Зачем нужны фильтрующие конденсаторы
Перейти к содержимому

Зачем нужны фильтрующие конденсаторы

  • автор:

Объясните на пальцах, как работает «фильтрующий конденсатор», впаяный параллельно источнику переменного напряжения.

Я ж написал — конденсатор впаяный ПАРАЛЛЕЛЬНО источнику.

Ну а раз уж пишите что-то на счёт фильтров, то хоть верные данные давайте, а то сами путаетесь.

То что вы говорите и ребёнку из школы ясно. Если включить в разрыв, то это будет фильтр пропускающий только токи высоких частот.

А если включить его параллельно, то это будет накопитель напряжения, т.е. он будет его сглаживать, как и сказал Moore, но это немного нето что мне нужно: мне интересно, что такой конденсатор может фильтровать?

CS-CS.Net: Лаборатория Электрошамана

Сборка электрощитов, автоматика и автоматизация для квартир и частных домов. Программы для ПЛК. Сценический свет (световые шоу, настройка оборудования). Консультации, мастер-классы.

Щит с автоматикой IPM для коттеджа (Поварово)

Щит с автоматикой IPM для коттеджа (Поварово)

Автоматика моего санузла на логическом реле ABB CL

Автоматика моего санузла на логическом реле ABB CL

Щиты TwinLine в Долгопрудный (таунхаус) и Солнечногорск

Щиты TwinLine в Долгопрудный (таунхаус) и Солнечногорск

Щит для котельной на базе сенсорного ПЛК ОВЕН (Папушево)

Щит для котельной на базе сенсорного ПЛК ОВЕН (Папушево)

Щиты с IPM (сеть, генератор, UPS) в Ядромино и Победа-2

Щиты с IPM (сеть, генератор, UPS) в Ядромино и Победа-2

Щит в ЖК Монэ на ПЛК ОВЕН со сценарным управлением светом

Щит в ЖК Монэ на ПЛК ОВЕН со сценарным управлением светом

Силовой щит в Весёлово (Тула): Простой трёхфазный

Силовой щит в Весёлово (Тула): Простой трёхфазный

Щит для квартиры в Митино на ПЛК ОВЕН (свет, отопление)

Щит для квартиры в Митино на ПЛК ОВЕН (свет, отопление)

О сетевых фильтрах и конденсаторах (вынос потенциала по PE между устройствами)

Импульсный блок питания формата ATX

Импульсный блок питания формата ATX

Итак, мы возвращаемся к предыдущей статье о том, почему же сгорел USB-порт? В результате разбирательств (правда уже задним числом), выяснился интересный факт, о котором можно сделать заметку. Итак, поговорим о помехах и защите от них, сетевых фильтрах и конденсаторах, стоящих внутри блоков питания и почему это всё бьётся током.

Как известно, сейчас практически везде используются так называемые импульсные источники питания, принцип работы которых основан на преобразовании напряжения на более высокой частоте, чем обычные 50Гц в трансформаторных источниках питания. С повышением частоты уменьшаются габариты и масса трансформаторов, за счёт чего при таких же размерах источника питания можно получить в несколько раз бОльшую выходную мощность.

Схемотехника импульсных блоков питания обычно следующая: сетевое напряжение 220 выпрямляется и фильтруется диодным мостом с конденсаторами, после чего подаётся на каким-либо образом (микросхема, автогенератор) реализованный преобразователь, основой которого обычно является импульсный трансформатор. На фото платы источника питания Mean Well (вот отдельный пост про них) этот трансформатор хорошо видно:

Внутренняя плата источника питания S-15-5

Внутренняя плата источника питания S-15-5

Часть его обмоток используется для обратной связи с преобразователем, а остальные используются для получения нужных выходных напряжений блока питания.

