В даний час в більшості електронних пристроїв джерел постійної напруги використовуються вбудовані або зовнішні імпульсні блоки живлення (ІБП). Основний принцип роботи (ІБП) полягає в тому, що мережеве змінна напруга спочатку випрямляється, далі перетворюється в змінну високочастотну напругу прямокутної форми, яке потім знижується або підвищується трансформатором до необхідних значень, далі випрямляється, фільтрується і стабілізується за допомогою зворотного зв'язку (ОС).

Широке поширення (ІБП) обумовлено декількома причинами: невеликою вагою, малими габаритами, високим ККД, низькою вартістю, широким діапазоном живлячої напруги і частоти, високим ступенем стабілізації вихідної напруги і т.д.

До недоліків (ІБП) можна віднести те, що всі вони без винятку є джерелами інтенсивних електромагнітних завад (ЕПМ), це пов'язано з принципом роботи схеми перетворювача, тому що сигнали в (ІБП) представляють собою періодичну послідовність імпульсів. Спектри таких сигналів займають діапазон частот шириною до декількох мегагерц. Перешкоди можуть поширюватися у вигляді струмів, поточних в провідних елементах, контурі заземлення і самої землі (кондуктивні завади) і у вигляді електромагнітних полів в непровідних середовищах (індуктивні перешкоди).

Так само самі (ІБП) досить сприйнятливі до впливу зовнішніх (ЕПМ). У зв'язку з цим виникає необхідність, як придушувати перешкоди, які вони генерують і наводять в мережу живлення, так і захищати їх від зовнішніх перешкод, що проникають з мережі живлення. Для цієї мети (ІБП) в обов'язковому порядку повинен мати мережевий фільтр придушення (ЕПМ), або як його ще називають EMI - фільтр (рис. 1).

Рис.1 Вбудований мережевий фільтр придушення електромагнітних перешкод.

Треба відзначити, що такий фільтр буде працювати як в прямому, так і в зворотному напрямку, тобто послабить як вхідні, так і вихідні перешкоди.

Кондуктивна перешкода по мережі живлення має дві складових - протифазні і синфазну.

Протифазні (диференціальна, симетрична) складова перешкоди - це напруга перешкоди між шинами харчування, фазою (L) і нулем (N) живильної мережі. Струм протифазної перешкоди, наведений на обидва дроти електромережі, протікає по ним в протилежних напрямках (рис.2).

Рис.2 Напрямок струмів протифазних перешкод.

Протифазні напруги перешкод безпосередньо накладаються на напруга живлення мережі живлення, впливають на лінійну ізоляцію між проводами і можуть бути сприйняті як керуючі сигнали в пристроях, і тим самим викликати помилкове спрацьовування.

Синфазна (асиметрична, несиметрична) складова перешкоди - це напруга перешкоди між шинами харчування мережі живлення і корпусом пристрою (заземленням), тобто між фазою (L) і землею (GND), нулем (N) і землею (GND). Струм синфазної перешкоди протікає по шинам мережі живлення в одному напрямку (рис.3).

Рис.3 Напрямок струмів синфазних перешкод.

Синфазні завади обумовлені головним чином різницею потенціалів в ланцюгах заземлення пристрою, викликаної струмами в землі (аварійними, при замиканнях високовольтних ліній на землю, робочими або струмами блискавки), а так само магнітними полями. Синфазні напруги перешкод впливають на ізоляцію проводів щодо землі і можуть вести до електричних пробоїв. Так само може відбуватися часткове або повне перетворення синфазної перешкоди в протифазні.

Крім мережевого фільтра вхідні кола (ІБП) повинні мати захист від короткого замикання (Запобіжник), імпульсних кидків напруги в мережі живлення (Варистор і супресорів), обмежувач кидка струму при включенні (ІБП) в мережу живлення (Термістор), а так само мати захист від зовнішніх впливів, наприклад грози або високовольтного електричного пробою (Разрядник). На (рис. 4) показана схема багатоланкового мережевого фільтра, що забезпечує якісне придушення синфазних і диференціальних перешкод з елементами захисту вхідних ланцюгів (ІБП).

Рис.4 Схема багатоланкового мережевого фільтра придушення (ЕПМ), з елементами захисту вхідних ланцюгів (ІБП).

