Ćwiczenie 4. Filtry w układach zasilaj±cych

Ćwiczenie nr 4
Filtry w układach zasilających
1. Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zastosowaniem i przeciwzakłóceniowych
filtrów sieciowych oraz pomiar charakterystyki tłumienia przeciwzakłóceniowych filtrów
sieciowych metodą podstawiania.
2. Przygotowanie do ćwiczenia:
•
•
•
•
Zapoznanie się z teorią dotyczącą zakłóceń przewodzonych w urządzeniach elektronicznych
- przyczynami ich występowania, podziałem i sposobem przeciwdziałania ich występowaniu.
Zapoznanie się z budową i zasadami stosowania przeciwzakłóceniowych filtrów sieciowych.
Zapoznanie się z metodami pomiarów przeciwzakłóceniowych filtrów sieciowych.
Zapoznanie się ze stanowiskiem pomiarowym filtrów sieciowych.
3. Aparatura pomiarowa:
•
•
•
stanowisko pomiarowe przeciwzakłóceniowych filtrów sieciowych,
generator sygnałowy obejmujący pasmo 10 kHz –30 MHz,
miernik selektywny obejmujący pasmo 10 kHz –30 MHz.
4. Przebieg ćwiczenia
W zależności od zaleceń prowadzącego do przeprowadzenia ćwiczenia należy użyć
kompaktowego stanowiska do pomiarów filtrów (opis w dodatku) lub zestawić układ wg.
poniższego rysunku z koncentrycznymi przełącznikami w.cz.
TR
G
T
T
FB
FB – filtr badany
G – generator
O – odbiornik (mikrowoltomierz selektywny)
T – tłumik separujący 10 dB (opcjonalnie)
Z – źródło prądu lub napięcia
TR – tłumik wzorcowy (regulowany)
1
O
1. Podłączyć generator przestrajany do gniazdka G1. Badany filtr podłączyć do gniazdek G2 i
G3, przy czym do gniazdka G2 podłączamy wejście badanego filtru, a do G3 wyjście.
Gniazdko G4 stanowi wyjście sygnału po układzie przełączającym i może być użyte np. w
celu wizualizacji przebiegów na oscyloskopie lub dokładnego pomiaru miernikiem
selektywnym. Należy zawsze jednak pamiętać, że obwód ten musi być zakończony
obciążeniem 50 Ω. (Np. wejściem miernika o impedancji 50Ω lub terminatorem)
2. Ustawić zero wskaźnika. W tym celu należy wcisnąć i przytrzymać przełącznik SW1 i
ustawić potencjometrem R9 znajdującym się na płycie czołowej wskazanie „0”.
3. Wybrać częstotliwość pomiarową w generatorze.
4. Doprowadzić sygnał do badanego filtru – świecą się dwie zielone diody na płycie czołowej
(zmiany toru pomiarowego dokonuje się naciskając przycisk SW 2).
5. Regulując odpowiednio poziomem sygnału w generatorze i zmieniając zakresy pomiarowe
stanowiska doprowadzić do wychylenia wskazówki miernika do ustalonej wartości (np. 80)
na wskaźniku. Należy starać się uzyskać możliwie największe wychylenie i dokładnie
zapamiętać wskazaną wartość. Przy korzystaniu z miernika selektywnego, dostroić miernik
do częstotliwości pomiarowej (na maksimum wskazań) i skalibrować miernik.
6. Ustawić maksymalną wartość tłumienia tłumików znajdujących się na górnej płycie
stanowiska lub zewnętrznych tłumików wzorcowych.
7. Przełączyć układ tak, aby sygnał przechodził przez układ tłumików kalibrowanych – świecą
się dwie czerwone diody.
8. Zmieniając ustawienia tłumików doprowadzić do ponownego ustawienia wartości
wskazywanej przez miernik takiej jak w pkt. 5. Krok prawego tłumika wynosi 1 dB, a krok
lewego 10 dB. Wartością tłumienia wnoszoną przez badany filtr jest suma wartość tłumienia
odczytana z obu tłumików.
9. Wybrać nową częstotliwość pomiarową i powtórzyć czynności od pkt. 4 aż do zdjęcia
charakterystyki w całym pożądanym paśmie (wg tab. III.1 dla żądanego zakresu).