Но за все достоинства такого блока надо платить. В первую очередь, это высоковольтные компоненты — транзисторы, которые должны работать при амплитудных значениях напряжения достигающих 350 вольт, не говоря об амплитуде коммутационных импульсов. Диодный мост, конденсаторы, да и вообще примерно половина платы такого импульсника находится под сетевым напряжением! Вот она — плата за компактность! А ещё это всё надо защищать от перегрузок, замыканий или пробоев, чтобы на «нежную» нагрузку не пошло сетевое напряжение. Издавна бытует поверье, что компьютерные блоки питания отличаются качеством на вес: более качественно разработанный и собранный блок весит больше! 😉

А теперь подбираемся к самому важному для нас. Мало того, что с импульсниками по факту много возни из-за высокого напряжения, так это чудо ещё и генерирует в сеть кучу помех (тоже, хе-хе, импульсных), возникающих из-за процессов коммутации обмоток трансформатора ключами. Для аналогии можно представить например коллекторный двигатель, щётки и коллектор которого постоянно коммутируют обмотки якоря под большими токами, прямо-таки загрязняя питающую сеть импульснымми выбросами. Плохие производители по-тихому забивают на это, ну а более-менее хорошие — ставят сетевые фильтры по питанию.

На эту тему мне попалась замечательная статья автора BSVi — Сетевые фильтры и помехоподавляющие конденсаторы, где всё это расписано наглядно и с картинками. Я позволю себе кратко пересказать её содержание.

Простейший фильтр помех представляет собой конденсатор определённой ёмкости, включённый параллельно источнику помех.

Пример простейшего фильтра сетевых помех

В этом случае ток помехи замыкается через этот конденсатор, не выходя за пределы устройства. Более сложная схема фильтра обычно выглядит вот так, и содержит целый набор конденсаторов и дросселей, которые не выпускают токи помехи за пределы корпуса устройства. Данная схема относительно стандартная и в том или ином виде находится практически в каждом уважающем себя импульснике. Помехи, создаваемые устройством на его проводах питания, шунтируются дросселем и конденсатором C1. А излучаемые помехи (так как у нас большие токи и напряжения коммутации) экранируются корпусом, замыкаясь через конденсаторы С2 и C3. Всё прекрасно.

Более сложная и эффективная схема сетевого фильтра

Для нас с электрической стороны дела интересно обратить внимание на то, что два конденсатора (C2 и C3) здесь включены между сетевыми проводниками и корпусом (PE-проводник имеет контакт с металлическим корпусом)! Так как мы находимся в России, то «заземления» у нас практически нигде нет (дата-центры, офисы и кулибиных с батареей в расчёт не берём) и защитный PE-проводник часто оказывается никуда не подключённым. В этом случае очень часто проявляется обсуждаемый на множестве форумов эффект «покалывания» и «пощипывания» от стиралок, микроволновок и конечно компьютеров — кто из нас не получал удар током, ковыряясь в системнике стоящем рядом с батареей? 😉

Ёмкость C1 обычно ставится около 0,1 мкФ, а ёмкости C2 и C3 — около единиц нФ, поэтому долбать будет не сильно, но ощутимо. По этой же причине этот ток утечки при ёмкостях C2, C3 2,2 нФ будет равен около 70 мкА, что при всём желании не вызовет срабатывание УЗО. Естественно, в офисах или других местах, где ставится много аппаратуры с такими фильтрами, потребуется разбивание питающих линий на группы (по УЗО/ДифАвтомату на группу) в таком количестве, чтобы суммарный ток утечки через такие фильтры был меньше примерно половины номинального тока срабатывания УЗО. Для понимания рисую ещё одну схемку, в упрощённом виде:

Путь токов утечки через УЗО

Но это ещё не все сюрпризы от импульсников, и не все грабли, на которые можно наступить! Курим помехозащищённость дальше, и оказывается, что мы забыли ещё вот о какой мелочи: частоты коммутации у нас высокие (да-да, я не устану про это напоминать) — например килогерц 40 и выше. Значит нам придётся вспомнить о том, что между обмотками трансформатора есть некая ёмкость, которая довольно неплохо проводит ток (на схеме ниже я обозначил её как C4). До сих пор мы защищали питающую сеть от нашего импульсного блока питания. А теперь смотрим и видим, что через межобмоточную ёмкость трансформатора все помехи коммутации (условно изображено ключом на схеме) пойдут в нагрузку!

