ELEMENTE PASIVE PENTRU ANTIPARAZITARE. FILTRE ELECTRICE

ELEMENTE PASIVE PENTRU

ANTIPARAZITARE. FILTRE ELECTRICE

Filtrele electrice, descarcatoarele, optocuploarele si cablurile din fibre optice, transformatoarele de separare si alte elemente pentru antiparazitare sunt montate fie in imediata vecinatate a sursei de perturbatii, in vederea micsorarii emisiilor perturbatoare (ex. - filtre de antiparazitare), fie in imediata vecinatate a receptorului (ex. - filtre de protectie impotriva perturbatiilor). Deoarece in majoritatea cazurilor elementele pasive sunt folosite atat pentru antiparazitare cat si pentru protectie impotriva perturbatiilor, se va folosi de fiecare data termenul de elemente pentru antiparazitare. Ecranarile sunt de asemenea elemente pasive pentru antiparazitare. Ele se vor trata separat, datorita importantei lor deosebite.

1. Filtre electrice

Filtrele electrice pasive sau active au rolul functional de a atenua interferentele de conductie, care altfel ar fi introduse in echipamentul electric sau electronic prin conductoarele de legatura intre sursa si echipament sau prin linia de alimentare a echipamentului. Utilizarea lor fara probleme presupune ca in general componentele spectrale ale semnalului util sunt separate de componentele spectrale ale perturbatiilor. Astfel, printr-o alegere corespunzatoare a frecventelor de taiere si a pantei curbelor functiilor de transfer ale filtrelor se obtine o atenuare selectiva a perturbatiilor, fara a influenta prea mult semnalul util. Din punct de vedere al CEM, filtrele se pot clasifica in:

- filtre pentru semnalul util;

- filtre de retea;

Din punct de vedere al intervalelor de trecere, filtrele electrice se pot clasifica in:

- Filtre trece-jos, cu caracteristica de frecventa in fig. 1(a).

- Filtre trece-sus, cu caracteristica de frecventa in fig. 1(b).

- Filtre trece-banda, cu caracteristica de frecventa in fig. 1(c).

- Filtre opreste-banda (sau cu banda de rejectie), cu caracteristica de frecventa in fig. 1 (d).

Asa cum se poate observa din fig. 1, atenuarea de (-3) dB reprezinta criteriul de baza in clasificarea filtrelor in functie de caracteristica de frecventa.

1.1. Filtre electrice pasive pentru semnalul util

Din punct de vedere al CEM, insertia unui filtru intre sursa si receptor conduce la formarea unui divizor de tensiune, pe baza caruia se poate aprecia eficienta (atenuarea) filtrului. Calculul atenuarii oferite de un filtru se efectueaza pe baza figurii 2, in care sunt aratate principalele scheme posibile in vederea realizarii unui filtru trece-jos cu ajutorul componentelor pasive. Notatiile sunt urmatoarele:

- tensiunea electromotoare perturbatoare (de interferenta);

- impedanta sursei (emitatorului);

- impedanta receptorului;

- impedanta longitudinala a filtrului;

- impedanta transversala a filtrului;

- tensiunea de distorsiune (interferenta) care apare la bornele receptorului.

Deci o impedanta interna redusa a sursei de perturbatii de inalta frecventa nu permite o divizare de tensiune importanta, prin inscrierea unor bobine acest raport se poate mari. Componentele de baza ale filtrelor sunt pentru curentul de lucru impedantele longitudinale, iar pentru tensiunea de lucru impedantele transversale, amandoua avand un caracter preponderent reactiv.

a) Impedanta longitudinala. Pentru circuitul din figura 2 a, in care filtrul consta dintr-o impedanta (reactanta) longitudinala =jωL , se scrie:

(7.1)

(7.2)

In acest caz atenuarea data de impedanta longitufinala are expresia:

[db] (7.3)

b) Impedanta transversala. Pentru schema electrica din fig. 7.3 b, in care apare impedanta (reactanta) transversala de tip capacitiv , in paralel pe impedanta a receptorului, atenuarea rezulta:

[dB] (7.4)

c) Impedanta longitudinala si impedanta transversala. In fig. 2. c, impedanta longitudinala (reactanta inductiva ) este plasata in serie cu impedanta a sursei, iar impedanta transversala (reactanta capacitiva) este plasata in paralel cu impedanta a receptorului. Se obtine atenuarea:

[dB] (7.5)

Din relatiile (7.3), (7.4), (7.5), se observa ca atenuarea depinde de frecventa semnalului perturbator, dar si de impedantele sursei si receptorului. Din aceasta cauza, pentru a determina experimental eficienta unui filtru, se practica urmatorul algoritm:

- se standardizeaza impedantele sursei si receptorului, si anume:

(impedanta pur rezistiva)

- se masoara tensiunea de interferenta in absenta filtrului si in prezenta filtrului.