10. Przedstawić wyniki pomiarów w postaci tabeli i wykresu w skali logarytmicznej.
11. Porównać uzyskane wyniki z symulacją na podstawie wartości elementów filtra (zależnie od
zaleceń prowadzącego).
MHz
30
Tab. III.1. zalecane częstotliwości pomiarowe.
24
20
15
12
10
8
6
MHz
3
2,4
2
1,5
1,2
1
0,8
kHz
300
240
200
150
120
100
80
kHz
30
24
20
15
12
10
5
4
0,6
0,5
0,4
60
50
40
Literatura:
[1] Praca zbiorowa. Zakłócenia w aparaturze elektronicznej. Radioelektronik
Sp. z o.o. Warszawa 1995
[2] T. Więckowski Pomiar emisyjności urządzeń elektrycznych i elektronicznych,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997
[3] H.W. Ott Metody redukcji zakłóceń i szumów w układach elektronicznych,
Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa 1979
[4] A. Charoy Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych, cz. 3, ekrany, filtry, kable
i przewody ekranowane, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne , Warszawa 2000
[5] PN-78/T-4502, Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne. Typowe metody pomiarów.
2
Dodatek do instrukcji ćwiczenia 4
(opracowanie: Sławomir Strzelczyk – praca inżynierska)
1.
Filtry przeciwzakłóceniowe
Filtr przeciwzakłóceniowy jest to układ elektroniczny złożony z kondensatorów, dławików
i/lub rezystorów, który działa przez eliminację niepożądanych części widma sygnałów
elektrycznych, tj. tych zakresów, które nie zawierają informacji istotnych dla treści danego
sygnału. Jest to układ liniowy, przynajmniej dopóty, dopóki rdzenie dławików nie ulegną
nasyceniu.
Najogólniej filtry możemy podzielić na dolnoprzepustowe, górno przepustowe, pasmowo
zaporowe i pasmowo przepustowe.
Jeśli w filtrze (w rdzeniu ferrytowym lub rezystorach) straty są niewielkie, wówczas
zasadniczo działa on wskutek niedopasowania impedancji, albo w innym ujęciu – dzięki odbiciu
sygnału. Jeśli straty są znaczne, to filtr działa także wskutek absorpcji.
Filtr jest charakteryzowany przez stratę sygnału, na którego drodze się znajduje. Parametr ten,
charakteryzujący skuteczność filtrowania, jest określany jako tłumienność wtrąceniowa. Z
definicji jest to poziom sygnału pozostałego po włączeniu filtru, odniesiony do poziomu sygnału
obserwowanego w tym samym punkcie układu bez filtru. Zwykle podawany jest w mierze
logarytmicznej (decybelach). Dla jednoznaczności wyników pomiarów, w skali
międzynarodowej przyjmuje się impedancję źródła i obciążenia równe 50Ω i wówczas skuteczna
tłumienność wtrąceniowa wynosi:
gdzie :
AZ [ dB ] = 20 log ES / 2U
AZ – tłumienność wtrąceniowa
ES – jest SEM źródła
U – napięcie na wyjściu (obciążeniu)
Przebieg zmian tłumienia AZ w funkcji częstotliwości tworzy charakterystykę częstotliwościową
filtru.
Skuteczność filtru zależy od impedancji źródła i impedancji obciążenia. Tłumienność
wtrąceniowa filtru słabo pochłaniającego energię (z kondensatorami i dławikami o małych
stratach) jest określona wyłącznie przez niedopasowanie impedancji, jakie ten filtr wprowadza
do obwodu. Wartość impedancji obwodu zasilania i odbiornika stanowią podstawowe dane przy
doborze filtru. W celu uzyskania silnego odbicia sygnału wejściowego należy stosować filtr,
którego impedancja jest bardzo różna od impedancji obwodu.
Idealny przeciwzakłóceniowy filtr sieciowy powinien przenosić sygnał o częstotliwości
sieci, natomiast tłumić całkowicie sygnały o innych częstotliwościach, które mogą pojawić się w
sieci zasilającej.