Схема, фильтрующая помехи по емкостной связи

Для этого тоже придумали решение, которое в некоторых случаях оказывается роковым. Добавляется физическая ёмкость (деталька) C5, которая по высокой частоте соединяет выходную обмотку трансформатора с точкой источника помех коммутации — ключом. Через эту ёмкость отлично замыкаются все токи помехи, документация на блок питания нам радостно рапортует, что всё хорошо, а мы получаем связь по переменному току выхода с питающей сетью. А до кучи в некоторых блоках питания с металлическим корпусом цепляют ёмкость C6, которая по переменному току соединяет выходную цепь с корпусом (тут корпус как бы в пределах блока выполняет роль некоей ГЗШ — главной заземляющий шины, на которой замыкаются все токи помех). А если корпус не заземлён — снова получаем половину питания 50Гц на выходе. Ну как минимум их связь. И ещё отмечу, что так как связь через конденсаторы — то попытки прозвонить и найти её тестером будут конечно же безуспешны! 😉

Меры предосторожности и лечение

Итак, причину появления «кусь-кусь» от устройств и выгорания портов USB мы выяснили. Теперь нужно разобраться, что же с этим делать? Кулибинские решения типа «выкусить конденсатор» отметаем сразу, хотя бы потому что этот кулбини выкусит конденсатор только в одном устройстве. А их несколько- например в компьтере: монитор, принтер, системник.

Идея всех остальных решений — содать какую-то область, где все-все потенциалы на корпусах относительно неё будут одинаковы. В лучшем случае — это вся квартира целиком (если мы говорим про домашние разработки и кулибинство). В худшем случае — это что-то в пределах рабочего стола среди компьютера, отлаживаемого устройства и вспомогательной аппаратуры. Вплоть до того, что куском провода тупо соединить корпуса компа, отлаживаемой платы и осциллографа вместе.

Грамотное решение — полный переход на трёхпроводную систему (с полным соблюдением требований по переходу на неё — читай реконструкция стояка) с перекладкой проводки от вводного щитка, но это уже отдельная тема с кучей своих заморочек. Здесь возникает ещё такая дилемма: в двухпроводных сетях PE-провод рекомендуется никуда не подключать, а по нашим выводам, наоборот — у всех устройств соединять вместе, поэтому я специально оговариваю ещё раз: такое «кривое» выравнивание потенциалов может быть использовано только грамотным разработчиком, который знает, что и главное — ПОЧЕМУ делает!

Простейшее решение, как я и говорил — обычная многорозеточная колодка «с заземлением» и трёхпроводные кабели от всех устройств, где есть металлический корпус.

З.Ы. Всё, что не происходит — к лучшему. Не купил бы блок от Mean Well — не выжег бы порт — не обратил внимание на такую особенность импульсников и потом в готовом устройстве, которое рулит 220 вольтами и ещё по USB/RS-232 с компом общается, вылезли бы все эти косяки.

З.Ы.2. Иногда, мать его, обычный 50Гц-овый трансформатор и КРЕНка надёжнее и безопаснее импульсника! 😉

Вся правда о конденсаторах: волшебные свойства загадочных баночек

Было ли лучшее время для энтузиастов и любителей Hi-Fi, чем конец 1970-х и начало 1980-х годов? С одной стороны, так много всего происходило с развитием цифрового аудио, а с другой — наблюдался рост субъективизма. Внезапно проигрыватели и усилители стали оценивать не по уровню детонации, выходной мощности и гармоническим искажениям, а по их звучанию! И можно было даже всерьёз говорить о звучании кабелей. В этой новой атмосфере всё, что когда-то считалось само собой разумеющимся в области Hi-Fi, стало кандидатом на переоценку.

