RU193304U1

RU193304U1 - Input Noise Filter

Info

Publication number: RU193304U1
Application number: RU2019108074U
Authority: RU
Inventors: Денис Николаевич Моргунов; Сергей Владимирович Машков; Сергей Иванович Васильев
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-10-23

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования совместно с импульсными источниками питания, в том числе светодиодных приборов, для подавления помех, генерируемых ими.Фильтр входной помехоподавляющий содержит входные клеммы, посредством которых он подключается к электросети, предохранитель с плавкой вставкой, защищающий фильтр и импульсный источник питания от коротких замыканий, два конденсатора, подключенные параллельно входным и выходным клеммам фильтра, между которыми установлен синфазный, двухобмоточный дроссель, имеющий две индуктивно-связанные обмотки, подключенные параллельно между собой, но последовательно относительно импульсного источника питания и нагрузки.Устройство надежно в работе и позволяет эффективно гасить синфазные и дифференциальные помехи, генерируемые импульсными источниками питания.The utility model relates to electrical engineering and to pulsed power electronics and is intended for use in conjunction with switching power supplies, including LED devices, to suppress the noise generated by them. The input noise suppression filter contains input terminals through which it is connected to the mains, a fuse with fuse insert protecting the filter and switching power supply from short circuits, two capacitors connected in parallel to the input and output terminals of the filter, between which E is set in phase, two-winding inductor having two inductively related coils connected in parallel with each other but in series with the SMPS nagruzki.Ustroystvo and reliable in operation and can effectively damp in-phase and differential interference generated by the switching power supply.

Description

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования совместно с импульсными источниками питания (ИИП), в том числе светодиодных приборов, для подавления помех, генерируемых ИИП.The utility model relates to electrical engineering and to pulsed power electronics and is intended for use in conjunction with switching power supplies (IIPS), including LED devices, to suppress interference generated by IIPS.

Известен сетевой электронный балласт – Преобразователь переменного тока, содержащий входные и выходные выводы для подключения к питающей сети переменного тока и к нагрузке, выпрямительный и силовой блоки, сетевой фильтр [1].Known network electronic ballast - AC Converter, containing input and output terminals for connecting to the AC mains and load, rectifier and power units, line filter [1].

Недостатком указанного устройства является ухудшение качества электроэнергии в питающей электросети и большой уровень помехоизлучений, возникающих вследствие импульсного режима работы самого балласта и узких функциональных возможностей фильтра, установленного в нем.The disadvantage of this device is the deterioration of the quality of electricity in the supply network and a large level of noise emissions arising from the pulsed mode of the ballast itself and the narrow functionality of the filter installed in it.

А именно, установленный в балласте фильтр не способен гасить синфазные помехи, т.е. помехи, распространяющиеся одновременно по фазному и нулевому проводу и имеющие одинаковую начальную фазу гармоник, т.к. на входах конденсатора они имеют одинаковую полярность и потенциал. Таким образом, синфазные помехи свободно проникают в питающую сеть, что приводит к снижению качества электроэнергии.Namely, the filter installed in the ballast is not able to suppress common mode interference, i.e. interference propagating simultaneously along the phase and neutral wires and having the same initial phase of harmonics, because at the inputs of the capacitor, they have the same polarity and potential. Thus, common-mode interference freely penetrates the supply network, which leads to a decrease in the quality of electricity.

Известен сетевой электронный балласт, содержащий входные выводы для подключения к питающей сети переменного тока, выходные выводы для подключения к нагрузке, и сетевой фильтр, шунтирующий входные выводы [2].Known network electronic ballast containing input pins for connecting to an AC mains, output pins for connecting to a load, and a mains filter, shunting input pins [2].

Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные возможности применяемого в нем фильтра, а именно отсутствие надлежащей компенсации (гашения) пиковых импульсов (помех) напряжения на входных зажимах устройства, возникающих вследствие импульсного режима работы электронного балласта, что приводит к снижению качества электроэнергии питающей электросети.A disadvantage of the known device is the limited functionality of the filter used in it, namely the lack of proper compensation (damping) of the peak voltage pulses (interference) at the input terminals of the device arising from the pulsed operation of the electronic ballast, which leads to a decrease in the quality of the electric power supply network.

Также следствием ограниченных функциональных возможностей фильтра является невозможность гашения синфазных помех, вследствие отсутствия соответствующих элементов фильтра и, как следствие, свободная генерация помех в сеть.Also a consequence of the limited functionality of the filter is the impossibility of suppressing common mode noise due to the lack of appropriate filter elements and, as a result, the free generation of interference in the network.