Przeciwzakłóceniowe filtry sieciowe stosowane w praktyce tworzone są z kondensatorów
klasy X i Y, z prostych dławików rdzeniowych oraz dławików z kompensacją prądową
neutralizującą nasycenie rdzenia. Zwykle stanowią one pojedynczy obwód zamknięty w jednej
obudowie.
Filtry przeciwzakłóceniowe są zawsze konstruowane jako dolnoprzepustowe filtry
odbiciowe, co oznacza, że ich tłumienność jest maksymalna, gdy są one niedopasowane do
impedancji źródła zakłóceń lub odbiornika zakłóceń (obciążenia danego układu) oraz do
impedancji linii.
Jeśli oprócz elementów LC (których straty są pomijalne) wykorzystuje się również
warystory, rezystory i koraliki ferrytowe, to wówczas mamy do czynienia z nową grupą filtrów
przeciwzakłóceniowych, zwanych stratnymi lub absorpcyjnymi. W niektórych zastosowaniach
mają one korzystniejsze charakterystyki użytkowe od filtrów bezstratnych.
3
2. Metody pomiarów tłumienności filtrów sieciowych
za zaleceniem nr 17 Komitetu CISPR.
2.1
Metoda standardowa
Pomiar charakterystyki tłumienności filtru wykonuje się przy obciążeniu wejścia i
wyjścia równymi i stałymi rezystancjami, zwykle 50 Ω lub 75 Ω. Stosowane są dwa warianty:
• filtr bez obciążenia (rys.1)
• filtr obciążony stałym lub przemiennym prądem i lub napięciem (rys.2)
G
T
O
T
a. Układ odniesienia
G
FB
T
O
T
b. Układ pomiarowy
Rys.1. Podstawowy układ pomiarowy do pomiarów bez obciążenia.
G
T
UO
UO
Z
a. Układ odniesienia
4
T
O
G
T
UO
FB
UO
T
O
Z
b. Układ pomiarowy
Rys.2. Podstawowy układ pomiarowy do pomiarów z obciążeniem.
Oznaczenia do rysunków III.1 i III.2:
FB – filtr badany
G – generator
O – odbiornik
T – tłumik separujący 10 dB
Z – źródło prądu lub napięcia
UO - układ oddzielający
Wszystkie elementy układu powinny być ekranowane. Stosować należy układ
pomiarowy symetryczny lub niesymetryczny, stosownie do przeznaczenia filtrów – tłumienia
symetrycznego bądź niesymetrycznego napięcia zakłócającego.
Norma zaleca stosowanie generatora sinusoidalnego. Dopuszcza się stosowanie innych
sygnałów (np. szumy lub impulsy), które dają jednorodne widmo na wyjściu w zakresie
stosowanych częstotliwości, lecz w takim przypadku odbiornik powinien mieć dobrą
selektywność i tłumienność sygnałów niepożądanych.
Przed badaniem tłumienności filtru obciążonego, należy się upewnić, wykonując pomiar
wstępny bez prądu i napięcia (filtr nieobciążony), że obecność układów oddzielających UO i
impedancja źródła obciążenia nie wpływa na pomiar w rozpatrywanym zakresie częstotliwości.
Pomiar wykonuje się w dwu etapach. W pierwszym etapie należy zestawić układ
pomiarowy bez filtru badanego, a generator i odbiornik połączyć bezpośrednio za pomocą
odpowiedniego kabla. Generator należy ustawić na wartość żądanej częstotliwości a odbiornik
dostroić do rezonansu z częstotliwością generatora. Napięcie wyjściowe z generatora i napięcie
wejściowe odbiornika należy zanotować.
W drugim etapie należy zestawić układ pomiarowy z filtrem badanym, ustalić warunki
pracy i zanotować napięcia pomiarowe.
Tłumienność filtru badanego może być określona ze wzoru:
A = 20 log U01/U02 + 20 log Eg2/Eg1 gdzie:
U01 – napięcie wejściowe odbiornika w układzie bez filtru badanego
U02 - napięcie wejściowe odbiornika w układzie z filtrem badanym
Eg2 – SEM generatora w układzie bez filtru badanego
Eg1 - SEM generatora w układzie z filtrem badanym
2.2.