Rezulta atenuarea :

[dB]

1.2. Filtre electrice de reTea

Cum s-a aratat in figura 3. filtrul de retea se plaseaza intre reteaua electrica si aparatul electric sau electronic. Din punct de vedere functional, filtrul de retea este un filtru '' trece-jos''. Atenuarea produsa la trecerea curentului de 50 Hz prin filtru este neinsemnata, in timp ce la frecvente superioare (9 kHz.100 MHz.1000 MHz) atenuarea este semnificativa (pana la 100 dB).

Din punct de vedere functional, filtrele de retea, pe de o parte, opresc semnalele de interferenta sa patrunda din reteaua electrica de alimentare in aparatul electric sau electronic iar pe de alta parte opresc semnalele produse de functionarea unui receptor, sa fie transmise in retea.

Din punct de vedere al schemei electrice, aceasta este concretizata printr-o structura deosebita astfel incat filtrul sa fie eficient atat pentru semnalele de interferenta contratact (de mod diferential), cat si pentru semnalele de interferenta in acelasi tact (de mod comun). In fig. 4 este prezentata schema electrica a filtrului care satisface aceasta cerinta si care include componentele L si C. Dupa cum se va constata ulterior, inductivitatea L joaca un rol hotarator pentru satisfacerea conditiei de functionare pentru ambele tipuri de interferenta.

1.2.1. Filtre electrice pentru perturbatii de mod comun si de mod

diferential

Topologia unui filtru de retea depinde de natura perturbatiei. Evident, din acest punct de vedere, trebuie tinut cont de distinctia care trebuie facuta intre tensiunile perturbatoare simetrice si cele nesimetrice. Asa cum se cunoaste, tensiunile perturbatoare simetrice apar in conductorii de ducere si de intoarcere ai traselor de alimentare sau de semnal, pe cand tensiunile perturbatoare nesimetrice apar intre conductorii respectivi si un conductor de referinta, care in cele mai multe cazuri este conductor de protectie. Similar, exista doua tipuri de curenti perturbatori, cureinti perturbatori de mod comun si de mod normal. In figura 5 este data schema echivalenta a unei surse de perturbatii cu surse de tensiune pentru tensiunile perturbatoare simetrica si nesimetrica (ex. - motorul cu colector al unui aspirator de praf).

Schema electrica permite sa intelegem cum se pot scurcircuita, pentru frecvente inalte, cele trei surse de tensiuni perturbatoare, prin condensatoarele de antiparazitare montate intre conductoarele L₁, N, PE - fig. 6 a. La impedante interne mici ale suselor, antiparazitarea numai cu condensatoare conduce la valori ale capacitatii condensatoarelor excesiv de mari. Pentru evitarea acestei situatii, impedantele surselor sunt marite artificial prin conectare in serie a unor bobine - fig. 6 b. In functie de tipul perturbatiei, se pot prevedea condensatoare numai intre conductoarele de ducere si de intoarcere, intre ambele conductoare si pamantul de protectie sau pe ambele cai.

a) Interferente de mod normal (de mod diferential)

In figura 7 este prezentata schema electrica a functionarii unui filtru la interferente de mod normal, in care se observa ca bobina compensata, cu miez de ferita, L are doua infasurari, bobinate in acelasi sens.

Pentru frecvente de exploatare uzuale (de 50 Hz sau 60 Hz) fluxurile magnetice , produse de cele doua bobine se anuleaza cu exceptia unui flux mic de dispersie . In acest caz efectul de filtrare este produs numai de condensatoarele C₁ si C₂ de capacitate mare (1.20 F). Cand filtrul nu este in serviciu, descarcarea condensatoarelor C₁ si C₂ este asigurata de rezistenta R (300 kΩ ).

In acest mod de functionare, condensatoarele C₂ si C₄ , de capacitate ceva mai mica (0,1 F), nu joaca un rol esential.

b) Interferente de mod comun (in acelasi tact)

In fig. 8 este prezentata schema electrica de functionare a filtrului pentru interferente de mod comun. Acest tip de interferenta este de inalta frecventa (100 kHz . 1GHz) si se datoreaza cuplajului prin radiatie electromagnetica al liniei L si conductorulului neutru N, caz in care atat conductorul L cat si conductorul neutru N primesc, practic, acelasi potential fata de pamant.