Наиболее близким аналогом (прототипом) из известных технических решений является схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока [3].The closest analogue (prototype) of the known technical solutions is the connection scheme of the LED light device in the AC network [3].

Схема содержит нагрузку в виде группы светодиодов, подключенных параллельно к сглаживающему пульсации напряжения конденсатору, подсоединенному к диодному выпрямителю, который подсоединен последовательно к конденсатору, задающему рабочий ток, при этом конденсатор, задающий рабочий ток с подключенным параллельно ему разрядным резистором, вместе с токоограничивающим резистором последовательно подключены в сеть переменного тока, при этом параллельно входу выпрямителя в цепь переменного тока подключен дополнительный конденсатор.The circuit contains a load in the form of a group of LEDs connected in parallel to a capacitor smoothing the voltage ripple, connected to a diode rectifier, which is connected in series to a capacitor that defines the operating current, while a capacitor that sets the operating current with a discharge resistor connected in parallel to it, together with a current-limiting resistor in series connected to the AC network, while an additional capacitor is connected in parallel with the input of the rectifier in the AC circuit.

Недостатком рассматриваемой схемы является, как и в предыдущих аналогах, узкие функциональные возможности применяемого в ней простого одноконденсаторного фильтра, что при повышенном уровне генерации пиковых помех, возникающих вследствие импульсного режима работы схемы, вызывает снижение качества электроэнергии в питающей электросети. The disadvantage of the considered circuit is, as in the previous analogues, the narrow functionality of the simple single-capacitor filter used in it, which, with an increased level of peak interference generation due to the pulse mode of the circuit, causes a decrease in the quality of electricity in the supply network.

То есть гашение (фильтрование) пиковых помех по напряжению, в рассматриваемой схеме, осуществляется только за счет одного сглаживающего конденсатора (конденсаторного фильтра), установленного на входе схемы. Однако простой конденсаторный фильтр не способен эффективно сглаживать большое число импульсов, не успевая разряжаться. That is, the suppression (filtering) of the peak voltage noise, in the considered circuit, is carried out only due to one smoothing capacitor (capacitor filter) installed at the input of the circuit. However, a simple capacitor filter is not able to effectively smooth out a large number of pulses without being able to discharge.

Также как и в рассмотренных выше устройствах, недостатком является невозможность фильтрации синфазных помех, вследствие отсутствия соответствующих элементов фильтра, а установленный одноконденсаторный фильтр, в принципе не способен их компенсировать, что также снижает функциональные возможности фильтра.As in the devices discussed above, the disadvantage is the impossibility of filtering common-mode interference due to the lack of appropriate filter elements, and the installed single-capacitor filter is, in principle, not able to compensate for them, which also reduces the filter's functionality.

Наличие пиковых помех, при импульсном режиме работы источника питания, приводит к искажению синусоидальности формы тока и напряжения в питающей электросети и, как следствие, появлению высших гармоник тока и напряжения. Это негативно влияет на работу всех электроприемников, подключенных к данной сети.The presence of peak noise during pulsed operation of the power source leads to a distortion of the sinusoidal shape of the current and voltage in the supply network and, as a result, the appearance of higher harmonics of the current and voltage. This negatively affects the operation of all power consumers connected to this network.

Задача, на решение которой направлена полезная модель – повышение качества фильтрования пиковых синфазных и дифференциальных помех, за счёт расширения функциональных возможностей входного фильтра.The problem the utility model is aimed at improving the filtering quality of peak common-mode and differential interference by expanding the functionality of the input filter.

Технический результат достигается за счет того, что к входным клеммам импульсного источника питания (ИИП), подключается входной помехоподавляющий фильтр, содержащий два конденсатора, подключенные к входным и выходным клеммам предлагаемого фильтра и синфазный дроссель, расположенный между данными конденсаторами.The technical result is achieved due to the fact that the input noise suppression filter is connected to the input terminals of a switching power supply (IIP), which contains two capacitors connected to the input and output terminals of the proposed filter and a common mode choke located between these capacitors.

На фиг. 1 изображена принципиальная блок-схема источника питания с предлагаемым входным фильтром: 1 – предлагаемый входной помехоподавляющий фильтр; 2 – импульсный источник питания (ИИП); 3 – стабилизатор тока нагрузки.In FIG. 1 shows a schematic block diagram of a power source with a proposed input filter: 1 - a proposed input noise suppression filter; 2 - switching power supply (IIP); 3 - load current stabilizer.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема предлагаемого входного помехоподавляющего фильтра: 4 – клеммы подключения к сети переменного тока; 5 – предохранитель; 6 – конденсатор С₁; 7 – синфазный дроссель L₁L₂; 8 – конденсатор С₂.In FIG. 2 shows a schematic diagram of the proposed input noise suppression filter: 4 - terminals for connecting to an alternating current network; 5 - fuse; 6 - capacitor C ₁ ; 7 - common mode choke L ₁ L ₂ ; 8 - capacitor C ₂ .

