Фильтр постоянной составляющей сетевого напряжения питания

Часть 1. Теоретическое обоснование и практическая реализация.

Публикация написана в первую очередь для владельцев аудиоаппаратуры, в составе которой применяются тороидальные трансформаторы питания, так как они наиболее подвержены влиянию постоянной составляющей в сети питания, хотя в повседневной жизни от её присутствия «рычат» и источники бесперебойного питания и другая аппаратура общего применения.

Давайте разбираться, что к чему и обсудим все по порядку.

В зарубежной литературе это устройство можно чаще всего встретить под названием DC-blocker.

Многие считают, что это устройство «притянуто» в мир аудиофилов, чтобы срубить на этом побольше денег, и по моему мнению отчасти в этом есть доля правды, но, тем не менее, устройство имеет ряд полезных функций о которых и хочется рассказать, иначе не было бы смысла вообще заниматься этим вопросом и его обсуждением.

Иногда меня спрашивают, цитирую:

А что это за «постоянная составляющая» такая? Чем она мешает?

В сети помимо переменной (основной) составляющей, действующей всегда, может присутствовать постоянная составляющая тока. И здесь ключевым словом является «может» — может присутствовать, а может и нет, а может иногда появляться и потом исчезать. Это одна из сторон вопроса, почему на первый взгляд работа фильтра может показаться абсолютно бесполезной. Пользователь скажет, ничего не изменилось…, зачем я его поставил и зачем деньги потратил. Но вот только он в этом случае не задумывается о том, что он будет делать, когда «постоянка» постучится в обитель его аудиосистемы. Поэтому продолжим.

Насколько мне известно, постоянная составляющая в сети питания появляется чаще всего из-за недобросовестных потребителей электроэнергии (сейчас речь идет не о соседях и тех, кто не оплачивает счета за электроэнергию, а о электроустройствах, которые её неправильно потребляют). Под неправильными потребителями я понимаю устройства, которые перекашивают (изменяют форму потребляемого тока несимметрично по положительной и отрицательной полуволне) сеть и потребляют разный ток по положительной и отрицательной полуволне сетевого напряжения. Как правило, этим грешат импульсные источники питания (один дешевый диод сразу уменьшает входное напряжение в два раза с беспрецедентной эффективностью), это может быть недорогой фен, которым пользуется ваша супруга или дочь. К примеру, если фен не очень качественный, то режим регулировки мощности 50% очень часто реализуется путем включения ограничительного диода, который срезает полуволны одной полярности и пропускает полуволны другой, а поскольку потребляемая феном мощность достаточно высокая, то это локально перекашивает сеть у потребителя и создает в ней постоянную составляющую. Постоянный ток потечет по вашим потребителям (устройствам, включенным в розетку рядом), например, в силовой трансформатор усилителя мощности, который начнет односторонне подмагничиваться и насыщаться, что сначала приведет к его гудению, потом рычанию (магнитострикция), а при большом насыщении может вызвать и серьезные неполадки в работе схемы (вероятнее всего повышенный ток насыщения приведет к выгоранию сетевого предохранителя).

Правильные потребители, которые сеть не перекашивают, потребляют энергию симметрично по положительной и по отрицательной полуволне. На примере фена — если включена регулировка мощности, то внутри должно быть некоторое устройство, которое обеспечит симметричное потребление по каждой полуволне, например, скоммутирует обмотки нагревателя таким образом, чтобы их активное сопротивление увеличилось. Т.е. уменьшение мощности достигается не за счет отсекания одной полуволны и искажения формы тока, а за счет общего снижения нагрузки, одинаковой для всей питающей сети.

Сильнее всего постоянную составляющую «чуют» тороидальные трансформаторы (это связано с

их конструкцией, а именно с отсутствием зазора в сердечнике), особенно мощные, речь идет о мощности в 500 Вт и более (это связано с тем, что первичная обмотка таких трансформаторов имеет уже достаточно низкое активное сопротивление и незначительное постоянное напряжение в сети может вызывать в обмотке существенный ток, приводящий к подмагничиванию), глубже мы не будем погружаться в теорию, а заинтересовавшиеся этим вопросом могут найти много дополнительной информации в других источниках.

Чаще всего в сети питания постоянной составляющей нет или почти нет. Чтобы ток от постоянной составляющей потек именно в трансформатор вашего усилителя – нужно, чтобы источник перекоса сети был в непосредственной близости от вас. Это написано, чтобы пояснить, что если соседка в другой квартире решила посушить волосы и включить некачественный фен, то созданная постоянная составляющая в её квартире навряд ли причинит вам вред и помешает качественному прослушиванию аппаратуры, так как тот созданный постоянный ток найдет более короткий путь утечки и до вас просто не доберется. Поэтому, если у вас сейчас в окружении аппаратуры нет таких недобросовестных потребителей, то возможно, нет и смысла защищаться от этого недуга, которого просто нет или величина его мала и несущественна.