Пристальному изучению подверглось и влияние на звук пассивных электронных компонентов — резисторов, индуктивностей и конденсаторов. В особенности, конденсаторов. Знающие люди начали обсуждать такие явления как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и диэлектрическое поглощение.

Сегодня мы нечасто слышим об этой теме, но не потому, что проблема была исчерпана. Скорее всего, разработчики нынче уделяют столь же пристальное внимание используемым пассивным компонентам, как и схемам, в которых они применяются, так что общественный фурор несколько стих.

В простейшем виде конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделённых воздухом (или, ещё лучше, вакуумом) и схематично изображён на рис. 1. Поскольку между пластинами нет проводящего пути, конденсатор блокирует постоянный ток (например, от батареи). При этом конденсатор, напротив, пропускает сигналы переменного тока — как раз такие как звуковые волны.

Рис. 1. Компоненты, из которых состоит конденсатор — две проводящие пластины, разделённые слоем диэлектрика.

Рис. 1. Компоненты, из которых состоит конденсатор — две проводящие пластины, разделённые слоем диэлектрика.

Проверенное решение

Мы нечасто сталкиваемся с воздушными конденсаторами, но если вы заглядывали внутрь старого лампового радиоприемника и видели элемент, отвечающий за настройку, который состоит из чередующихся металлических пластин, это как раз воздушный конденсатор переменной ёмкости. В большинстве конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся в аудиотехнике и прочей электронике, в качестве изолирующего материала (диэлектрика), разделяющего пластины, не используется воздух, поскольку он имеет низкую диэлектрическую постоянную (1,0), а это означает, что воздушные конденсаторы большой емкости слишком громоздкие, чтобы быть практичными. По этой причине используются, в основном, твёрдые диэлектрики, с более высокими диэлектрическими свойствами, в том числе из керамики и различных видов пластмасс (например, ПВХ с диэлектрической проницаемостью 4,0). Именно здесь история становится особенно интересной, поскольку для всех этих диэлектриков характерны те или иные компромиссы в плане влияния на звук, в то время как воздух практически идеален.

Простые фильтры

Для начала, узнаем побольше о том, как ведут себя конденсаторы и для чего они используются. Конденсаторы блокируют постоянный ток и пропускают переменный, однако они не пропускают переменный ток с разной частотой одинаково. Это объясняется тем, что конденсаторы обладают реактивным сопротивлением, которое снижается с увеличением частоты (к слову, катушки индуктивности тоже обладают реактивным сопротивлением, которое, наоборот, увеличивается с ростом частоты).

Таким образом, конденсаторы пропускают высокочастотные сигналы легче, чем низкочастотные, что делает их крайне полезными в частотно-селективных цепях (то есть, в фильтрах), а также для устранения нежелательных сигналов (например, гул или шум с шины питания постоянного напряжения).

Простые фильтры верхних и нижних частот показаны на рис.2. В фильтре верхних частот (рис. 2а) последовательно включенный конденсатор подключен к шунтирующему резистору. В фильтре нижних частот (рис. 2b) конденсатор и резистор меняются местами.

Рис. 2. RC-фильтр первого порядка верхних (2a) и нижних (2b) частот.

Рис. 2. RC-фильтр первого порядка верхних (2a) и нижних (2b) частот.

Итак, конденсаторы зачастую используются для объединения цепей, отделения нежелательного шума в цепях постоянного напряжения и в частотно-селективных цепях (фильтрах). Поскольку конденсаторы накапливают электрический заряд, большие из них также применяются в качестве резервуаров в источниках питания переменного и постоянного тока. На рис. 3 показан типовой источник питания, включающий в себя понижающий трансформатор (он понижает напряжение сети), мостовой выпрямитель (который преобразует переменный ток из трансформатора в импульсный постоянный ток) и пару конденсаторов-резервуаров (сглаживающих пульсации после выпрямления переменного тока).

