выгорела дырка, сверху дымится обугленный удлинитель со встроенной защитой. Варисторы начали греться, а ток для перегорания предохранителя был еще недостаточный. Чуть квартира не сгорела.
Предохранитель планирую впаять плату, чтобы избежать громоздких держателей. Сгорать он не должен. Подходящие предохранитель и варистор есть с разборок старых плат (я использую большинство деталей с разборок).
Что еще должно быть в фильтре? Часто аудиофилы говорят о постоянной составляющей напряжения сети, и что сетевой фильтр должен ее подавлять. Я не имею статистики измерений параметров сети. Хотя замечал, как мощные трансформаторы, работая при постоянной нагрузке, вдруг начинали гудеть то больше, то меньше. Явно из-за каких-то изменений в сети. Когда даже ненагруженный трансформатор включается в сеть, по его первичной обмотке начинает течь ток намагничивания. Под нагрузкой ток первичной обмотки увеличивается, но ток намагничивания остается прежним (он даже несколько уменьшается из-за падения напряжения на омическом сопротивлении первичной обмотки). Ток намагничивания мал, так как первичная обмотка на сетевой частоте обладает значительным импедансом. Но если добавить в сетевое напряжение постоянную составляющую, то эта добавка создаст дополнительный ток намагничивания. Его величина будет определяться лишь импедансом первичной обмотки на нулевой частоте, т.е. ее омическим сопротивлением. Поэтому даже незначительное постоянное напряжение (порядка сотен милливольт) может значительно увеличить ток намагничивания. В таких условиях есть реальная опасность насыщения магнитопровода со всеми вытекающими последствиями. Откуда взяться постоянной составляющей в сети, которая развязана трансформаторами на подстанциях - это отдельный вопрос. Но вся эта тема актуальна только для мощных трансформаторов с низким сопротивлением первички. А здесь первичка имеет 337 Ом при токе холостого хода около 6.5 мА. Поэтому те сотни мВ постоянки, которые могут быть в сети, погоды не сделают.
Теперь очередь за практической реализацией всего этого.