Фильтр сетевой ФС-5 советских времён. Схема, замеры, моделирование

В обзоре сетевой фильтр ФС-5. Предположительно, использовался в отечественной вычислительной технике.
Сабж попал в мои закрома 30 лет назад. И вот только сейчас пришло время посмотреть его устройство.
Это вам не китайская переноска с варистором внутри. ))

1. Распаковки не будет
Фильтр имеет скромные размеры 128*128*36 мм (без «ушей» для крепления):

Корпус изготовлен в Челябинске из листового железа толщиной около 1мм.
Масса устройства 710 грамм:

Без верхней крышки:
Пришлось припаять пару проводников ко входу фильтра (к выводам конденсатора), чтобы можно было проводить замеры.
Измеритель ёмкости «видит» фильтр по входу как 0,55 мкФ:

2. Типа теория
Схемотехника сетевых фильтров, как правило, одинаковая плюс-минус:
L1: тококомпенсированный двухобмоточный дроссель
C1, C2: керамические конденсаторы C1, C2
С3: специальный безиндуктивный помехоподавляющий конденсатор
Сетевой фильтр подавляет паразитные синфазные и дифференциальные помехи, шумы частот радиодиапазона, создаваемые питаемым оборудованием (импульсными источниками питания, цифровыми и микропроцессорными устройсвами и т. д.) и проникающими в питающую сеть, помехи и шумы, создаваемые другим оборудованием, включенным в питающую сеть, помехи, вызванные включением и выключением этого оборудования и проникающие из сети в питаемое оборудование. Фильтр состоит из тококомпенсированного (синфазного, common mode) двухобмоточного дросселя L1, идентичные обмотки которого включены встречно по отношению к току питания, и двух керамических конденсаторов небольшой ёмкости C1,C2, выбранных так, чтобы ток утечки на «землю» не превышал допустимой величины, точка соединения конденсаторов присоединяется к защитному заземлению. Конденсаторы С1, С2 и дроссель L1 обеспечивают подавление синфазных помех (действующих в одной фазе на обоих питающих проводах по отношению к «земле»). Для подавления дифференциальных помех (действующих в противофазе между питающими проводами) служит включенный между этими проводами специальный безиндуктивный помехоподавляющий конденсатор C3
©

Ещё одна очень похожая схема:
Ещё порция информации по сетевым фильтрам ПРОТИВОПОМЕХОВЫЕ ФИЛЬТРЫ

Главная задача моих последующих действий — определение полосы пропускания фильтра ФС-5.
В качестве инструментов были использованы генератор МНИПИ Г6-46 и осциллограф.
Но что-то пошло не так. ((

3. Первые попытки замеров
Как оказалось, это был тупиковый путь. Почему?
Во первых, Г6-46 способен работать на нагрузку не менее 600 Ом, и входная ёмкость фильтра ему не по зубам.
Во вторых, выходное напряжение генератора нестабильно, особенно в верхнем диапазоне 100кГц-1МГц, поэтому пришлось задействовать два канала осциллографа.

Вот что удалось намерять:
1кГц

2кГц

4 кГц

8 кГц

Канал CH1 (луч зелёного цвета) — сигнал на входе фильтра,
канал CH2 (луч жёлтого цвета) — сигнал на выходе фильтра.

Несложно заметить, что синусоида на выходе немного почище.

Далее замеры пришлось прекратить, т.к. из-за выходного сопротивления генератора амплитуды сигналов стали уменьшаться с ростом частоты, и достоверность замеров стала совсем никакая.

4. Путь самурая
Я решил не сдаваться и найти решение, чтобы «прогнать» фильтр по частотам до 1 МГц.

В качестве буферного усилителя планировалось использовать усилитель для наушников SMSL на базе супербыстрого операционника TPA6120 с космической скоростью нарастания 1300В/мкс:
Вот он:

Для начала я решил спарить генератор и SMSL, чтобы убедиться, что можно получить 1МГц на выходе усилителя:

Максимум, что я смог выжать по скорости нарастания 200 В/мкс:
Но и этого хватило бы для успешного эксперимента.

Но возникли проблемы.
1) Ёмкостной характер нагрузки (0,55мкФ).
На частоте 1 МГц ёмкостное сопротивление составляет около 0,3 Ом.
А минимальное сопротивление нагрузки для TPA6120 составляет 8 Ом.

2) Для корректной проверки фильтра требуется выходное сопротивление усилителя не более 0,1Ом
.
Почему 0,1 Ом? Поясняю:
Сетевой медный провод (две жилы по 12 метров) от щитка до потребителя как раз имеет сопротивление 0,1Ом.



Сопротивление 0,1Ом и ёмкость фильтра образуют ФНЧ первого порядка с частотой среза 2,9 МГц.
Тут и комментировать нечего.

5. Схема фильтра ФС-5
Пришлось победить лень и таки срисовать схему фильтра.

Отпаял входной конденсатор:
Померял индуктивности обмоток дросселя:
181 и 187 мкГн

Для парафазного сигнала:

Для синфазного сигнала:
Т.о. выводы 1 и 2 дросселя задействованы с точностью до наоборот по отношению к классической схеме.
В результате дроссель подавляет парафазные помехи значительно сильнее, чем синфазные.
Хотите знать, в чём подвох?
Всё просто: этот фильтр не рассчитан на использование «земли».
Его задача — подавление парафазных помех.
Поэтому и такая схемотехника. ))

Далее отковырял платку:
Отпаял ёмкость 6800 пФ, чтобы поточней померять индуктивности на плате:
Замер (12 мкГн):

Плата с нижней стороны:

Схема ФС-5:

6. Моделирование схемы (только для парафазных сигналов)
Пришлось немного изменить схему, т.к. программа моделирования ругается две «земли» в схеме.
Результат:
«Яма» на 400кГц, далее пик на 550кГц и крутой спад:

Затем из схемы был удалён ФНЧ (R1 и C1):
Результат без изменений!

Упразднение C1 развязало руки:
— аннулируется проблема входной ёмкости
— как следствие, можно повторно провести замер (с отсоединённым конденсатором по входу)

7. Замеры (2-я попытка)
Далее всё просто: добавил делитель 1:2 по входу из двух резисторов 3,9 Ом, чтобы облегчить жизнь усилителю. И нагрузочный резистор по выходу 200 Ом:
Снова собрал всё до кучи:
Для каждой частоты переключал вход осциллографа на выход делителя (т.е. вход фильтра) и подстраивал уровень сигнала, чтобы было 1В RMS:


По полученным парам значений Uвых. и частота был нарисован вот такой грубый график
Масштаб — линейный по Х (частота) и по Y (выходное напряжение).

А вот этот же график, но в логарифмическом масштабе по обеим осям (ось Y в дБ):
Для красоты задействовал сглаживание.

Значения «ямы» и пика полностью совпали с результатами моделирования:
— «яма» 400кГц и ослабление минус 28дБ (т.е. 36мВ)
— пик 570кГц и ослабление минус 20дБ (т.е. 100мВ)

Ну что тут добавить? Фильтр честно выполняет свою функцию. )))

8. Вместо заключения
К сожалению, фильтр удаляет помехи только выше 600 кГц.
Щелчки (провалы напряжения) от включения мощных электроприборов, естественно, попадают в полосу прозрачности фильтра и почти не ослабляются. Так что от проблемы «старт советского холодильника» или «сосед включил болгарку» избавиться не получится.
Для таких тяжёлых случаев есть другое проверенное решение.

Готов ответить на Ваши вопросы.
Всем удачных экспериментов!