Экран для трансформатора своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 10.09.2024

Защитный экран, окружающий электростатический экран, предохраняет пользователя прибора от прикосновения к токоведущим частям, находящимся под высоким напряжением. Он должен подключаться к заземлению прибора и выдерживать ток, больший максимального выходного тока источника-измерителя (SMU) и тока от других источников, подключённых между LO клеммой и землёй. Если произойдёт случайное замыкание измерительных проводов, электростатического экрана или охранных проводников на заземлённый защитный экран, его потенциал относительно земли останется низким. Защитный экран также предохраняет от поражения сетевым напряжением, имеющимся внутри прибора. В этом случае он выступает в роли шасси прибора, которое также соединяется с землёй. Система защитного заземления является частью питающей сети для обеспечения этого соединения. Оборудование заземляется на вводе сети, гарантируя, что металлический корпус прибора безопасен при прикосновении. Даже если фазный провод коснётся корпуса изнутри, защитное заземление удержит потенциал корпуса на безопасном для прикосновения уровне.

Заземлённый защитный экран никогда не должен использоваться как электростатический. Даже хорошо спроектированный прибор создаёт ток в жиле сетевого шнура, соединяющей его с защитным заземлением. Ток через Y-конденсаторы в блоке питания и ВЧ токи от импульсного БП, протекая через индуктивное сопротивление заземляющей жилы в сетевом шнуре, могут создать напряжения помех между шасси прибора и внешними шинами защитного заземления. Результирующее напряжение проявляется как синфазная помеха между шасси и защитным заземлением. Это напряжение помехи доставляет проблемы, поскольку общий провод измерительного прибора не полностью изолирован от шасси (которое заземлено). Каждый прибор создаёт некоторые постоянные и переменные токи утечки через изоляцию от питающей сети и конечную ёмкость между общим проводом прибора и его защитным заземлением. Эта ёмкость понижает сопротивление изоляции для переменного тока. Мы не хотим, чтобы эти токи протекали через какую бы то ни было часть измерительной установки (Рисунок 4). Эти токи вызывают падения напряжения на измерительных проводах, а также на остальных сопротивлениях измерительной цепи.

Рисунок 4.

Иллюстрация создания тока синфазной помехи компонентами питающей сети, а также
протекания через ёмкости изоляции переменных токов, вызываемых извне.

Заземление экрана

Ток синфазной помехи

На Рисунке 4 показан типичный силовой трансформатор для измерительных приборов с экранами на первичной и вторичной сторонах. Эти экраны выполняют ту же функцию, что и рассмотренные ранее экраны приборов. В случае с приборами, если часть чувствительной цепи остаётся неэкранированной, линии внешнего поля могут наводить в них токи. Это остаётся справедливым и для силового трансформатора, за исключением того, что в нём наведённые токи будут гораздо сильнее из-за близости первичной и вторичной обмоток и значительной величины напряжений обмоток. C1 представляет собой неэкранированную ёмкость между вторичной обмоткой и первичным экраном, а C2 – неэкранированную ёмкость между первичной обмоткой и вторичным экраном. Результирующий ток синфазной помехи является суммой токов через все эти ёмкости. Этот ток будет увеличиваться по мере роста напряжений на обмотках трансформатора или его рабочей частоты. Реактивное сопротивление неэкранированных ёмкостей трансформатора падает с ростом частоты, увеличивая синфазный ток.

Пример хорошо экранированной и заземлённой системы с одним источником-измерителем

В примере, показанном на Рисунке 5а, если LO клемма должна быть заземлена на стороне тестируемого устройства, либо напрямую, либо через ёмкость, токи заземления будут течь через измерительные провода, и понадобилось бы 4-проводное подключение для исключения влияния паразитного напряжения, созданного электрическим полем между двумя защитными заземлениями. На Рисунке 5б, если бы экран вокруг тестируемого устройства был заземлён, ток не протекал бы через измерительный LO провод. Тогда ёмкость между тестируемым устройством и экраном должна быть минимизирована. На Рисунке 5в экран заземлен через общий провод прибора и токоограничивающий резистор. В этом случае разность потенциалов между защитными заземлениями, представленная как V_X, не вызывает никаких токов, поскольку есть только одна точка заземления.

Рисунок 5а.

С одним источником-измерителем, заземление тестируемого устройства либо
напрямую, либо через ёмкость может создать путь для протекания тока через
LO провод.

Рисунок 5б.

При таком использовании источника-измерителя, заземление LO на стороне
тестируемого устройства, напрямую либо через ёмкость, не приводит
к протеканию паразитных токов через LO провод.