По моему убеждению, фильтр постоянной составляющей сети следует добавить в схему питания аппаратуры только в том случае, если вы слышите прерывистое/периодическое рычание силовых трансформаторов. Это делается не для улучшения звука аудиосистемы, а как средство устранения постоянной составляющей сети, вызывающей слышимый механический шум (магнитострикцию). При этом следует понимать, что могут быть случаи, когда шум трансформатора вызван не постоянной составляющей сети, а, например, повышенным напряжением сети и в этом случае применение фильтра будет бесполезным.

Возможно, я ошибаюсь, но у меня есть некоторое ощущение влияния маркетологов на проблему постоянной составляющей. Это отличный способ вытянуть еще дополнительные десятки и сотни $ у потребителя, путем внушения, что это устройство ему необходимо, чтобы тот чувствовал, что вот теперь, когда у него есть фильтр постоянной составляющей сети, то точно все «зашибись» и все заиграет еще лучше. Эффект от таких вложений сильно зависит от многих факторов и может быть абсолютно незаметен или невостребован. Подозреваю, что вложенные средства могут не всегда окупиться восторгом от прослушивания, так как скорее всего разница будет несущественная или надуманная. Бывают ситуации, когда в сети питания наблюдаются инфранизкие колебания, которые таким устройством не будут блокироваться полностью, но значительно уменьшатся. Также мне попадались разного рода фантазеры, которые утверждают, что с фильтром постоянной составляющей звук вашей аудиосистемы преобразится – это не так и устройство сделано для цепей, где необходимо устранить эффект гудения/рычания трансформаторов из-за их подмагничивания. Это косметический эффект мешающий нормальному прослушиванию аудиоаппаратуры и максимум, на что по моим представлениям следует рассчитывать, так это на снижение общего уровня шума работающей аппаратуры, например, в комнате прослушивания. Информацию о улучшении звучания аудиосистемы после применения фильтра постоянной составляющей мы оставим на откуп непорядочных маркетологов, которые не ведают о том, что творят, хотя косвенно, снижение общего уровня фона в комнате прослушивания – это конечно, благо, но не стоит ожидать, что если у вас изначально не было в сети постоянной составляющей, то после применения фильтра ваша аудиосистема преобразится в лучшую сторону. Также не верьте, если вам сообщат, что после фильтра постоянной составляющей вы получите «более чистый звук», «более мясистый бас» или любую другую глупость, распространяемую в различных глянцевых журналах.

Спасибо всем тем, кто дочитал до этого момента и узнал, с чем же мы тут собрались бороться.

Самое время принять решение. Если борьба с «постоянкой» не для вас и ранее она не беспокоила и о ее существовании вы даже не подозревали, то, наверное, можно дальше не читать, ну а если вы на стороне пуристов и предпочитаете сделать все, чтобы обеспечить свои аудиоустройства чистым питанием, желаете перестраховаться и быть готовым к ситуации, когда она придет в ваш дом – давайте продолжим.

Но, прежде чем начать, вспомните о главных правилах техники безопасности, особенно при работе с прибором, имеющим гальваническую связь с сетью.

Ниже представлена принципиальная схема фильтра постоянной составляющей сети.

Самым главным элементом схемы является конденсаторная сборка С1…С14, С16…С29.

Логично, что использование последовательного конденсатора блокирует любой постоянный ток, так как конденсаторы не могут пропускать его. После прохождения через фильтр, форма сигнала будет повторно центрирована, чтобы гарантировать отсутствие смещения. Это происходит независимо от того, как было создано смещение постоянного тока и нечувствительно к искажению формы сигнала. Стоит отметить, что электролитические конденсаторы могут работать в течение многих лет без поляризующего напряжения, но только при очень низких напряжениях. Это означает, что максимальное напряжение на обкладках обязательно должно быть ограничено, иначе конденсаторы выйдут из строя. Чтобы этого избежать используется пара конденсаторов, соединенных «антипоследовательно» (нормальное последовательное соединение с двумя соединенными одноименными клеммами). Такое решение уменьшает вдвое доступную емкость конденсатора, зато увеличивает запас по напряжению и с большей надежностью обеспечивает заявленный производителем ток пульсаций через оба конденсатора. Теоретически, можно было бы ограничиться двумя «антипоследовательно» соединенными конденсаторами, которые бы были эквивалентны конденсаторной сборке, но на практике найти такие суперконденсаторы практически невозможно, и сборка обладает рядом преимуществ. Прежде, чем двигаться дальше, нам нужно определиться, а какой же должна быть емкость конденсаторной сборки?