Схема фільтра реалізована на основі двох фільтрів нижніх частот (ФНЧ) шляхом каскадного сполуки (Г-образних) або (Т-образних) ланок. Призначення елементів схеми мережевого фільтра наступне:

З Y 1, CY 2 - конденсатори Y типу призначені для придушення синфазної складової перешкоди. Вибір величини ємності конденсаторів CY, в першу чергу, визначається значенням безпечного для людини струму заземлення, величина якого для устатковання загального призначення становить не більше 2мА, а для медичного не більше 0,1мА. Ємність Сy конденсаторів варіюється від 470пФ до 10000пФ, на робочу напругу 3кВ. Яка б не була ємність Сy конденсаторів, повністю прибрати перешкоди неможливо, можна тільки їх зменшити. Для однофазної мережі живлення з номінальною напругою до 250В використовуються конденсатори класу Y2, які витримують імпульси до 5кВ. Збільшення ємності конденсаторів CY покращує фільтрацію синфазних перешкод, але збільшує струм витоку.

З X 1, CX 2, CX 3-к онденсатори X типу призначені для придушення протифазної складової перешкоди. Завдання СХ конденсаторів не пропускати перешкоди з зовнішньої мережі живлення в (ІБП), а так само не випускати перешкоди, створені самим (ІБП) у зовнішнє мережу живлення.

Опір конденсаторів CX зменшується з ростом частоти, отже, перешкоди і різкі скачки напруги шунтуються (закорочуються) на вході і виході мережевого фільтра. Ємність СX конденсаторів варіюється від 0,1мкФ до 1мкФ і залежить від потужності (ІБП). Яка б не була ємність СХ конденсаторів, повністю прибрати перешкоди неможливо, можна тільки їх зменшити. Для однофазної мережі живлення з номінальною напругою до 250В використовуються конденсатори класу Х2, які витримують імпульси до 2,5кВ. До конденсаторів типу СХ пред'являються високі вимоги по безпеці. Вони повинні витримувати максимально можливі сплески напруги в мережі живлення, не повинні загорятися і підтримувати горіння. Збільшення ємності конденсатора CX покращує фільтрацію диференціальних перешкод, але призводить до збільшення реактивного струму.

L Y 1 синфазний дросель використовуються для придушення синфазних перешкод. Він виконаний на тороідальному ферритовом осерді з досить високою магнітною проникністю (μ) і має дві ідентичні обмотки (рис. 5).

Рис.5 Схема синфазного дроселя.

У разі появи синфазних струмів перешкод, магнітні потоки обох обмоток складаються, тому що обмотки дроселя виявляютьсявключеними послідовно з шинами харчування фазою (L) і нулем (N) живильної мережі. Вхідний імпеданс збільшується, що призводить до пригнічення синфазних струмів перешкод і значного зниження амплітуди шумового сигналу. Індуктивний опір XL зростає зі збільшенням частоти синфазних перешкод: XL = 2πfL, f-частота перешкод, L-індуктивність включених послідовно обмоток дроселя.

Коли через обмотки протікають диференціальні струми перешкод, вони індукують низькочастотні магнітні поля, які при такому включенні мають протилежні напрямки і взаємно компенсують один одного.

Таким чином, обмотки дроселя для синфазної складової перешкоди мають велике індуктивне опір, оскільки для синфазного струму вони включені згідно. У той же час для протифазної складової перешкоди індуктивний опір обмоток мінімально, так як для протівофазного струму вони включені зустрічно.

Індуктивність синфазного дроселя LY визначається багатьма параметрами і лежить в діапазоні від 10мГн до 0,47мГн при струмі споживання від 1A до 10A. Початкова магнітна проникність сердечника μi = 6000-10000. Розміри ферритового сердечника і діаметр проводу обмоток залежать від потужності (ІБП) з урахуванням пускових струмів. Збільшення індуктивності синфазного дроселя покращує фільтрацію, але призводить до збільшення активного опору обмоток.

L X 1 Z образний дросель призначений для придушення протифазних (диференціальних) перешкод. Дросель має дві однакові обмотки намотаних сонаправленнимі, на тороідальному ферритовом осерді з зазором або магнітодіелектріческіе осерді з розпорошеного заліза (Iron powder core) (рис. 6).

Рис.6 Схема Z-подібного дроселя.

