3.3 Фильтры

Защита от кондуктивных помех основана на использовании фильтров или других устройств заграждения. При помощи фильт­ров можно осуществлять ослабление помех общего вида и диффе­ренциального типа, как в сигнальных, так и в силовых цепях.

Основной характеристикой фильтра является коэффициент вносимых потерь, представляющий собой отношение напряжений на выходе цепи с входным сопротивлением 50 Ом (в функции частоты) до и после внедрения фильтра в цепь.

Действительный коэффициент затухания может отличаться от коэффициента вносимых потерь так как, главным образом для силовых цепей, входные сопротивления источника помех и нагрузки могут значительно отличаться от 50 Ом. Так как вид АЧХ фильтров зависит от входных сопротивлений, коэффициент вносимых потерь полезно использовать для сравнения эффективности разных фильтров.

Для выбора типа фильтра имеют особую важность следующие параметры:

• должно быть достигнуто максимальное рассогласование между входными сопротивлениями фильтра и цепи — источника помех;

• также должны быть правильно оценены уровни сопротивления изоляции и номинальные значения токов и напряжений.

Рисунок 3.14 – Различные типы фильтров, на основе различных входных

сопротивлений: а) емкость; б) r-образные фильтры; в) П – образный фильтр; г) Т – образный фильтр

На рисунке 3.14 показаны различные типы фильтров низких частот, соответствующие различным типам защищаемых устройств. Для достижения максимального рассогласования возможно применение следующих конфигураций:

емкостной вход (выход) должен присоединяться к источнику (нагрузке) с высоким сопротивлением (> нескольких Ом);

индуктивный вход (выход) должен присоединяться к источнику (нагрузке) с низким сопротивлением.

Рисунок 3.15 – Схема фильтра для силовой сети

Схема фильтра для силовой цепи в общих чертах представлена на рисунке 3.15.

Так как целью фильтра является создание высокого сопротивления (для обеспечения значительного затухания помех), то лю­бые паразитные емкости (или взаимные индуктивности) между входными и выходными цепями фильтра могут снижать это со­противление, создавая обходные пути для помех и снижая эффек­тивность фильтра (смотри рисунок 3.16,а).

Отсюда следует, что выходные цепи следует располагать вдали от входных цепей фильтра. Если ток помехи отводится в экран, как в случае Т - образного фильтра на рисунке 3.16, б, то качество его выполнения становится очень важным.

На рисунке 3.16,в показано, что наличие любого сопротивления Zg снизит эффективность работы фильтра.

Рисунок 3.16 – Некоторые наиболее общие нарушения в работе фильтров

Указанные нарушения легко могут проявиться и в других уст­ройствах, относящихся к интерфейсам ввода/вы кода (раздели­тельных трансформаторах, оптопарах и т.п.), поэтому очень важно правильно позиционировать их. Например, если интерфейсы вво­да/вывода должны присоединяться к земле, то полные сопротив­ления этих связей должны быть минимизированы для гарантии эффективности действия устройств.

3.4 Устройства защиты от перенапряжений

Работа защитных устройств основана на сохранении высокого сопротивления по отношению к земле до появления кратковре­менных перенапряжений, когда их сопротивление изменяется практически до нулевого и отводит подходящую энергию.

Ниже приведены три основных типа защитных устройств (за подробностями следует обращаться к п/п 7.3.5):

• заградительные диоды для переходных процессов (обладают высокой скоростью перехода из одного состояния в другое, при­годны для защиты цепей напряжением до 400 В). Для высоких на­пряжений используются лавинные диоды (стабилитроны). Имеют удовлетворительные характеристики, кроме малых импульсов тока. Кроме того, их емкости довольно велики (500—2000 пФ);

• варисторы (обладают меньшей скоростью переключений по сравнению с лавинными диодами, пригодны для защиты цепей напряжением до 2 кВ) Варисторы являются нелинейными резис­тивными элементами, изготовленными из спеченных друг с дру­гом блоков оксида цинка (в смеси с оксидами некоторых других металлов). Постоянное воздействие максимально допустимых па­раметров ухудшает характеристики, сокращает срок службы. Ва­ристоры, подобно диодам, обладают большими емкостями (100 – 4000 пФ в зависимости от параметров).

• Газовые разрядники или искровые промежутки (обладают очень низкой скоростью срабатывания, наибольшим номиналь­ным напряжением до 0 кВ) Данные устройства представляют со­бой небольшие запечатанные искровые промежутки, заполненные внутри инертным газом (аргоном, неоном). При появлении им­пульса напряжения на разряднике (большего, чем напряжение срабатывания) происходит пробой газа. К сожалению, для начала этого процесса может потребоваться некоторое время. Следствием этого является срез импульсов с большой крутизной фронта при более высоких значениях напряжений, чем импульсов с более по­логими фронтами. Обладают малыми емкостями (1—3 пФ).

Для создания качественной системы защиты иногда полезно объединять различные элементы, так как различные защитные ус­тройства обладают различными характеристиками в различных диапазонах. Например, на нижеследующем рисунке показано воздействие волны напряжения амплитудой 10 кВ на линию номинальным напряжением 24 В, защита которой осуществляется последовательно искровым промежутком, варистором и, наконец, диодом. Видно постепенное затухание волны по мере прохождения нескольких устройств защиты от перенапряжений.

Рисунок 3.17 – Типовая конструкция в виде пчелиных сот