Modyfikacje podstawowego układu pomiarowego
Pomiary wykonane w podstawowym układzie pomiarowym rys.1 i 2 –układy pomiarowe
- wymagają uprzedniego określenia poziomu odniesienia (0 dB). Jeśli stabilność parametrów
stosowanej aparatury badawczej jest wystarczająca dla zachowania wymaganej dokładności
pomiarów, wówczas układ pomiarowy może być wzorcowany w całym zakresie częstotliwości
5
jeden raz przed pomiarami. Jeśli zaś stabilność jest niedostateczna, wówczas układ pomiarowy
musi być wzorcowany oddzielnie przed każdym pomiarem.
Na rysunkach 3, 4 i 5 przedstawiono przykłady układów pomiarowych ułatwiających
takie pomiary i równoważnych podstawowym układom pomiarowym. Zwierają one dwa
przełączniki współosiowe i tłumik wzorcowy (regulowany)
TR
G
T
O
T
FB
Rys. 3. Układ z tłumikiem wzorcowym łączonym równolegle do badanego filtru.
G
T
T
TR
O
FB
Rys. 4. Układ z tłumikiem wzorcowym łączonym szeregowo do badanego filtru.
Oznaczenia do rysunków 3 i 4:
FB – filtr badany
G – generator
O – odbiornik
T – tłumik separujący 10 dB
Z – źródło prądu lub napięcia
TR – tłumik wzorcowy (regulowany)
Długość całkowita każdego kabla pomiędzy badanym filtrem lub tłumikiem wzorcowym a
tłumikami separującymi (rys. 3 i 4) przy każdej częstotliwości pomiarowej nie powinna być
większa niż 0,05 długości fali.
Metody pomiarowa z dwoma przełącznikami współosiowymi (rys. 3)
Metoda 1:
TR zostaje usunięty lub jego tłumienność ATR zostaje ustawiona na zero. Napięcie wejściowe
odbiornika należy utrzymywać na stałym poziomie dla pozycji przełączników: filtr włączony i
filtr wyłączony (U01 = U02). Tłumienność wtrąceniową oblicza się ze wzoru:
A = 20 log Eg2/Eg1
6
Metoda 2:
TR zostaje usunięty lub jego tłumienność ATR zostaje ustawiona na zero. SEM generatora należy
utrzymywać na stałym poziomie dla pozycji przełączników: filtr włączony i filtr wyłączony (Eg1
= Eg2). Tłumienność wtrąceniową oblicza się ze wzoru:
A = 20 log U01/U02
Metoda 3 (podstawienia):
SEM generatora i napięcie odbiornika są utrzymywane na stałym poziomie przy filtrze
włączonym do obwodu i następnie zastąpionym przez regulowany tłumik wzorcowy o skoku
równym 1 dB. Tłumienność filtru jest wówczas równa tłumienności odczytanej z tłumika
wzorcowego.
Metoda pomiaru z dwoma przełącznikami współosiowymi i tłumikiem wzorcowym
połączonym szeregowo z badanym filtrem (rys. 4):
SEM generatora i napięcie wejściowe odbiornika należy utrzymywać na stałym poziomie
przy obu położeniach przełączników. Tłumienność wtrąceniową (w decybelach) badanego filtru
należy obliczyć korzystając ze wzoru:
A = AT1 – AT2 ( dB )
gdzie : AT1 - tłumienność wtrąceniowa tłumika wzorcowego przy wyłączonym
filtrze badanym
AT2 -tłumienność wtrąceniowa tłumika wzorcowego przy włączonym
filtrze badanym
Stanowisko pomiarowe realizuje pomiar metodą 3 z rys. III.3. stały poziom SEM
generatora i stały poziom napięcia na odbiorniku bez obciążenia prądem i napięciem i bez
tłumików separujących. Jest to podyktowane prostotą pomiarów i łatwością wykonania
stanowiska.
3. Opis kompaktowego stanowiska do pomiarów filtrów
przeciwzakłóceniowych
3.1.
Parametry
Zakres pomiarowy
Zakres częstotliwości
Napięcie wyjściowe
Impedancja obw. pomiarowych
Krok pomiarowy
Zasilanie
Wymiary
Ciężar
3.2.
-
110 dB
10 kHz – 30 MHz
10mV – 10V
50 Ω
1 dB
220 V , 50 mA
30cm x 12 cm x 24 cm
1,9 kg
Budowa
Prezentowane stanowisko służy do pomiarów tłumienności wtrąceniowej filtrów metodą
podstawiania. Polega ona na doprowadzeniu sygnału o żądanej częstotliwości do badanego filtru,
określeniu poziomu sygnału na wyjściu, a następnie podaniu tego samego sygnału na tłumik
kalibrowany i takie regulowanie jego tłumieniem, aż uzyska się na wyjściu sygnał o takim
samym poziomie. Szukane tłumienie filtru jest równe tłumieniu odczytanemu z tłumika
kalibrowanego. Dokładność tej metody zależy od dokładności tłumika, a rozdzielczość od jego
kroku.
Urządzenie składa się z czterech podstawowych bloków:
7
•
•
•
•
Układu przełączania
Bloku tłumików regulowanych
Sondy w.cz.
Bloku wskaźnika
Dodatkowo w skład stanowiska wchodzi również generator przestrajany 64 kHz – 130 MHz.
Zadaniem bloku przełączania jest doprowadzenie do sondy w.cz. sygnału z gniazdka BNC
generatora albo przez blok tłumików, albo przez badany filtr, bądź też odłączenie od sondy
sygnałów.
Sygnał po tym bloku doprowadzony jest do sondy w.cz. oraz wyjścia typu BNC, które
umożliwia podłączenie zewnętrznego miernika selektywnego i/lub innego urządzenia. Wyjście
to powinno być obciążone w czasie pomiarów standardową impedancją 50Ω.
Blok tłumików składa się z dwóch tłumików kalibrowanych o skokach odpowiednio 1dB
(prawy) oraz 10dB (lewy). Daje to zakres pomiarowy 110dB ze skokiem 1dB. Tłumiki te są
przystosowane do standardowej impedancji 50Ω.
Sonda w.cz. zbudowana jest z prostownika – podwajacza napięcia D1, D2, C1, C2, filtru
dolnoprzepustowego L1, C3, oraz elementu dopasowującego R2. Prostownik - podwajacz
zbudowany jest na diodach germanowych AAP152 , co gwarantuje małe spadki napięcia i dużą
czułość. Sonda jest elementem nieliniowym, i zaczyna przewodzić przy napięciu wejściowym
ok. 14 mV. Dlatego ważne jest, aby pomiary prowadzić przy możliwie największym sygnale,
gdyż błąd nieliniowości jest tym mniejszy im większe jest napięcie sygnału.
Blok miernika składa się ze wzmacniacza operacyjnego U1 typu TL071 z elementami
towarzyszącymi oraz wychyłowego mikroamperomierza typu tablicowego. Wzmacniacz U1
pracuje w konfiguracji nieodwracającej, gwarantującej bardo dużą impedancję wejściową,
niezbędną do prawidłowej pracy podwajacza. Wzmocnienie tego wzmacniacza zmieniane jest za
pomocą przełącznika trójpozycyjnego przełączającego elementy R1, R5, R6, R7, R8 w pętli
sprzężenia zwrotnego. Wartości tego wzmocnienia wynoszą ok. 1, ok.10 i ok. 100 i są
regulowane R6- R8 trymerami. Włącznik SW1 zwiera wejście wzmacniacza do masy, dzięki
czemu możliwe jest zerowanie miernika potencjometrem R9, który umieszczony jest na płycie
czołowej stanowiska.
Dodatkowo, w skład urządzenia wchodzi układ sterujący przekaźnikami. Naciśnięcie klawisza
K1 powoduje przełączanie odpowiednich obwodów –tłumika lub badanego filtru. Przyciśnięcie
klawisza K2 powoduje, że przekaźniki załączane są na krzyż – co umożliwia ocenę przenikania
sygnału z jednego toru sygnałowego do drugiego. Stan załączenia poszczególnych przekaźników
sygnalizowany jest przez 4 diody świecące.
8