Рис.3. Принципиальная схема двухполупериодного источника питания, состоящего из понижающего трансформатора, двухполупериодного мостового выпрямителя и двух резервуарных конденсаторов.

Рис.3. Принципиальная схема двухполупериодного источника питания, состоящего из понижающего трансформатора, двухполупериодного мостового выпрямителя и двух резервуарных конденсаторов.

Подобные схемы встречаются во многих твердотельных аудиокомпонентах. Аналогичные решения используются и в ламповом оборудовании, но из-за высоких напряжений, требуемых для работы ламп, трансформатор здесь обычно повышает напряжение сети.

Ёмкость резервуарных конденсаторов, используемых в транзисторных усилителях мощности, может достигать 50 000 мкФ и более, тогда как в других случаях в схеме могут использоваться конденсаторы емкостью 1 НФ (одна тысячная микрофарада) или даже меньше. Таким образом, очевидно, что некоторые типы конденсаторов лучше подходят под определённые задачи, чем другие.

Важное уточнение

Как правило, самые большие резервуарные конденсаторы являются электролитическими, ведь они обеспечивают высокую ёмкость в сравнительно небольшом объёме. Такие конденсаторы содержат электролит (жидкость или гель), который химически реагирует с металлической фольгой внутри банки, образуя слой диэлектрика. Подобные электролитические конденсаторы, а также некоторые другие — например, танталовые, называются полярными, а несоблюдение полярности подключения может привести к их выходу из строя.

Другая разновидность — неполярные конденсаторы, которые можно подключать без учёта полярности. Подобные электролиты иногда использовались в пассивных кроссоверах акустических систем, однако такая практика сегодня устарела, поскольку плёночные конденсаторы справляются с этой задачей лучше, хоть и занимают больше места.

Конденсаторы также могут иметь различное расположение выводов — аксиальное (осевое) или радиальное. Преимущество радиальных электролитов заключается в том, что они занимают меньше площади на плате, однако их минус — в том, что они увеличивают её высоту. В больших электролитических конденсаторах обычно отказываются от выводов под пайку — в пользу винтовых клемм.

Что скрывают конденсаторы

Настоящие конденсаторы, как и настоящие политики, ведут себя не идеально, и именно здесь кроется причина их влияния на качество звука. Во-первых, на практике ни один конденсатор не является только ёмкостью — он также имеет индуктивность и сопротивление. На принципиальной схеме конденсатор обычно обозначается одним из символов на рис. 4 (все они визуально отсылают к двум разделенным пластинам), однако в реальности он представляет собой что-то вроде схемы, представленной на рис. 5. Резистор обозначенный на рисунке как ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) может быть не постоянным — сопротивление может зависеть от частоты. В случае с электролитическими конденсаторами, ESR обычно уменьшается с частотой.

Рис. 4. Варианты обозначения конденсаторов на схеме

Рис. 4. Варианты обозначения конденсаторов на схеме

Одним из последствий того, что у конденсаторов есть индуктивность (ESL или эквивалентная последовательная индуктивность на рис. 6), является то, что они, по сути, являются электрически резонансными. Если проанализировать импеданс конденсатора в зависимости от частоты, он не будет продолжать уменьшаться с ростом частоты. На рис. 6 показано, что импеданс достигает минимума (эквивалентного значению ESR) на резонансной частоте, а затем, по мере увеличения частоты, он снова начинает расти из-за ESL.

Рис. 5. Схематичный эквивалент реального конденсатора демонстрирует паразитное сопротивление (ESR) и индуктивность (ESL)Рис. 5. Схематичный эквивалент реального конденсатора демонстрирует паразитное сопротивление (ESR) и индуктивность (ESL) Рис. 6. Паразитная индуктивность приводит к тому, что у конденсаторы имеют электрический резонанс, иногда — в пределах слышимого диапазона частот.Рис. 6. Паразитная индуктивность приводит к тому, что у конденсаторы имеют электрический резонанс, иногда — в пределах слышимого диапазона частот.

