Статистика
Время:
Зарегистрированных: 78645
Последним зарегистрирован: Cartel67
Рекорд посещаемости: 12585
Групп пользователей: 4
 Группы:
[Admin] [Cоучастник] [Автор] [Модератор]
 Сейчас на сайте
 Всего: 236
 Гостей: 223
 Анонимных: 0
 Пользователей: 13
 Зарегистрированные:
Mars9 G0rik VZH_79 Tim753 Konder ser61 Andrew007 FPV sergei-147 AlexZimin alexprim92 atmicandr vvb29

> Источники питания -> Мультипликативные помехи от источников вторичного электропитания
"Мультипликативные помехи от источников вторичного электропитания"

Д. Авдонин, А. Гречихин (UA3TZ), г. Нижний Новгород
Радио №2 2002г


Радиоприем нередко сопровождается сильным фоном переменного тока, прослушиваемым при настройке на несущую радиостанции. Даже если несущая отсутствует, например, при приеме SSB сигналов, речь становится искаженной и неразборчивой. Телеграфные сигналы приобретают хриплый тон. Особенно сильно эффект проявляется в транзисторных приемниках со штыревыми антеннами, зачастую делая невозможным их питание от сети переменного тока. Эффект в равной мере проявляется и при передаче, искажая сигнал станции и расширяя его спектр. О причинах этого явления и средствах борьбы с ним и рассказывается в предлагаемом материале.

В статье рассмотрены такие преобразования радиосигналов, при которых в результате прохождения токов радиочастоты через диоды работающего источника вторичного электропитания, содержащего выпрямитель, происходит нежелательная модуляция радиосигналов с частотами гармоник питающей сети.

Наиболее ярко этот эффект проявляется, например, при питании портативного вещательного радиоприемника AM сигналов со штыревой антенной от сети переменного тока через выпрямитель. Фон переменного тока прослушивается только тогда, когда приемник настроен на частоту работающей станции, и совсем не слышен, если сигнал станции отсутствует. Интенсивность фона повышается с ростом уровня сигнала, поэтому фон наиболее заметен при приеме местных радиостанций [1]. Наряду с фоном переменного тока, четко выделяющимся во время пауз передачи, прослушиваются существенные искажения речи и музыки.

В отличие от аддитивного фона, причиной которого может быть, например, неудовлетворительная фильтрация напряжения питания и который прослушивается на выходе приемника независимо от того, настроен он на какую-либо станцию или нет, указанный фон справедливо называют мультипликативным фоном (МФ) [2], т. е. возникшим в результате функционального перемножения колебаний сигнала и помехи.

image
Рис.1

Процесс может происходить следующим образом: если в качестве антенны используется отрезок провода, то в антенную систему, участвующую в процессе приема, в качестве противовеса неизбежно входят провода питающей сети, в которых, как и в антенном проводе, под действием электромагнитного поля радиостанции тоже наводится ЭДС радиочастоты (рис. 1). Источник вторичного питания (ИВП) в этом случае действует одновременно и как модулятор радиосигнала фоном переменного тока, поскольку в цепь антенной системы приемника (Rx) оказываются включенными диоды выпрямителя, как показано на рис. 2.

image
Рис.2

Каждый диод работающего выпрямителя является для сравнительно малых напряжений радиочастоты параметрическим элементом (т. е. линейным элементом, параметры которого существенно изменяются во времени с частотой 50 Гц под действием сравнительно большого напряжения от вторичной обмотки трансформатора). Радиочастотный ток i в цепи антенной системы, попадающий на вход приемника, определяется как произведение напряжения полезного сигнала на диодах, пропорционального наведенной в антенной системе ЭДС, на переменную проводимость диодов. Полезный сигнал оказывается таким образом умноженным на функцию изменения проводимости диодов, получая при этом паразитную модуляцию фоном переменного тока. Ввиду того, что под влиянием изменений обратного напряжения при закрытых диодах изменяется их емкость, сигнал получает в общем случае не только амплитудную, но и фазовую (частотную) модуляцию [3].

Аналогичные явления могут происходить не только при приеме, но и при передаче. При этом источником радиочастотных токов в проводах сети является передатчик, питаемый от сети через выпрямитель. Антенная система с участием проводов сети излучает сигнал с паразитной модуляцией фоном, и этот мультипликативный фон будет помехой всем, кто принимает сигнал данного передатчика. Если радиостанция в режимах приема и передачи использует одну и ту же антенну и питается от одного выпрямителя, то обнаруженный при приеме мультипликативный фон свидетельствует о том, что и при передаче также может быть паразитная модуляция сигнала фоном.

