CC BY
55
УДК [621.311:629.5]:621.391.82
К. А. Климкин
СПОСОБЫ ОСЛАБЛЕНИЯ МОДУЛИРУЮЩИХ ПОМЕХ СУДОВЫХ СИСТЕМ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Судовая сеть электропитания содержит различные силовые преобразовательные устройства, являющиеся мощным источником помех самого широкого спектра, частотный диапазон которых простирается до нескольких десятков мегагерц. Модулирующие помехи приводят к серьезному ухудшению качества связи, что особенно заметно проявляется при питании приемопередающего устройства (ПУ) от сети соизмеримой мощности, т. е. в судовых условиях. В отличие от аддитивных помех, которые вызываются, например, плохой фильтрацией питающего напряжения, модулирующий фон (помеха) возникает в результате совпадения двух условий: наведения токов радиочастоты / (рис. 1) в проводах сети при работе антенной системы (АС) и наличия модулирующих параметрических элементов (диодов выпрямителя) в цепи АС-ПУ. Источник вторичного питания (ИВП) в этом случае действует как модулятор радиосигнала фоном переменного тока, т. к. в цепь АС-ПУ оказываются включенными диоды выпрямителя (В), как показано на рис. 2. Каждый диод является параметрическим элементом для сравнительно малых напряжений радиочастоты, т. е. линейным, параметры которого существенно изменяются во времени с частотой питающей сети под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора. Токи высокой частоты /, попадающие на вход ПУ, будут определяться как произведение напряжения полезного сигнала на диодах на переменную проводимость диодов:
/ = и ■ Уус1,
где УуЛ = \IRcl: УуЛ - переменная проводимость диода; ЕЛ - дифференциальное сопротивление диода.
\------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
Рис. 1 Рис. 2
В итоге полезный сигнал окажется умноженным на функцию изменения проводимости самих диодов, получая при этом паразитную модуляцию фоном переменного тока. Учитывая, что под влиянием изменяющегося обратного напряжения при закрытых диодах изменяется их барьерная емкость, сигнал получает не только амплитудную, но и фазовую (т. е. частотную) модуляцию [1]. В стационарных ПУ с простыми антеннами такие токи должны были бы уходить по проводу заземления, минуя источник питания. Однако заземление по высокой частоте малоэффективно [2].
Влияние аддитивных помех, которые суммируются с сигналом, можно ослабить с помощью фильтрации или увеличением уровня сигнала. Основные способы борьбы с мультипликативными помехами заключаются в следующем: 1) ослабление связи между ПУ и проводами сети; 2) уменьшение модулирующего действия диодов. Однако любой из этих способов в отдельности, как правило, оказывается недостаточным. Второй способ наиболее часто применяется на практике и состоит в шунтировании диодов выпрямителя конденсаторами небольшой емкости. Шунтирование диодов конденсаторами начали применять многие зарубежные фирмы - производители источников вторичного электропитания примерно с конца 70-х гг. XX в. [3, 4]. Конденсаторы устанавливаются как в мостовых, так и в двуполупериодных выпрямителях с отводом от средней точки вторичной обмотки, а иногда и в однополупериодных выпрямителях. Они способствуют также уменьшению импульсных помех от переходных процессов в самих диодах, при этом энергия пе-
реходного процесса идет не в сеть, а замыкается через шунтирующую емкость. Хорошие результаты дает соединение по высокой частоте каждого провода сети с корпусом оборудования с помощью конденсаторов емкостью по 10...100 нФ. Это делается, например, во всех чувствительных к помехам измерительных приборах и высокочастотных генераторах [2] и может применяться на судах, где защитное заземление электрооборудования является обязательным.
Однако шунтирование диодов конденсаторами может приводить и к обратному эффекту, т. е. не уменьшать, а наоборот, увеличивать помехи, проникающие как со стороны сети, так и в сторону сети от самого источника. Это может происходить из-за уменьшения емкостного сопротивления на пути импульсного тока помехи. Ослабляя по второму способу мультипликативный фон, возникающий в своем выпрямителе, можно, наоборот, увеличить токи радиочастоты в проводах сети. Эффективным способом уменьшения модулирующих помех является установка запорных дросселей, которые включаются как в первичную, так и во вторичную цепи ИВП, при этом непосредственного вмешательства в цепь выпрямителя не требуется. Такие дроссели защищают ПУ не только от помех, возникающих в своем выпрямителе, но и от помех в других источниках, связанных с данной сетью. Последнее обстоятельство является актуальным для судовых условий. Введение дросселей значительно снижает уровень высокочастотных токов вообще, а совместно с конденсаторами делает мультипликативный фон очень малым. Кроме того, предлагается экранировать вторичные обмотки от первичных в трансформаторе питания. Такая экранировка существенно устраняет емкостную связь между обмотками. Помимо экранировки, уменьшению фона способствует также секционирование обмоток, что позволяет уменьшить их собственную емкость при последовательном включении, а удаление, насколько возможно, проводов сети от АС, дополнительно способствует уменьшению мультипликативного фона.