Рисунок 5в.

С одним источником-измерителем, заземление экрана с прибором через резистор
не приводит к паразитным токам в LO проводе.

Во всех этих примерах охранный проводник должен быть проведен как можно ближе к тестируемому устройству и заканчиваться только внутри экрана.

Пример хорошо экранированной и заземлённой комплексной испытательной системы

На Рисунке 5г представлена испытательная система с двумя приборами. В такой конфигурации трудно предотвратить проникновение всех токов заземления в систему, поскольку здесь есть две различные точки заземления. Но можно уменьшить результирующий ток, соединив LO с защитным заземлением в одной точке через резистор и подключив экраны обоих приборов к экрану тестируемого устройства, как показано на Рисунке 5г. В этом случае основная часть тока потечёт через паразитные ёмкости и сопротивления обоих силовых трансформаторов и через соединённые экраны. Некоторый ток будет течь через измерительные провода, поэтому также понадобится 4-проводное подключение.

Рисунок 5г.

С двумя источниками-измерителями 4-проводные линии компенсируют ток, протекающий
в проводах из-за использования двух разных точек заземления.

Заключение

Большинство погрешностей измерения может быть связано с токами, наводимыми в тестируемом устройстве или измерительных проводах внешними электрическими (высокоимпедансными) полями. Добавление электростатического экрана, правильно заземлённого на LO клемму прибора, может полностью исключить эти источники помех. В некоторых случаях при работе с очень малыми токами вместо электростатического экрана или в дополнение к нему должна использоваться эквипотенциальная защита. Разность потенциалов точек защитного заземления, вызванная токами от оборудования с сетевым питанием, также может привести к погрешностям, если вызванный ею ток потечёт по измерительным проводам. Синфазный ток от приборов также вносит вклад в погрешности. Силовой трансформатор прибора замыкает цепь этого тока, поэтому любое подключение к защитному заземлению должно выполняться так, как было описано. Защитный экран, обеспечивающий безопасность оператора, даёт, вдобавок, некоторое экранирование низкочастотного радиоизлучения. Если общий провод прибора соединён с защитным заземлением через относительно высокоомный резистор, энергия РЧ излучения не проникнет в прибор, и паразитные напряжения от выпрямления электромагнитной помехи могут быть сведены к минимуму.

Приемопередающая любительская аппаратура работает в достаточно мощных электромагнитных полях. Это и поля рассеяния неэкранированных силовых трансформаторов, установленных, как правило, на шасси аппаратуры, и электромагнитные поля передающих трактов, излучение которых, наведенное на предварительные каскады, вызывает нелинейные эффекты и самовозбуждение, расширяющие спектр выходных сигналов, что чаще всего приводит к появлению помех на диапазоне и к TVI.

Желание использовать красивый, долговечный, легкий по весу и простой в обработке, обладающий большой электропроводностью, не поддающийся коррозии материал для шасси и корпуса аппаратуры вынуждает конструктора применять алюминий и его сплавы. Однако доступность и цена алюминия явно оставляют желать лучшего.
В промышленности давно и успешно используется мягкая сталь. Благодаря технологиям штамповки, гофрирования, точечной сварки и оксидирования (анодирования)из тонких листов стали изготавливаются достаточно прочные шасси и корпуса, а соединения с корпусом осуществляются сваркой или пайкой с использованием специальных флюсов или путем специальных луженых лепестков, прикручиваемых или приклепываемых к шасси.

В аппаратуре самыми уязвимыми для наводок местами являются компоненты с сосредоточенными параметрами, особенно катушки индуктивности, используемые, например, в генераторах. Наведенное на катушку электромагнитное поле вызывает в генераторах паразитную модуляцию выходного сигнала, которую обычными средствами подавить невозможно.

Не пора ли переходить на стальные конструкции? Все ведет к этому: и желание защитить аппаратуру не только от электрических, но и от магнитных наводок (сталь обеспечивает такую защиту), и дефицит алюминия, и высокие цены на него.

Модная опайка СВЧ блоков полосами из посеребренной (луженой) меди (латуни) имеет ту же негативную сторону: хорошо экранирует устройство от электрического поля и не экранирует от магнитного. Более правильным решением здесь было бы применение луженой жести — это дешевле и эффективнее. Кроме того, можно установить второй экран, вдобавок к электрическому—магнитный. Оптимальным решением может стать анодирование стали медью, которую потом можно и посеребрить.