Область проявления рассматриваемого эффекта отнюдь не ограничивается портативной радиоаппаратурой. В стационарных установках с простейшими антеннами токи, казалось бы, должны уходить по проводу заземления, минуя источник питания. Однако от заземления в этом смысле мало пользы, ибо эффективное заземление по высокой частоте, как известно в [4, 5], практически неосуществимо. Синфазные токи радиочастоты в проводах сети могут наводиться в режиме передачи и при наличии полноценной (даже симметричной) антенны с фидером. Это происходит при недостаточном удалении самой антенны от проводов сети или при наличии антенного эффекта фидера [6].

Выше указывалось, что паразитной модуляции подвергается как амплитуда, так и фаза (частота) сигнала. На практике исходная паразитная частотная модуляция фоном незначительна, однако если модуляция принимаемого (или передаваемого) сигнала фоном даже чисто амплитудная, то неизбежные перекосы частотной характеристики тракта передачи-приема приводят к появлению частотной модуляции фоном и помеха будет обнаруживаться приемниками не только AM, но и ЧМ сигналов.

Рассматриваемые мультипликативные помехи приводят к серьезному ухудшению качества сигналов радиовещания и связи. Прием телеграфных и однополосных сигналов, как и обычных радиовещательных, сопровождается характерной хрипотой. В [2] отмечается, что в телевизоре мультипликативный фон "может быть одной из причин появления на экране перемещающихся горизонтальных полос, в пределах которых изображение имеет ослабленные или усиленные контрастность и яркость". Это случается при пользовании простыми комнатными или встроенными антеннами. Нередко причиной помех бывает модуляция радиосигнала в подключенном к той же сети выпрямителе, функционально (и даже гальванически!) не связанном с приемником или передатчиком этого сигнала.

Обстоятельный анализ мультипликативных помех дан в книге [З]. Если влияние аддитивной помехи, которая суммируется с сигналом, можно ослабить с помощью фильтрации, компенсации и даже просто увеличением уровня полезного сигнала, то наиболее реальный путь борьбы с мультипликативной помехой - устранение ее причин и, в частности, в источнике питания.

В литературе можно найти ряд способов ослабления мультипликативного фона [1, 2, 7-10], однако все обнаруженные литературные источники затрагивают проблему только с одной стороны - при радиоприеме.

Наша цель - не только показать, что область возможных негативных проявлений рассмотренных преобразований несколько шире, но также сделать сравнительную оценку возможных способов подавления МФ и привести обоснованные аргументы в пользу одного из направлений в борьбе с этим явлением.

Мультипликативный фон, как при передаче, так и при приеме, возникает при совпадении двух условий: наличия существенной связи между приемником (передатчиком) и проводами сети, т. е. заметного участия проводов сети в работе антенной системы и наличия модулирующих параметрических элементов (диодов выпрямителя) в цепи антенной системы, включающей передатчик (приемник).

Следовательно, борьба с мультипликативным фоном может проводиться, по крайней мере, одним из двух способов соответственно: ослаблением связи между передатчиком (приемником) и проводами сети или ослаблением модулирующего действия диодов. Любой из этих методов для ослабления МФ может оказаться достаточным.

Наиболее популярный способ подавления мультипликативного фона относится ко второму методу. Он состоит в шунтировании диодов выпрямителя конденсаторами [2, 8-10]. Путь токов радиочастоты становится более коротким через имеющие малое сопротивление линейные конденсаторы, а не через диоды, и при достаточно большой емкости шунтирующих конденсаторов удается получить значительное ослабление помехи.

Примерно с конца 70-х годов шунтирование диодов выпрямителей конденсаторами используется многими отечественными и зарубежными производителями источников вторичного электропитания радиоаппаратуры. Конденсаторы устанавливают как в мостовых, так и в двуполупериодных выпрямителях с отводом от середины вторичной обмотки, и даже в однополупериодных выпрямителях. Нам не удалось проследить первопричину и выяснить цель установки конденсаторов, однако в ряде обнаруженных (немногочисленных) комментариев по этому поводу указывалось, что это сделано для "сглаживания высокочастотных помех, проникающих со стороны сети". Во всяком случае эффект модуляции фоном переменного тока заметно снижается. Конденсаторы также способствуют уменьшению импульсных помех от переходных процессов в самих диодах при работе выпрямителя [5].

Другой способ исключить диоды выпрямителя из цепи для синфазных токов радиочастоты более доступен: можно просто соединить по высокой частоте провода сети с общим проводом (корпусом) радиоаппарата [1, 7]. Это делается, например, во всех чувствительных к помехам измерительных приборах и генераторах сигналов. Оба провода сети соединяют с корпусом прибора конденсаторами по 10...100 нф. В этом случае незаземленный корпус прибора может оказаться под опасным напряжением, поэтому защитное заземление (или зануление) корпуса обязательно.