Насколько нам известно, в большинстве судовых блоков вторичного электропитания ни одно из предлагаемых средств борьбы с подобного рода помехами, к сожалению, не используется.
Для проверки предложенных выше методов с помощью программы Proteus была составлена схема моделирования (рис. 3), заданные параметры которой основывались на конкретных ПУ. На схеме (рис. 3): G1 - источник переменного тока (f = 50 Гц, 10 В); G2 - генератор тока радиочастоты (f= 250 кГц, 5 мВ); B - мостовой выпрямитель; Сф - фильтр аддитивных помех (С = 4 400 мкФ); R - эквивалент нагрузки (R = 51 Ом); С3-С6, L1 - элементы подавления модулирующих помех; О - осциллограф; С1С2R1 - эквивалент антенной системы с участием сети.
Рис. 3
Параметры схемы моделирования основывались на технических характеристиках портативного ЧМ-трансивера «Урал-Р» с выносным блоком питания, изначально не имевшего средств подавления помех. Мостовой выпрямитель В выполнен на диодах КД204, емкость Сф выбрана как усредненное значение для подобного типа фильтров, величина Я выбрана из допустимого потребляемого тока трансивера (около 200 мА), эквивалент антенной системы имел параметры С1 = С2 = 150 пФ, Я1 = 100 Ом (определяется типом антенны).
Результаты моделирования показали следующее: наилучшее подавление мультипликативной помехи, примерно в 1 000 раз, получено при комбинированном использовании конденсаторов С3-С6 по 1 500 пФ для всех плеч моста и запорного дросселя Ь1 индуктивностью
60 мГн во вторичной цепи питания. По отдельности дроссель обеспечивал подавление примерно в 100 раз, а конденсаторы - в 10 раз. Было отмечено также, что шунтирование конденсаторами всех диодов моста дает лучшие результаты, чем только двух из них, а при шунтировании двух диодов моста это лучше делать в противоположных плечах. Изменением значений С3-С6 было установлено, что хорошее подавление помехи получается при емкости конденсаторов от 1 000 пФ до 0,1 мкФ. Дальнейшее увеличение емкости (до 10-100 мкФ) приводит к спонтанным колебательным процессам во вторичной цепи ИВП. Недостаток чисто дроссельного подавления помехи: при малой индуктивности (до 1 мГн) подавление оказывается недостаточным, а при большой (свыше 200 мГн) - сказывается влияние собственной емкости дросселя. Кроме того, при резонансе контура, образованного индуктивностью Ь1 и динамически изменяющейся емкостью диодов, уровень модулированных токов незначительно возрастает. Вследствие этого шунтирование диодов и выпрямителя конденсаторами является целесообразным, а указанные выше величины С3-С6, Ь1 - оптимальными для данного класса ресиверов с потребляемой мощностью до 10 Вт.
Учитывая вышесказанное и принимая во внимание результаты моделирования, предлагается следующая практическая схема комбинированного подавления модулирующих помех для ПУ данного класса (рис. 4).
Провода сети защищены от токов радиочастоты дросселем Ь1, который подавляет несимметричные помехи; дроссель Ь2 создает разрыв в нежелательной петле, образованной проводами источника питания и заземления с одновременной компенсацией симметричных помех. Диоды выпрямителя В зашунтированы конденсаторами, а для токов радиочастоты весь выпрямитель имеет общий провод заземления с общей точкой конденсаторов С1, С2. Ъ - полное сопротивление для токов высокой частоты шины заземления. Ях - волновое сопротивление фидера. Дроссель Ь3 представляет собой линейный изолятор для уменьшения антенного эффекта фидера. Первичная и вторичная обмотки силового трансформатора Т разделены экраном.
Результаты экспериментального моделирования с применением ПК для маломощных источников вторичного электропитания приемопередающего оборудования могут быть использованы и для других источников вторичного питания в судовой системе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кремер И. Я., Владимиров В. И., Карпухин В. И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов. - М.: Сов. радио, 1972. - 480 с.
2. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. - М.: Мир, 1979. - 318 с.
3. Прокофьев В. Г., Пахарьков Г. Н. Зарубежная бытовая радиоэлектронная аппаратура. Справочник. -М.: Радио и связь, 1988. - 240 с.
4. БарнсДж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. - М.: Мир, 1990. - 238 с.
Статья поступила в редакцию 9.09.2009
WAYS REDUCING MODULATING INTERFERENCES OF SHIP SYSTEMS OF SECONDARY ELECTRIC POWER SUPPLY
K. A. Klimkin
Ways, which reduce modulating (multiplicative) interferences, arising in ship networks of a secondary electric power supply and having a negative influence on the transmitting-receiving equipment are considered in the paper. There is an undesirable modulation of radio signals by frequencies of harmonics of a power line while currents of high frequency are passing through diodes of rectifiers. An optimum combination of parameters of filtering elements has been found on the example of the scheme of modelling to neutralize interferences of a similar kind in low-power transmitting-receiving devices.
Key words: modulating interference, radio-frequency currents, locking throttle, source of a secondary electric power supply.