Нередко приходится слышать жалобы даже от опытных разработчиков по поводу "неизбывных" помех или "наводок" частоты питающей сети, проникающих в сигнальные цепи аппаратуры. Думаю, тема электромагнитных помех интересует не только разработчиков аудио-аппаратуры высокой верности воспроизведения и энтузиастов-самодельщиков, но и любого уважающего своё призвание инженера-электронщика. Статья посвящена лишь одному приёму, ощутимо снижающему суммарную напряжённость магнитного поля, распространяемого трансформаторами за пределы своих габаритов. Методов борьбы с наводками питающего напряжения много, по нескольким самым основным пройдёмся в конце лишь кратенько, в качестве памятки.

Один тор хорошо, а два - лучше!

Изначально эту идею я где-то выловил. Если знаете автора-изобретателя - подскажите, пожалуйста! Всё очень просто: если взять два одинаковых тора, которые к тому же и нагружены хотя бы приблизительно одинаково, установить их спинка к спинке и подключить так, чтобы излучаемое каждым трансформатором магнитное поле было в противофазе к полю его соседа - магнитные поля от двух трансформаторов в большой степени взаимно компенсируются. Таким образом можно значительно снизить уровень помех просто слегка изменить конструктив.

Откуда возьмутся два одинаковых трансформатора? Нередко для питания усилителя требуется пара идентичных трансформаторов, это может быть выгодно по цене и габаритам, полезно для развязки каналов и т.п. Если же аппарат проектируется "с нуля" - то можно, например, использовать по одной обмотке с каждого тора для получения двуполярного напряжения.

Вот так уместились по два 150-ваттных тора в моноблоках, которые я собирал ещё в прошлом столетии:

Как проверить, что трансформаторы действительно подключены в противофазе: достаточно намотать тестовый виток (или несколько) на оба тора сразу - при правильно подключенных первичных обмотках на такой "общей" тестовой не должно быть напряжения. Полезно так же проверить "от обратного": временно поменять фазу первичной обмотки одного из трансформаторов и убедиться, что тестовый виток развивает определённое напряжение.

Даже в случае неидеальной симметрии суммарный уровень магнитной помехи, излучаемой трансформаторами, будет значительно снижен.

Дьявол обитает в мелочах

Именно в расчёте на случай несимметричных трансформаторов нельзя закорачивать "нулевой" виток. А поскольку ни в природе ни в электронике не бывает двух абсолютно одинаковых созданий - правило это надо соблюдать всегда. Казалось бы - откуда ему там вообще взяться, этому витку, да ещё общему для двух трансформаторов? Это может быть, например, ось, на которую "нанизаны" оба тора, которая вместе с корпусом образует короткозамкнутый виток. Весьма удобное конструктивное решение, и его вполне можно применить, надо лишь разорвать цепь, заизолировав один из концов оси, например как на картинке:

Под гайки подложены изолирующие шайбы из стеклотекстолита, а на саму ось, в том месте, где она проходит через алюминиевый уголок, надета ПВХ трубочка.

Хозяину на заметку

Краткий перечень других методов по снижению помех. Надеюсь, со временем список будет пополняться, в частности и Вашими усилиями. Так что заглядывайте почаще!

Метод "грубой силы": помещаем трансформатор в защитный экран из магнитомягкого материала. Весьма эффективно как для борьбы с помехами, так и, увы, для поднятия общего бюджета изделия.

Самый действенный способ уменьшить магнитную составляющую помех от трансформатора - это снизить индукцию в сердечнике. Иными словами - приобретайте качественные изделия. В случае тех моноблоков, что на картинках, при заказе трансформаторов я попросил изготовителя сначала рассчитать изделия как обычно, а потом добавить ко всем обмоткам по 10% витков. В результате ток холостого хода мизерный, сердечник не насыщался и при 280 вольт питающего напряжения, трансы вообще не гудят и ничего не "светят" вовне. По деньгам же это дополнение тогда обошлось мне в сущие копейки.

Священный Грааль всех изготовителей трансформаторов: не должно быть неполных витков. Именно такие витки могут стать источником помех, разгуливающих по всему корпусу аппарата, либо чувствительными приёмниками оных, например в случае выходных (и уж тем более межкаскадных) трансформаторов в ламповых усилителях. Отсюда следует важный вывод для простых пользователей электромагнитных изделий: провода каждой обмотки должны выходить из одного места и быть тщательно скручены, чтобы не образовывалось никаких петель. Так же следует обратить внимание на возможные петли и исключить их как в сильноточных, так и в сигнальных цепях далее по схеме.