Заметим, что в результате шунтирования конденсаторами диодов или выпрямителя в целом помехи разного рода, проникающие как со стороны сети (в приемник), так и в сторону сети (от передатчика), не уменьшаются, а наоборот, увеличиваются, так как уменьшается сопротивление на их пути.

Таким образом, ослабляя по второму методу мультипликативный фон, возникающий в своем выпрямителе, мы не устраняем, а наоборот, увеличиваем токи радиочастоты в проводах сети. Остается мощный потенциальный источник помех - электросеть как активная часть антенной системы. Таким способом, как показывает опыт, практически невозможно эффективно подавить МФ в условиях реальных сетей при наличии нелинейных или параметрических элементов в подключенных к этой же сети соседних устройствах, в частности устройствах вторичного электропитания.

Значительно лучше в этом отношении не облегчать путь токам радиочастоты через выпрямитель, а наоборот, исключить причину этих токов или закрыть им этот путь, следуя первому из указанных выше методов.

Один из способов - установка запорных дросселей [2]. Они включаются в цепи питания (первичную и/или вторичную) поблизости от объекта (приемника или передатчика), при этом не требуется вмешательства в цепи выпрямителя. Дроссели служат для исключения или для ограничения участия проводов сети в составе антенной системы радиоустройства. Они защищают приемник не только от помех, возникших в своем выпрямителе, но и от помех, возникших во всех других выпрямителях и прочих источниках, связанных сданной сетью. Ведь паразитная модуляция может произойти и на диодах "чужого" выпрямителя.

Дроссели в проводах сети устанавливают практически во всех современных телевизионных приемниках с импульсными вторичными источниками питания, хотя основное их назначение - закрыть путь для гармоник частоты преобразователя и генератора строчной развертки в провода сети.

Другой способ [2] состоит в экранировке вторичной обмотки силового трансформатора от первичной. Идеальная экранировка предполагает полное устранение емкостной связи между обмотками трансформатора. Однако это невозможно ввиду практической невыполнимости эффективного заземления экрана по радиочастоте. А для бестрансформаторных источников питания этот способ, конечно, вообще не подходит.

Еще один путь борьбы с мультипликативным фоном - ослабление электромагнитной связи между антенной и проводами сети. Этого можно добиться удалением, насколько возможно, проводов антенны от проводов сети, избегая параллельного их расположения, а также предупреждением или ослаблением антенного эффекта фидера [6], что достигается, например, с помощью симметрирующих устройств и запорных дросселей (линейных изоляторов) в фидере.

Для наиболее эффективного подавления и предупреждения мультипликативных помех можно и нужно использовать все доступные способы комбинированно. Однако в большинстве описаний любительских блоков вторичного питания никаких средств борьбы с МФ, к сожалению, не обнаружено.

Подчеркнем, что способы первого метода, не являясь необходимыми для узкой цели подавления мультипликативных помех от источников питания, могут оказаться весьма желательными и даже необходимыми для борьбы и с прочими помехами других видов (аддитивных), в то время как взятые отдельно способы второго метода могут усугубить помеховую ситуацию в отношении этих прочих помех. Поэтому предпочтительное применение первого метода отдельно или в сочетании со вторым нам представляется более чем целесообразным.

Сказанное иллюстрируется осциллограммами, полученными с помощью компьютерного моделирования (Electronics Workbench v.5.12). Схема моделирования представлена на рис. 3.

image
Рис.3

Мостовой выпрямитель, питаемый от источника переменного напряжения G1, нагружен цепью R2C7. Диоды моста VD1 - VD4 по параметрам близки к отечественным диодам КД204Б. Ток радиочастоты 150 кГц через выпрямитель создается действием ЭДС генератора G2. Для его индикации служит преобразователь тока в напряжение (генератор напряжения, управляемый током) U1. В качестве элементов подавления МФ служат конденсаторы СЗ - С6 и/или дроссель 11. Элементы С1, С2, R1 представляют модель (эквивалент) некоторой антенной системы с участием сети.

На рис. 4 показаны результаты моделирования: а) пульсации выпрямленного напряжения и на нагрузке R2; б) ток i от генератора G2, полученный без средств подавления; в) и г) - то же, с использованием конденсаторов и дросселя по отдельности; д) - вместе. Достаточно хорошее подавление огибающей получается при емкости конденсаторов СЗ-С6 более 10 нф. Однако введение дросселя значительно снижает уровень нежелательных токов вообще, а совместно с конденсаторами делает мультипликативный фон пренебрежимо малым.

image
Рис.4

Замечено, что шунтирование конденсаторами всех диодов моста дает лучшие результаты, чем только двух из них, а при двух конденсаторах лучше их устанавливать не в смежные, а в противоположные плечи моста.

С увеличением ЭДС генератора G2 примерно до 1 В пропорционально увеличивается ток в цепи этого генератора; это свидетельствует, что выпрямитель для него остается линейной цепью с переменными параметрами. Однако картина несколько меняется при изменениях амплитуды источника G1.