La functionarea ''in acelasi tact'' fluxurile magnetice generate in miezul de ferita al bobinei L (de 5 mH), de curentii i₁ si i₂, sunt in acelasi sens. Astfel bobina, pentru acest tip de semnal, prezinta o reactanta proportionala cu frecventa curentului. La frecvente mai ridicate (> 10 MHz) permeabilitatea miezului de ferita dispare, iar functia de filtraj este preluata de condensatoarele C₃ si C₄.

In Germaia, in conformitate cu standardul german VDE 0565, condensatoarele pentru filtre utilizate pentru curenti tari se impart in condensatorare de tip X si de tin Y. Cele de tip X se monteaza intre conductoarele active (de ducere si de intoarcere) ale circuitelor de alimentare si pot avea capacitati oricat de mari. Din punct de vedere al solicitarilor dielectrice datorate fenomenelor tranzitorii din retelele de joasa tensiune, respectiv din punct de vedere al supratensiunilor de deconectare specifice aparatelor utilizate, condensatoarele de tip X se impart la randul lor in condensatoare de tip X₁ (valori de varf mai mari decat 1,2 kV) si de tip X₂ (valori de varf mai mici decat 1,2 kV). Condensatoarele de tip Y sunt conectate intre conductoarele de alimentare si conductorul de protectie PE. Ele sunteaza izolatia electica a unui aparat, astfel incat la functionare normala a acestuia un curent alternativ, denumit curent de scurgere  sa nu fie periculos pentru om cand conductorul de protectie al retelei lipseste sau este intrerupt. In functie de tipul aparatului, se admit curenti de scurgere in plaja 0,75 mA - 3,5 mA, care corespund la o valoare limita a cacitatii de cateva mii de pf. Daca in procesul de filtrare sunt necesare valori mai mari ale capacitatilor condensatoarelor, trebuie luate masuri de protectie suplimentare, de exemplu montarea unor intrerupatoare de protectie impotriva tensiunilor periculoase (in conformitate cu standardul VDE 0100). Pe langa o valoare limita a capacitatii, condensatoarele de tip Y prezinta o siguranta in functionare ridicata, atat electrica cat si mecanica (la scurtcircuit) datorita alegerii corespunzatoare a dielectricului si a solutiei constructive alese. Pentru evitarea valorilor mari ale capacitatilor de pe caile Y se conecteaza in serie bobine cu compensare de curent.

Filtre electrice pentru retele trifazate

Invertoarele statice constituie una din cele mai suparatoare surse de perturbatii, care se propaga pe linia de alimentare cu energie electrica si, ca urmare, care produce efect de interferenta asupra altor receptoare conectate la linie. Efectul perturbator nu este produs de frecventa globala (10. 100 Hz) cu care se comanda motorul asincron, ci de fapul ca pentru producerea acestei frecvente are loc procesul de choppare cu front drept, cu continut mare de armonici de inalta frecventa, care excita reteaua de inductivitati si capacitati parazite, si ca urmare provoaca oscilatii pe frecvente proprii.

Fara nici o protectie impotriva acestor oscilatii de inalta frecventa, are loc atat o propagare galvanica pe conductoarele retelei, cat si o radiatie electromagnetica directa in mediul ambiant.

In vederea eliminarii acestor neajunsuri, din punct de vedere tehnic se iau urmatoarele masuri:

Introducerea convertorului (redresor + invertor) intr-o cutie metalica (ecran electromagnetic) conectata la pamant.

Ecranarea liniei de alimentare intre convertor si motorul asincron prin introducerea conductoarelor intr-o teava metalica sau folosirea unui cablu ecranat cu manta din lita metalica.

Alimentarea convertorului cu energie electrica prin intermediul unui filtru trifazat trece-jos, filtru a carui carcasa metalica este in contact direct cu cutia metalica a convertorului.

In fig. 9 a) este prezentata o schema bloc in care sunt respectate masurile tehnice mentionate, iar in fig. 7.10 b) este data, dupa firma Siemens, o schema electrica de filtru trifazat folosit la eliminarea interferentei produse de functionarea unui convertor static.

Bobinele 3 x 5 mH, realizate pe acelasi miez de ferita, sunt compensate, in sensul ca la functionarea normala fluxul magnetic, produs de curentii de exploatare, este nul in miezul de ferita. Se are in vedere suntarea semnalelor de inalta frecventa atat intre faze, cat si intre faze si pamant.