На фиг. 3 изображена частотная диаграмма помех по напряжению на входных клеммах импульсного источника питания, полученная при его работе с нагрузкой, но без предлагаемого помехоподавляющего фильтра. In FIG. Figure 3 shows the frequency diagram of voltage interference at the input terminals of a switching power supply, obtained during its operation with a load, but without the proposed noise suppression filter.

На фиг. 4 изображена частотная диаграмма помех по напряжению на входных (сетевых) клеммах предлагаемого помехоподавляющего фильтра, подключенного к импульсному источнику питания, работающему с нагрузкой. In FIG. 4 shows a frequency diagram of voltage interference at the input (network) terminals of the proposed noise suppression filter connected to a switching power supply operating with a load.

Предлагаемый входной помехоподавляющий фильтр состоит из входных клемм 4, посредством которых осуществляется его подключение к питающей электросети, предохранителя с плавкой вставкой 5, защищающего фильтр и ИИП от коротких замыканий, конденсатора 6 (С₁), подключенного параллельно входным клеммам 4 и являющегося левым плечом фильтра, синфазного, двухобмоточного дросселя 7, имеющего две индуктивно-связанные обмотки, подключенные параллельно между собой, но последовательно относительно ИИП и нагрузки, конденсатора 8 (С₂), подключенного параллельно выходным клеммам 9 фильтра, и являющегося правым плечом фильтра.The proposed input noise suppression filter consists of input terminals 4, through which it is connected to the mains, a fuse with fuse box 5, which protects the filter and the IIPS from short circuits, a capacitor 6 (C ₁ ) connected in parallel to the input terminals 4 and which is the left shoulder of the filter , in-phase, two-winding choke 7 having two inductively related coils connected in parallel with each other but in series with the SMPS and the load capacitor 8 (C ₂₎ connected pairs llelno output terminals 9 of the filter and the filter is the right shoulder.

Предлагаемый фильтр работает следующим образом.The proposed filter works as follows.

При подаче напряжения на клеммы 4 фильтра (фиг. 2) происходит зарядка конденсаторов 6 и 8 на каждой полуволне напряжения. Так как импульсный источник питания потребляет электроэнергию короткими импульсами, то частота его включений и отключений может меняться в широком диапазоне (от 10³ до 10⁶ раз в секунду), в зависимости от мощности нагрузки. В момент открытия ИИП 2 (фиг. 1) генерируется импульс тока и происходит падение напряжения на его входе, конденсатор 8 (фиг. 2) разряжается, поддерживая напряжение и отдавая энергию в цепь ИИП. После закрытия ИИП на клеммах 9 фильтра (фиг. 2), генерируются импульсы высокого напряжения, вследствие развития переходного процесса в индуктивности обмоток ИИП. Конденсатор 8 (С₂) частично подавляет их, так как данные импульсы (помехи) являются дифференциальными, а не синфазными. Часть данных помех распространяется через синфазный дроссель и отфильтровывается (подавляется) конденсатором 6 (С₁) (фиг. 2) не проникая в питающую сеть. Таким образом, создаётся надежное подавление дифференциальных помех предлагаемым фильтром.When voltage is applied to the terminals 4 of the filter (Fig. 2), capacitors 6 and 8 are charged at each half-wave of voltage. Since a switching power supply consumes electricity in short pulses, the frequency of its switching on and off can vary over a wide range (from 10 ³ to 10 ⁶ times per second), depending on the load power. At the moment of opening the IIP 2 (Fig. 1), a current pulse is generated and a voltage drop occurs at its input, the capacitor 8 (Fig. 2) is discharged, maintaining voltage and giving energy to the IIP circuit. After closing the IIP at the terminals 9 of the filter (Fig. 2), high voltage pulses are generated due to the development of a transient in the inductance of the IIP windings. The capacitor 8 (C ₂ ) partially suppresses them, since these pulses (interference) are differential, and not in-phase. Part of this interference propagates through the common-mode choke and is filtered (suppressed) by the capacitor 6 (C ₁ ) (Fig. 2) without penetrating the mains. Thus, a reliable suppression of differential interference by the proposed filter is created.