Недостатком чисто дроссельного подавления является то, что при малой индуктивности подавление может оказаться недостаточным, а при большой - сказывается влияние собственной емкости дросселя. Более того, при резонансе контура, образованного индуктивностью дросселя и динамически изменяющейся емкостью диодов, уровень модулированных токов может даже увеличиться. Установлено, что короткие импульсы на осциллограмме рис. 4,г не зависят от наличия генератора G2 (аддитивная помеха!) и не подавляются одним только дросселем L1. Поэтому и при использовании дросселей шунтирование диодов или всего выпрямителя конденсаторами также небесполезно.

Запорные дроссели ("линейные изоляторы") рассчитывают с учетом рабочей полосы частот. Для эффективного ослабления синфазных токов радиочастот полное сопротивление дросселя при этих частотах должно быть не менее 2 кОм (однако он не должен вносить заметных потерь для противофазных токов в цепи питания или фидера).

Дроссели выполняют двойным проводом, например,на кольцевом ферритовом сердечнике с магнитной проницаемостью 400...800. Они могут устанавливаться как в первичной (сеть), так и во вторичной цепях питания, а еще лучше в обеих, если источник питания конструктивно выделен, причем сечение провода должно соответствовать току, а изоляция - напряжению в соответствующей цепи. Расширение рабочей полосы частот и улучшение эффекта подавления помех достигается последовательным (каскадным) включением двух и более линейных изоляторов.

Результаты компьютерного моделирования хорошо подтвердились экспериментально при испытаниях портативного ЧМ трансивера "Урал-Р" диапазона 27 МГц с короткой антенной (0,35 м) без противовеса и с блоком питания для низковольтных бытовых приборов "Микрон БП-6", изначально не имевшим средств подавления помех. Начальная глубина амплитудной модуляции фоном при передаче составила около 22 %. Наилучшее подавление (более чем в 1000 раз) получено при комбинированном применении конденсаторов по 1100 пф для всех плеч моста и запорного дросселя во вторичной цепи питания (по постоянному току), размещенного в отсеке питания трансивера. Отдельно конденсаторы обеспечивали подавление в 13 раз, а дроссель отдельно - в 120 раз. Дроссель имел две параллельные обмотки по 18 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25 мм на кольцевом ферритовом сердечнике марки 600НН типоразмера К12х6х4,5. В режиме приема немодулированного сигнала от генератора мультипликативный фон (без подавления) прослушивался при сильном сигнале только при существенных расстройках, а при слабом сигнале достаточно заметно и при отсутствии расстройки по частоте.

Пример общей практической схемы комбинированного подавления мультипликативных помех приведен на рис. 5. Здесь Zg, - полное сопротивление для токов высокой частоты провода заземления; L1-L3 - запорные дроссели; BALUN - симметрирующее устройство для перехода от симметричной антенны к несимметричному фидеру.

image
Рис.5

Диоды выпрямителя зашунтированы конденсаторами, кроме этого, для токов радиочастоты весь выпрямитель обведен общим проводом заземления и конденсаторами С1, С2, а провода сети отделены дросселем L1. Первичная и вторичная обмотки силового трансформатора (если он есть) разделены экраном. Дроссель L2 создает разрыв в нежелательной, с точки зрения помех, петле, образованной между источником питания и радиоаппаратом проводами питания и заземления. Линейный изолятор L3 и симметрирующее устройство способствуют уменьшению антенного эффекта фидера.

ЛИТЕРАТУРА

1. Техническая консультация. - Радио, 1955,№ 2, с. 59.
2. Егоров И. Мультипликативный фон в радиоприемниках. - Радио, 1980, № 9, с. 40,41.
3. Кремер И. Я., Владимиров В. И., Карпухин В. И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов. - М.: Сов.радио,1972.
4. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах / Пер. с англ. - М.: Мир, 1979.
5. Барнс Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами / Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.
6. Гречихин А., Проскуряков Д. Антенный эффект фидера. - Радио, 2000, № 12, с. 56-58; 2001, № 1, с. 64-66; № 3, с. 67.
7. Бацулко А. Устранение фона в радиоприемниках. - Радио,1980, № 1,с.51.
8. Джараян В. Устранение фона. - Радио, 1981, №5-6, с. 59.
9. Беляев А. Уменьшение фона переменного тока. - Радио, 1973, № 12,с.51.
10. Денисов В. Устранение фона в приемниках при питании от сети. - Радио, 1997, № 8,с.37.




    РадиоКОТ - популярно об электронике. Авторские схемы, новые разработки. Обучение по электронике, микроконтроллерам, ПЛИС. Форум   banner DIPTRACE - САМЫЙ ЛУЧШИЙ ТАКСИРОВЩИК ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Portal-X