1.3. FILTRE ACTIVE

Filtrele active sunt destinate eliminarii semnalelor de inteferenta pe linii utilizate pentru transmiterea semnalului util. Acest semnal este de tip tensiune de mica amplitudine (mV - V). In componenta filtrelor active, ca element de baza, intalnim amplificatorul operational, care are un dublu rol functional: de amplificator si de transformator de impedanta. Intr-adevar , impedanta de intrare a unui amplificator operational este de ordinul a 10⁶ si, ca urmare, aceasta este impedanta terminala a circuitului din amonte. Semnalul util este transferat mai departe catre amplificator, efectul de filtrare rezultand din modul de realizare al reactiei si tipul componentelor pasive utilizate.

In fig. 10 este prezentata schema electrica a unui amplificator operational, utilizat ca transformator de impedanta, avand factorul de reactie:

(7.7)

si amplificarea:

(7.8)

Asa cum se observa din relatia 7.8 la R₂ = 0, amplificarea A = 1, iar amplificatorul functioneaza ca reper de tensiune.

In figuara 11 este prezentata schema electrica de principiu a filtrului activ realizat dintr-o retea R - C si un amplificator operational. Datorita impedantei de intrare mari a amplificatorului operational, se poate considera ca reteaua RC are sarcina nula. Construirea filtrului activ de tip Butterworth se bazeaza pe copararea caracteristicii de frecventa cu caracteristica de frecventa normata. Functia de transfer este cea care corespunde sistemului RC din amonte, avand expresia :

iar caracteristica de frecventa are forma:

(7.10)

Din identificarea coeficientilor de la numitor se obtine capacitatea condensatorului in functie de frecventa de taiere:

(7.11)

Semnalul filtrat are in aceasta situatie amplitudinea U_f = u₂A. O schema similara este in fig. 12, pentru care caracteristica de frecventa este data de relatia:

(7.12)

In fig. 13 este prezentata schema electrica de principiu a unui filtru activ de ordin 2 cu transformator de impedanta si cu caracteristica de frecventa:

(7.13)

unde . Acest tip de filtru este folosit, de exemplu, in schema detectorului din voltmetrul de perturbatii.

1.4. Filtre pentru hiperfrecvenTe

In domeniul producerii de microunde pentru utilizari in tehnica radar si in transmitatoarele de microunde filtrarea instalatiilor de curent intens se realizeaza cu ajutorul filtrelor de absorbtie in domeniul de frecventa 100 MHz..100 GHz.

Filtrele de absorbtie se construiesc in doua variante:

a) Varianta solenoidala. In figura 14 este prezentata o schita de constructie pentru filtrul de absorbtie. Componenta esentiala a filtrului (reperul 1) este masa absorbanta pe baza de rasina epoxidica rezistenta la temperatura de 175 grade Celsius, optimizata din punct de vedere magnetic, in care este inglobat solenoidul (reperul 2), parcurs de curentul intens (pana la 60 A), de frecventa joasa.

Avantajul filtrului de absorbtie, in domeniul microundelor, in comparatie cu filtrele cu bobine cu miez de ferita, consta in aceea ca se elimina, in mare masura, discontinuitatea de impedanta, reflexiile conectarea la pamant si formarea de unde stationare (VSWR Voltage Standing Wave Ratio).

Dupa cum se observa in fig. 14, structura activa, protejata de invelisul izolant 3, este inchisa cu capacele izolante 4, astfel ca spre exterior conductorul 5 se conecteaza, prin lipitura sau insurubare, la circuitul principal.

Curba atenuarii a unui astfel de filtru este data in fig. 15, in care se vede ca atenuarea este 60 dB la 0,1 GHz si mai buna de 100 dB la frecvente care depasesc 1 GHz.

b) Varianta flexibila. In fig. 16este prezentata varianta flexibila a unui filtru, care se compune din:

1- conductorul central parcurs de curent de lucru intens (1.100 A) la tensiune relativ mare (500 V 15 kV); 2 - invelisul absorbant; 3 - izolatie; 4 - ecran din tresa metalica; 5 - invelisul izolant de protectie.

Atenuarea oferita de un astfel de filtru flexibil depinde de lungimea sa, care poate varia intre aproximativ 75 mm si 600 mm. Cu cat lungimea este mai mare, cu atat atenuarea este mai mare. Spre exemplu la 1 GHz, atenuarea 100 dB se obtine pentru lungimea de 75 mm. Aceeasi atenuare se regaseste la 200 MHz la o lungime a filtrului de 600 mm.