Індуктивність Z-образного дроселя LX залежить від багатьох параметрів і лежить в діапазоні від 270мкГн до 47мкГн при струмі споживання від 1А до 10A. Сердечник з розпорошеного заліза може бути серії DT68-DT106. Розміри сердечника і діаметр проводу обмоток залежать від потужності (ІБП) з урахуванням пускових струмів.

L1, L 2 - ВЧ дроселі забезпечують подальше ослаблення високочастотних перешкод. Чи включаються послідовно з шинами харчування фазою (L) і нулем (N) живильної мережі на виході мережевого фільтра. Містять мало витків і виконуються на феритових кільцях з малим значенням магнітної проникності μ. Їх застосування дозволяє розширити діапазон частот ефективного придушення перешкод фільтром до 50-60МГц. Індуктивність ВЧ дроселів лежить в діапазоні 5-10 μH і залежить від частоти ослаблення ВЧ перешкод. Розміри сердечника і діаметр проводу обмоток залежать від потужності (ІБП) з урахуванням пускових струмів.

R2, R 3 - резистори зменшують добротність L1, L2 для усунення резонансних явищ.

RK 1 - терморезистор (NTC термістор) призначений для обмеження кидка струму при включенні (ІБП) в мережу живлення. Термістор - напівпровідниковий прилад, електричний опір якого змінюється в залежності від його температури. Термістори бувають двох типів: з позитивним і негативним температурним коефіцієнтом. У термистора з позитивним коефіцієнтом при підвищенні температури опір зростає, а з негативним коефіцієнтом - зменшується. Їх скорочені назви англійською мовою: PTC (positive temperature coefficient) і NTC (negative temperature coefficient).

Термістор включається послідовно з однієї з шин харчування фазою (L) або нулем (N) живильної мережі. NTC термістор, при температурі навколишнього середовища, має опір в кілька Ом. У момент включення (ІБП) в мережу живлення, конденсатор випрямляча заряджається, тому є короткозамкнутую навантаження. У ланцюзі харчування відбувається кидок струму, але термистор поглинає його, перетворюючи в тепло. Далі термистор розігрівається, його опір падає майже до десятих часток Ома і він не впливає на роботу пристрою. Відбувається так званий м'який пуск.

Термістор є інерційним елементом. Фактично при короткочасному відключенні харчування і повторному пуску, термістор не працює як елемент захисту, тому що повністю відновлює свої властивості тільки через 5-10 хв. Температура термистора в робочому стані, коли його опору близької до нуля, може доходити до 250 градусів.

R1 - резистор забезпечує швидкий розряд конденсаторів СX при відключенні мережевого кабелю від мережі живлення і необхідний для безпечного поводження з пристроєм.

FV 1-розрядник призначений для обмеження перенапруг в електротехнічних установках і електричних мережах . Розрядник складається з електродів з іскровим проміжком між ними і дугогасительного пристрою. Один з електродів приєднується до захищається ланцюга, інший - заземлюється. Коли до такого пристрою прикладається висока імпульсна напруга зі швидкістю близько 1 кВ / мкс, виникає розряд. Чим менше швидкість наростання фронту, тим вище повинна бути напруга, "запалює" розряд. Через такий пристрій може проходити імпульсний струм до 100ка. Незважаючи на відмінну здатність знижувати напругу, розрядник має час реакції від сотень наносекунд до одиниць мікросекунд, що в десятки разів повільніше в порівнянні з варисторами. Застосування даних пристроїв актуально, де є небезпека прямого удару блискавки в дроти електромережі або високовольтних джерелах живлення, де є ймовірність попадання високої напруги на шини (L) або (N) живильної мережі.

RU 1 - варістор захищає ланцюга від імпульсних кидків напруги або збільшує швидкість спрацьовування запобіжника. Варистор - це напівпровідниковий резистор, опір якого різко змінюється при зміні прикладеної напруги вище номінального.

Варистор включається на вході мережевого фільтра паралельно вхідному мережевої напруги 220В і практично завжди знаходиться під цим напругою, проте струм в цьому стані через варістор дуже малий тому його опір в цьому випадку сотні МОм. У разі виникнення високовольтного імпульсу напруги здатного вивести з ладу (ІБП), варістор практично миттєво змінює свій опір до десятків Ом, тобто шунтирует (закорачивает) ланцюг харчування, ток в цьому стані може досягати декількох тисяч ампер, а поглинена енергія розсіюється у вигляді тепла . Варистор не володіє інерцією, тому після поглинання імпульсу він миттєво відновлює свої властивості.