Грамотная разводка "земли" - тема для полноценного цикла статей. Здесь замечу лишь, что даже на сантиметровом отрезке проводника, неудачно послужившем частью "единой точки" заземления всего, может разгоняться напряжение помехи, будучи опять же неудачно приложенное ко входным цепям - достаточное для возникновения препротивнейшего и очень заметного "гудежа" на выходе аппарата.

Экранирующая обмотка, как и корпус трансформатора, должны быть подсоединены к корпусу прибора и, возможно через небольшую развязку - к защитному заземлению.

Фильтр ВЧ помех по питанию - необходимый компонент любого аппарата в современном мире. Об этом отдельная статья.

Уверен, что у Вас, дорогой читатель, найдётся ещё немало приёмов подавления помех, о которых полезно помнить всем нашим собратьям по страсти электронной. Даже одно доброе дело в день - жизнь прожита не зря! ? Так совершите же полезное прямо сейчас - поделитесь в комментариях с Миром своим опытом, знаниями!

Питание

Вибрации трансформатора в основном определяются его конструкцией и качеством изготовления. Пакет пластин должен быть хорошо стянут, а пластины склеены между собой лаком. Лучше, если будет пропитан весь трансформатор целиком, например, парафином. Как правило, у всех трансформаторов гудение хоть немного слышно, что позволяет сравнивать трансформаторы между собой.

Поле рассеивания определяется в основном конструкцией трансформатора. В этом плане преимущество имеют тороидальные трансформаторы. Но их тоже надо наматывать правильно, равномерно распределяя обмотки по всему кольцу. Для исследования поля рассеивания трансформаторов незаменимая вещь - кассетный плейер. Магнитная головка чувствительна к переменному магнитному полю, а поскольку сетевая частота лежит в звуковом диапазоне, то наводки можно послушать с помощью наушников. Перемещая плейер относительно трансформатора, можно исследовать конфигурацию поля рассеивания. Можно, конечно, сделать какую-нибудь рамку с обмоткой и подключить ее к осциллографу. Но на слух, как мне кажется, более информативно. Точные замеры здесь делать нет необходимости, нужно лишь сравнивать разные трансформаторы или разное их расположение и экранировку.

Штатный трансформатор оказался очень тихим, гудение еле-еле слышно, и то если его сильно прижать к уху. Наверное, потому что он хорошо обжат и пропитан парафином. Ток холостого хода 6.4 мА, что не так мало для трансформатора такой мощности. Поле рассеивания этого трансформатора вполне заметное, хотя и терпимое.

Второй трансформатор, который рассматриваю в качестве возможной замены, это стандартный тороид ТТП-100-0.02-УХЛ4 мощностью 20 Вт. Вторички при необходимости можно перемотать. Ток холостого хода составляет 1.68 мА, что заметно лучше, чем у штатного трансформатора. Зато гудение немного сильнее, что явилось неожиданностью – тороиды обычно очень тихие. Поле рассеивания заметно меньше, хотя характер наводок другой. У штатного трансформатора это практически синусоида 50 Гц, а у тороида форма наводок более сложная с множеством гармоник. Тороид, при своей кажущейся осевой симметрии, дает сильно разный уровень наводок при повороте вокруг своей оси.

Третий трансформатор - это фирменный герметизированный тороид. Напряжения вторичек, конечно, совсем не те, и перемотать их нет возможности, но проверил его просто ради любопытства. Ток холостого хода составляет 1.48 мА. Гудения почти не слышно, оно практически на уровне штатного трансформатора. Поле рассеивания практически отсутствует, закралось даже подозрение, что внутри имеется экран. Этот трансформатор очень хорош, но поставить его сюда нет никакой возможности.

По результатам этой проверки вполне возможно оставить штатный трансформатор. Главное зло трансформатора в проигрывателе - это вибрации. У штатного трансформатора с этим все прекрасно. Ну а наводки можно уменьшить экранировкой. В проигрывателе имеется штатный экран трансформатора из трех витков ленты из электротехнической стали. Этот экран оказался довольно эффективным, наводки снижает в несколько раз. Сверху трансформатор закрывается стальной перфорированной пластиной, которая оказалась совершенно неэффективной. Впрочем, над трансформатором нет ничего чувствительного.