У больших электролитических конденсаторов частоты электрического резонанса обычно находятся в пределах звукового диапазона. У небольших конденсаторов частоты электрического резонанса могут превышать 1 МГц. Для увеличения частоты электрического резонанса для заданной емкости следует уменьшить ESL — последовательную индуктивность.

Для достижения этой цели, при разработке электролитических конденсаторов, где такая проблема стоит наиболее остро, применяются различные методы. Например, в конденсаторах DNM T-Network для снижения индуктивности используются специальные Т-образные соединения из фольги — таким образом, их резонансная частота более чем в два раза выше по сравнению со стандартной конструкцией (от 28 кГц до 75 кГц — в примере, который приводит компания DNM на своём веб-сайте).

ESR оказывает потенциально благотворное влияние на демпфирование электрического резонанса конденсатора, однако, в отличие от индуктивности или ёмкости, сопротивление генерирует тепло в то время, когда через конденсатор проходит ток. В больших ёмкостных конденсаторах, где проходящие через них токи велики, этот эффект внутреннего нагрева ограничивает безопасные условия эксплуатации. Тем не менее, электролитические конденсаторы лучше всего работают именно тёплыми.

Микрофонный эффект

Не секрет, что ламповое оборудование чувствительно к вибрации. Внутри вакуумированной стеклянной оболочки лампы находятся тонкие металлические электроды, расстояние между которыми влияет на работу лампы. Таким образом, если встряхнуть лампу достаточно сильно, это отразится на её электрической мощности — эффект, который называют «микрофонным», поскольку лампа в таком случае ведёт себя подобно микрофону.

Твердотельная электроника меньше подвержена этому эффекту, однако приведём в пример некий крайний случай: разработчики первых систем управления двигателем в гоночных автомобилях вскоре научились не прикреплять электронные блоки к двигателю, либо использовать хорошую изоляцию, иначе вибрации от двигателя могли нарушить её работу. Уровни вибрации, которые испытывает Hi-Fi оборудование при повседневном использовании, гораздо ниже, однако некоторые производители, среди которых, например, Naim Audio, по-прежнему прилагают большие усилия, чтобы свести к минимуму вероятное воздействие микрофонного эффекта.

Способность конденсатора накапливать заряд (его ёмкость) пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними, а «пластины» обычно представляют собой тонкую фольгу с тонкими слоями диэлектрика между ними. Это приводит к тому, что конденсаторы подвержены воздействию микрофонного эффекта, поскольку из-за вибрации расстояние между пластинами и, следовательно, значение ёмкости может меняться.

Таким образом, физические свойства материалов, из которых изготовлен конденсатор, могут быть столь же важны, как и электрические параметры. Но что ещё интереснее, вибрация извне не является необходимым условием для того, чтобы конденсаторы страдали от её воздействия, ведь силы, формируемые напряжениями и токами внутри самого конденсатора, также могут вызывать механические резонансы. Из-за этого эффекта можно даже услышать, как некоторые конденсаторы издают звук, когда через них проходит сигнал. В кроссовере акустической системы, где уровни вибраций, напряжения и токи высоки, присутствует «идеальный шторм» факторов, которые делают выбор подходящего конденсатора особенно важной задачей.

Ключевые слова

Проблема микрофонного эффекта и механических резонансов конденсаторов активно обсуждалась на протяжении многих лет, однако исследований по этому вопросу было достаточно мало. Во всяком случае, мало опубликованных исследований. Но те, что существуют, подтверждают мнение, что данный эффект может оказывать заметное влияние качества звучания.

К тому же, в некоторых случаях конденсаторы могут приводить к необычайно высоким уровням гармонических и интермодуляционных искажений. Понимание того, как и почему это происходит, позволяет разработчикам сосредоточить свои усилия на доработке электронной схемы и тщательном выборе электронных компонентов — таким образом, чтобы это принесло наибольшую пользу.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.