Расчет необходимой емкости ведется путем вычисления емкостного реактивного сопротивления конденсатора. Номинальное напряжение питающей сети в нашей стране составляет 220 В. Давайте для расчета условимся, что падение напряжения на фильтре не должно превышать 1% (2,2 В). Для вычисления емкости нам не хватает еще одного параметра – тока через фильтр.

К примеру, если мы зададимся мощностью нагрузки в 1 кВт это обеспечит нам ток нагрузки (1000/220=4,55 А). По закону Ома, реактивное сопротивление конденсаторной сборки не должно быть больше, чем 2,2/4,55 = 0,48 Ом.

Теперь, когда у нас есть все исходные данные, мы можем посчитать емкость конденсаторной сборки:

C = 1 / (2 × π × f × Xc), где f – частота, Гц, а Xc — емкостное реактивное сопротивление, Ом.

C = 1 / (2 × π × 50 × 0,48) = 6631 мкФ.

Таким образом, мы должны обеспечить суммарную емкость сборки на уровне порядка 7000 мкФ или более. Учитывая, что емкостная сборка определяется антипоследовательным-параллельным соединением конденсаторов общим количеством 28 шт., то применение конденсаторов разной емкости дает различные выходные результаты.

Наиболее типовые значения, из которых может быть набрана сборка, я прописал ниже.

Сопоставление единичной емкости и результирующей конденсаторной сборки:

1000 мкФ -> 7000 мкФ;

2200 мкФ ->15400 мкФ;

3300 мкФ -> 23100 мкФ;

4700 мкФ -> 32900 мкФ.

Для первого применения был выбран конденсатор:

1000мкфх16в 105гр. 1016 8000ч Ul.low ESR эл-лит ,EEUFR1C102

То, на что очень важно обратить особое внимание, я выделил жирным шрифтом.

На самом деле, «конденсаторы как конденсаторы» – ничего необычного, но они в любом случае с контролируемыми параметрами по указанной спецификации. Я специально обратил на это особое внимание, так как им предстоит работать в достаточно тяжелых условиях эксплуатации, и я крайне не рекомендую покупать китайские «no name» конденсаторы, которые могут проявить себя далеко не лучшим образом при работе в нашей схеме, иногда непредсказуемо.

Ниже представлены небольшие расчеты применительно к уже выбранному мною конденсатору.

1. Каждый конденсатор имеет крайне низкое эквивалентное последовательное сопротивление (маркировка Ul.low ESR). По datasheet импеданс указан как 0,028 Ом (правда на частоте 100 кГц, но нам это не очень принципиально, так как мы используем эти цифры для общей сравнительной оценки его параметров). Параллельное соединение конденсаторов теоретически снижает импеданс до уровня (0,028*2)/14=0,004 Ом (4 мОм).

2. Каждый конденсатор обеспечивает ток пульсаций 1,79 А. Параллельное соединение конденсаторов обеспечивает ток пульсаций до 1.79х14=25 А.

3. Конденсаторная сборка обеспечивает лучшее охлаждение обкладок конденсаторов (да, да, в конденсаторах тоже есть потери и они выделяются в виде тепла). В перспективе есть желание посмотреть на работу конденсаторной сборки с помощью тепловизора.

4. Конденсаторная сборка может быть установлена на плате или собрана в готовом устройстве значительно более компактно, нежели размещение двух огромных конденсаторов.

Как вывод: конденсаторная сборка является оптимальным решением для применения в качестве элемента, блокирующего прохождения постоянного тока.

При разработке печатной платы фильтра было заложено посадочное место под конденсаторы диаметром от 10 до 12.5 мм с шагом выводов 5 мм. Ниже представлены фото получившихся печатных плат.

Ранее мы с вами договорились, что «разрешаем» нашей сборке «уронить» на себе не более 2,2 В.

В случае, если ситуация выйдет из-под контроля, схему спасают сильноточные защитные диоды D1-D6, включенные встречно параллельно. Стоит отметить, что в нормально работающей схеме эти диоды не работают никогда и открываются только лишь тогда, когда импульсная потребляемая мощность переходит все допустимые границы и пороговое напряжение на конденсаторной сборке поднимается до уровня открытия трех последовательно соединенных диодов (порядка 3 В). Примененные диоды имеют максимальный прямой ток 10 А и максимальный импульсный ток 600 А (неповторяющийся).

В завершение — фотографии получившегося модуля фильтрации постоянной составляющей сети.

Продолжение следует.