Одного варістора може бути не достатньо в разі аварії на лінії електропостачання, коли замість фази і нуля по обом проводам подали фазу. Для захисту від такого роду аварій доцільно включати в схему кількох варисторів, як показано на (рис.7).

Рис.7 Схема захисного трикутника на варисторах.

Ця схема з трьох варисторів на вході мережевого фільтра надійно блокує проникнення імпульсу не тільки по фазової ланцюга (L), але і по ланцюгу нуля (N). Варистор RU1 підключається між фазою і нульовим провідником. Він здійснює основний захист. Два інших RU2 і RU3 підключаються між фазою (L) і землею (Gnd), а так само між нулем (N) і землею (Gnd). Принцип роботи RU2 аналогічний, описаного вище RU1. Варистор RU3 контролює напругу між нулем (N) і землею (Gnd). Якщо все нормально, напруги бути не повинно або воно вкрай мало (одиниці вольт). У разі появи великої напруги на дроті (N), як правило, фази (L), варістор RU2 благополучно зашунтірует захищається блок.

VD 1-захисний діод TVS (Transient Voltage Suppressor) або супресор забезпечує подфільтровку залишкових перенапруг, які пройдуть через варистори, без помітних викидів на шину заземлення. Так як ємність варисторів становить не менше 1000пФ, то вони не дозволяють фільтрувати високочастотні викиди вище 100 МГц. У таких випадках кращим рішенням є застосування швидкодіючого супресор-діода. Принцип роботи супрессора заснований на яскраво вираженою нелінійної вольтамперної характеристиці. Якщо амплітуда електричного імпульсу перевищить паспортне напругу для конкретного типу, то він перейде в режим лавинного пробою, тобто імпульс напруги буде обмежений до нормальної величини, а надлишки підуть на землю (GND). Відмінною рисою супресорів є дуже короткий час реакції на перевищення напруги, швидкість перемикання лежить в пикосекундной діапазоні. Супресори випускаються як несиметричні (односпрямовані), так і симетричні (двонаправлені). Симетричні можуть працювати в ланцюгах з двохполярним напругою, а несиметричні тільки з напругою однієї полярності. У маркуванні супрессора 1.5КЕ400СА зашифровані основні його характеристики. 1,5 Потужність 1500Вт; 400-напруга пробою 440В; З-двонаправлений (без букви односпрямований); А- допустиме відхилення напруги 5%. Симетричний захисний діод 1.5КЕ440СА можна замінити двома такими ж однополярним (без індексу СА), включеним зустрічно. Для надійного захисту мережевого фільтра і вхідних ланцюгів (ІБП) супресори включаються за схемою захисного трикутника, як і варистори (рис. 7).

Для захисту від зовнішніх індуктивних перешкод застосовують екранування, як все (ІБП), так і окремо мережевого фільтра. Екранування виконується за рахунок використання металевого корпусу, з обов'язковим з'єднанням з шиною заземлення. Це перешкоджає поширенню випромінюваних електромагнітних завад за межі корпусу (ІБП), а так же пригнічує зовнішні електромагнітні перешкоди, які впливають на (ІБП).

Застосування високоефективних індуктивно-ємнісних помехоподавляющих фільтрів дозволяє убезпечити обладнання від шкідливого впливу входять перешкод, а так само знизити вихідні перешкоди, які генеруються всередині самого обладнання. Використання фільтрів придушення (ЕПМ) - одна з основних вимог щодо електромагнітної сумісності сучасного обладнання.

Компанія Лазер-блок є виробником високовольтних блоків харчування для лазерних верстатів з СО2 випромінювачами. У випускаються нами блоках харчування для лазерних верстатів, або як їх ще називають, блоки розпалювання для лазера, ми використовуємо тільки високоякісні електронні компоненти, які закуповуємо з усього світу, а так само використовуємо і вітчизняні аналоги, які славляться своїм запасом міцності. Наші інженери постійно проводять дослідження в лабораторії, вносячи корективи в схеми.