За счёт наличия паразитных ёмкостей в цепи ИИП (между обмотками трансформатора ИИП, в транзисторах, диодах и др. элементах) при высоких частотах включений и отключений ИИП, в паразитных ёмкостях генерируются синфазные помехи (импульсы напряжения). Данные импульсы имеют одинаковую начальную фазу гармоник напряжения, распространяющихся по фазному и линейному проводам относительно земли, соответственно одинаковый потенциал на клеммах конденсаторов, поэтому не подавляются конденсаторами С₁ и С₂. Due to the presence of stray capacitances in the IIP circuit (between the windings of the IIP transformer, in transistors, diodes, and other elements) at high frequencies of switching on and off of the IIP, common-mode noise (voltage pulses) is generated in stray capacitors. These pulses have the same initial phase of voltage harmonics propagating along the phase and linear wires relative to the ground, respectively, the same potential at the terminals of the capacitors, therefore they are not suppressed by the capacitors C ₁ and C ₂ .

Для их фильтрации установлен синфазный дроссель 7 (фиг. 2). Данный дроссель имеет две индуктивно-связанные обмотки, установленные на одном сердечнике и имеющие различные направления навивки. Благодаря этому синфазные импульсы напряжения генерируют в сердечнике магнитные потоки одной направленности, накладывающиеся друг на друга. То есть индуктивность и индуктивное сопротивление синфазного дросселя, в отношении синфазных помех (импульсов) очень высокая, а в отношении дифференциальных – низкая. To filter them, a common-mode choke 7 is installed (Fig. 2). This inductor has two inductively coupled windings mounted on one core and having different winding directions. Due to this, common-mode voltage pulses generate in the core magnetic fluxes of one direction, superimposed on each other. That is, the inductance and inductance of the common-mode inductor are very high with respect to common-mode interference (pulses), and low with respect to differential ones.

Таким образом, синфазные помехи эффективно отфильтровываются дросселем 7 (фиг. 2), а дифференциальные – конденсаторами С₁ и С₂. Thus, common-mode interference is effectively filtered by the inductor 7 (Fig. 2), and differential - by capacitors C ₁ and C ₂ .

Положительной стороной предлагаемого фильтра является и то, что он симметричен, как по схеме, так и по параметрам конденсаторов (С₁ = С₂). Благодаря этому он одинаково эффективно способен подавлять помехи различной направленности, т.е. распространяющиеся как со стороны выхода фильтра (генерируемые ИИП (основная задача фильтра)), так и поступающие из сети (сторонние помехи, способные ухудшить работу ИИП (дополнительное преимущество фильтра)).The positive side of the proposed filter is that it is symmetrical, both in terms of circuitry and capacitor parameters (C ₁ = C ₂ ). Due to this, it is equally effective in suppressing interference of various directions, i.e. propagating both from the side of the filter output (generated by the IIPS (the main task of the filter)), and coming from the network (third-party interference that can degrade the operation of the IIPS (additional advantage of the filter)).

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков полезной модели, позволит существенно расширить функциональные возможности предлагаемого фильтра.Thus, the proposed set of features of the utility model will significantly expand the functionality of the proposed filter.

Использование предлагаемого помехоподавляющего фильтра позволит снизить пиковые импульсы напряжения (пиковые помехи) на входных клеммах устройства и, тем самым, уменьшить негативное влияние импульсного режима работы ИИП на качество электроэнергии питающей электросети, при этом, повысить уровень электромагнитной совместимости аналогичных электроаппаратов.Using the proposed noise suppression filter will reduce peak voltage pulses (peak noise) at the input terminals of the device and, thereby, reduce the negative impact of the pulse mode of the IIPS on the quality of the electric power of the mains, while increasing the level of electromagnetic compatibility of similar electric devices.

Апробация полезной моделиTesting a utility model

Апробация проведена АО «Научно-производственное предприятие «Циклон-Тест», по результатам которой составлен протокол №137-2-2018.Testing was carried out by JSC Cyclone-Test Scientific-Production Enterprise, according to the results of which protocol No. 137-2-2018 was drawn up.

Исследования (испытания) проведены с целью проверки эффективности подавления помех предлагаемым фильтром и соответствия качества электроэнергии питающей сети требованиям ГОСТ 30805.22-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование информационных технологий. Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений.Research (testing) was carried out in order to verify the effectiveness of noise suppression by the proposed filter and the compliance of the power quality of the mains with the requirements of GOST 30805.22-2013 Electromagnetic compatibility of technical equipment. Information Technology Equipment. Radio interference industrial. Norms and methods of measurements.

На первом этапе исследований был проведён замер помех, генерируемых ИИП, без применения предлагаемого помехоподавляющего фильтра. В качестве нагрузки использовался светодиодный светильник ЭСС-Modul 50. At the first stage of the research, the noise generated by the IIPS was measured without using the proposed noise suppression filter. As a load, an ESS-Modul 50 LED lamp was used.