Во всем диапазоне низких частот 50…4000 Гц хорошо действует экран из пермаллоя и других специальных сортов ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью и малым удельным сопротивлением. По результатам Густафсона [17] экранирующая коробка не должна плотно прилегать к сердечнику трансформатора. При зазоре примерно в 3 мм эффективность экранирования получается на 15 дБ выше. В такой конструкции имеется двойной экран: первым, внутренним экраном является сердечник трансформатора, а остаточное поле рассеивания экранируется наружной коробкой. Так же действуют многослойные экраны с воздушными зазорами, дающие высокую эффективность экранирования.

Еще одна эффективная мера - поворот трансформатора вокруг вертикальной оси. Но, к сожалению, со штатным трансформатором это не пройдет - ниша в корпусе прямоугольная. В самодельном деревянном корпусе планировал сделать круглую нишу для возможности поворота трансформатора, но этому корпусу не суждено появиться.

Из смешного - провода, заделанные в штатный трансформатор, изначально все белого цвета. Некоторые из них снаружи покрашены в другие цвета (один зеленый, два оранжевых), но эта краска легко смывается. Это советские реалии – цветные провода были дефицитом. Помню в те времена в лаборатории были огромные бухты белого МГШВ. Им разводили и плюс, и минус, и все остальное. Выбирать цвет проводов было непозволительной роскошью.

Часто можно видеть, что трансформаторы обернуты замкнутой медной лентой. Это хорошая мера для уменьшения поля рассеяния, но эффективна она на сравнительно высоких частотах, на которых работают импульсные источники.

Для трансформаторов и дросселей, работающих на частоте 50 Гц, отдельный медный или алюминиевый экран совершенно не эффективен. Несмотря на это, Н. И. Амосенко и Д. М. Мурин [60] применили алюминиевый короткозамкнутый виток из ленты толщиной 3 мм и шириной 65 мм для экранирования силового трансформатора в телевизорах.

Часто ортодоксальные аудиофилы категорически не рекомендуют устанавливать трансформатор внутрь проигрывателя. Но этот вопрос не является принципиальным, он исключительно количественный. При проектировании устройств нельзя ставить целью полностью исключить влияние того или иного фактора. Это влияние можно лишь уменьшить ниже какого-то предела, когда оно потеряет практическую значимость. Так и с трансформатором – можно принять конструктивные меры, когда помехи от него станут ниже других видов помех. У меня есть опыт эксплуатации этого проигрывателя с трансформатором внутри. Основной помехой при воспроизведении является рокот двигателя (если не считать помехи самого винила), а вибрации и наводки трансформатора совершенно незаметны. Делал сравнение при питании проигрывателя от внешнего источника. Если же трансформатор выносить в отдельный корпус, то вместе с ним нужно выносить и выпрямитель с частью фильтра, так как между трансформатором и выпрямителем циркулируют импульсные токи зарядки емкостей фильтра, которые могут стать причиной помех.

Чтобы перестраховаться и что-то улучшить (иначе, что это за доработка?), решил трансформатор установить на резиновые амортизаторы, как обычно сделано в фирменных проигрывателях. Для этого увеличил крепежные отверстия до 6 мм и вставил туда резиновые втулки от подвеса механики CD-ROM.

Для крепления трансформатора подобрал саморезы длиной 12 мм и изготовил металлические трубочки длиной 5.5 мм, которые играют роль ограничителей сжатия резиновых амортизаторов. Трансформатор прикручивается к стойкам, которые вклеил в корпус.

Для моделирования источника питания требуется составить более-менее точную модель трансформатора. Для этого измерил ряд параметров трансформатора: индуктивность первичной обмотки L1 = 14 Гн, ее активное сопротивление 337 Ом, индуктивность вторичной обмотки L2 = 0.12 Гн, ее активное сопротивление 5.4 ом, приведенная к первичной обмотке индуктивность рассеяния Ls = 1.3 Гн. Паразитная емкость между первичкой и вторичкой около 45 пФ, емкость с первички на магнитопровод – около 60 пФ. Паразитные емкости заменил сосредоточенными, хотя это довольно грубое приближение. С другой стороны, паразитные емкости очень незначительные. На основе индуктивности рассеяния вычислил коэффициент связи между обмотками (k = 1 – Ls/L1) и внес его в модель.

В модели использую только одну вторичную обмотку, которая питает привод и с которой снимается почти вся мощность. Еще одна обмотка, которая питает усилитель-корректор, относительно маломощная и ее можно не учитывать.
схема

Для проверки адекватности модели включил трансформатор в сеть и нагрузил на несколько разных резисторов, при этом замерил выходное напряжение. Затем проделал то же самое в симуляторе. Результаты хорошо совпали. Теперь можно заняться схемой сетевой части.

Читайте также: