Ćwiczenie nr 4. Filtry w układach zasilających

Transkrypt

1 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. R FB FB filtr badany generator odbiornik (mikrowoltomierz selektywny) tłumik separujący 10 db (opcjonalnie) Z źródło prądu lub napięcia R tłumik wzorcowy (regulowany) 1

2 1. Podłączyć generator przestrajany do gniazdka 1. Badany filtr podłączyć do gniazdek 2 i 3, przy czym do gniazdka 2 podłączamy wejście badanego filtru, a do 3 wyjście. niazdko 4 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 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). ab. III.1. zalecane częstotliwości pomiarowe. MHz MHz 3 2,4 2 1,5 1,2 1 0,8 0,6 0,5 0,4 khz khz Literatura: [1] Praca zbiorowa. Zakłócenia w aparaturze elektronicznej. Radioelektronik Sp. z o.o. Warszawa 1995 [2]. Więckowski Pomiar emisyjności urządzeń elektrycznych i elektronicznych, ficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997 [3] H.W. tt Metody redukcji zakłóceń i szumów w układach elektronicznych, Wydawnictwa Naukowo echniczne, Warszawa 1979 [4] A. Charoy Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych, cz. 3, ekrany, filtry, kable i przewody ekranowane, Wydawnictwa Naukowo echniczne, Warszawa 2000 [5] PN-78/-4502, Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne. ypowe metody pomiarów. 2

3 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 : A Z tłumienność wtrąceniowa E S jest SEM źródła U napięcie na wyjściu (obciążeniu) A Z [ db ] = 20 log E S / 2U Przebieg zmian tłumienia A Z w funkcji częstotliwości tworzy charakterystykę częstotliwościową filtru. Skuteczność filtru zależy od impedancji źródła i impedancji obciążenia. łumienność 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

4 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) a. Układ odniesienia FB b. Układ pomiarowy Rys.1. Podstawowy układ pomiarowy do pomiarów bez obciążenia. U U Z a. Układ odniesienia 4

5 U FB U Z b. Układ pomiarowy Rys.2. Podstawowy układ pomiarowy do pomiarów z obciążeniem. znaczenia do rysunków III.1 i III.2: FB filtr badany generator odbiornik tłumik separujący 10 db Z źródło prądu lub napięcia U - 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 U 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. enerator 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. łumienność filtru badanego może być określona ze wzoru: A = 20 log U 01 /U log E g2 /E g1 gdzie: U 01 napięcie wejściowe odbiornika w układzie bez filtru badanego U 02 - napięcie wejściowe odbiornika w układzie z filtrem badanym E g2 SEM generatora w układzie bez filtru badanego E g1 - 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

6 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) R FB Rys. 3. Układ z tłumikiem wzorcowym łączonym równolegle do badanego filtru. R FB Rys. 4. Układ z tłumikiem wzorcowym łączonym szeregowo do badanego filtru. znaczenia do rysunków 3 i 4: FB filtr badany generator odbiornik tłumik separujący 10 db Z źródło prądu lub napięcia R 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: R zostaje usunięty lub jego tłumienność A R zostaje ustawiona na zero. Napięcie wejściowe odbiornika należy utrzymywać na stałym poziomie dla pozycji przełączników: filtr włączony i filtr wyłączony (U 01 = U 02 ). łumienność wtrąceniową oblicza się ze wzoru: A = 20 log E g2 /E g1 6

7 Metoda 2: R zostaje usunięty lub jego tłumienność A R zostaje ustawiona na zero. SEM generatora należy utrzymywać na stałym poziomie dla pozycji przełączników: filtr włączony i filtr wyłączony (E g1 = E g2 ). łumienność wtrąceniową oblicza się ze wzoru: A = 20 log U 01 /U 02 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. łumienność 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. łumienność wtrąceniową (w decybelach) badanego filtru należy obliczyć korzystając ze wzoru: A = A 1 A 2 ( db ) gdzie : A 1 - tłumienność wtrąceniowa tłumika wzorcowego przy wyłączonym filtrze badanym A 2 -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. pis kompaktowego stanowiska do pomiarów filtrów przeciwzakłóceniowych 3.1. Parametry Zakres pomiarowy db Zakres częstotliwości - 10 khz 30 MHz Napięcie wyjściowe - 10mV 10V Impedancja obw. pomiarowych - 50 Ω Krok pomiarowy - 1 db Zasilanie V, 50 ma Wymiary - 30cm x 12 cm x 24 cm Ciężar - 1,9 kg 3.2. 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

8 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. łumiki 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 L071 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