В результате испытаний получена частотная диаграмма помех по напряжению на входных клеммах импульсного источника питания, представленная на фиг. 3. На ней ограничивающей линией показан предельный уровень импульсных помех в соответствие с ГОСТ 30805.22-2013.As a result of the tests, the frequency diagram of voltage noise at the input terminals of the switching power supply, shown in FIG. 3. The limit line shows the limit level of impulse noise in accordance with GOST 30805.22-2013.

По диаграмме видно, что в интервале частот от 0,65 МГц до 11 МГц (среднее значение 1,43 МГц) уровень импульсных помех превышает ограничивающую линию, что подтверждается таблицей 1 протокола испытаний.The diagram shows that in the frequency range from 0.65 MHz to 11 MHz (average 1.43 MHz), the level of impulse noise exceeds the limit line, which is confirmed by table 1 of the test report.

На втором этапе испытаний был проведён замер помех, генерируемых ИИП, на входных клеммах испытуемого фильтра. В качестве нагрузки использовался тот же светодиодный светильник ЭСС-Modul 50. At the second stage of the tests, the noise generated by the IIP was measured at the input terminals of the filter under test. As a load, the same LED lamp ESS-Modul 50 was used.

В результате испытаний получена частотная диаграмма помех по напряжению на входных клеммах фильтра, представленная на фиг. 4.As a result of the tests, a frequency diagram of voltage noise at the input terminals of the filter, shown in FIG. four.

По диаграмме видно, что на всем интервале частот от 9 кГц до 30 МГц, уровень импульсных помех не превышает ограничивающую линию. То есть импульсы помех, генерируемые ИИП, не проникают в питающую сеть и не вызывают снижение качества электроэнергии.The diagram shows that over the entire frequency range from 9 kHz to 30 MHz, the level of impulse noise does not exceed the bounding line. That is, the interference pulses generated by the IIPS do not penetrate the supply network and do not cause a decrease in the quality of electricity.

Список литературыBibliography

1. Патент на полезную модель 106811 Российской Федерации, МПК Н02М 5/20. Преобразователь переменного тока / Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В., Коняхин С.Ф., Савенкова Н.В.; заявитель и патентообладатель Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) - №2011107254/07, заявл. 28.02.2011; опубл. 20.07.2011, Бюл. № 20.1. Patent for utility model 106811 of the Russian Federation, IPC Н02М 5/20. AC Converter / Reznikov S.B., Bocharov V.V., Dubensky G.A., Kabelev B.V., Konyakhin S.F., Savenkova N.V .; Applicant and patent holder Moscow Aviation Institute (State Technical University) (MAI) - No. 2011107254/07, fil. 02/28/2011; publ. 07/20/2011, Bull. Number 20.

2. Патент на полезную модель 144403 Российской Федерации, МПК Н05В 41/292. Сетевой электронный балласт / Резников С.Б., Бочаров В.В., Корнилов А.Б., Лавринович А.В.; заявитель и патентообладатель Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) - №2014112949/07, заявл. 03.04.2014; опубл. 20.08.2014, Бюл. № 23.2. Patent for utility model 144403 of the Russian Federation, IPC Н05В 41/292. Network electronic ballast / Reznikov S.B., Bocharov VV, Kornilov A.B., Lavrinovich A.V .; Applicant and patent holder Moscow Aviation Institute (State Technical University) (MAI) - No. 2014112949/07, 04/03/2014; publ. 08/20/2014, Bull. Number 23.

3. Патент на полезную модель 95214 Российской Федерации, МПК Н05В 37/00. Схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока / Кумин А.М.; патентообладатель Солдатенко В.А., Рябцев В.Г., Подгурский В.Э., Кумин А.М., Кочеров А.Н., Кудинов К.В., Бабенко М.А. - № 2009146804/22, заявл. 17.12.2009; опубл. 10.06.2010, Бюл. № 16.3. Patent for utility model 95214 of the Russian Federation, IPC Н05В 37/00. Connection diagram of a LED light fixture in an alternating current network / A. Kumin; patent holder Soldatenko V.A., Ryabtsev V.G., Podgursky V.E., Kumin A.M., Kocherov A.N., Kudinov K.V., Babenko M.A. - No. 2009146804/22, declared 12/17/2009; publ. 06/10/2010, Bull. Number 16.

Claims

An input noise suppression filter containing a capacitor connected in parallel to the input terminals and a choke, characterized in that an additional capacitor is installed connected in parallel to the filter output terminals, and the choke installed between the capacitors is made in-phase, double-winding, with both inductively connected windings connected in series.