Platenspeler.Com |
 |
Platenspeler.Com |
|
Technical Background
of Power Filters
Last update 10-Feb-2007
Several times I read articles on mains filters, especially on audio forums every now and then there are threads on this subject with reactions of "believers"and "scientists". And when reading an audio magazine power filters are mostly judged on subjective properties such as:
When reading about mains filtering in another than audio/hifi context, your might find more technical background on mains filtering, mostly a (simplified) scientific approach. This enables the average audiophile to catch up on his electronics classes and better judge the benefits of filters in his/her audio setup.
With
my average technical background I want to provide some background here on mains
filtering. I hope it will enable other DIY freaks to build their own filters
based upon some understanding of the filter basics. However, I do recognize
my own weakness in this area: playing with 230V mains voltage is different from
building your own amp and I welcome feedback from other that have the required
technical background (a degree doesn't hurt really). Feel free to post me some
feedback with the feedback button on the left frame.
Over the last two years I built two mains filters myself, and I have some experience with using IEC320 type net-entry with built-in mains filter. Apart from myself, I received feedback from several other HiFi lovers who built a filter themselves and most are very satisfied with the results. Should you (after reading this page) still want to build your own mains filter, please read the story on these pages.
I do hope that while reading this page some people get a really good idea, and make me build the third version of a mains filter (which I will describe on this site of-course).
A filter is a device that for for a given set of frequencies let audio of mains frequencies pass and blocks other before they enter our audio equipment. In case of a mains filter, it's task is to let the 50Hz "signal" pass the filter and use it to power our equipment and at the same time block all other frequencies since these frequencies are not designed to be used by power supplies of hifi equipment. Also, mains filters also work in the other direction: A filter can block unwanted signals generated by equipment to be fed back to others.
By the way, this last function is a very useful one in some situations: In many cases it makes more sense to filter "click's and pop's" from for example your fridge at the source of the mains pollutions rather than use a mains filter for your HiFi equipment.
There are several different forms of mains pollution. In the ideal case, living in a deserted area but not far from a utility company, one receives "green" 230V power with a perfect sinus and 50Hz frequency. However, the ideal world does not exist: Most of us live in an urban area perhaps with a factory in the neighbourhood, or other polluter that draw power on some moments such that our perfect sine power contains lots of spikes or high frequency pollution. Also our fluorescent lamps, dishwashers and fridges not only use power but also put some unwanted surprises back on our power lines.
Some equipment is more sensitive to these signals than others which may lead to a less than optimal reproduction of our audio signals. Of course most modern amplifiers and CD players etc. are designed with good power supplies which already filter a lot of unwanted signals. After all the design engineers take into consideration that their creations should function in our modern. But, with the enormous increase of small power adapters, switching power supplies, dimmers and other electronics that invade our homes year by year in ever larger quantities we better be prepared for the worst.
xxx
Omdat er aan een netfilter zware eisen worden gesteld met betrekking tot veiligheid en vermogen, wordt de werking minder selectief. In het algemeen worden door netfilters de hoogfrequente (zeg maar in de buurt van 1MHz en hoger) storingen gefilterd. De effecten van industriele belasting, te lage of te hoge spanning op het lichtnet maar ook lage harmonischen van de lichtnetfrequentie van 50 Hz worden niet gefilterd. Voor de puristen bestaat de mogelijkheid om een eigen netspanning op te bouwen door electronica of zelfs een eigen dynamo in de kelder. Dit gaat mij te ver, ik houd het hier voornamelijk bij filtering van hoogfrequente signalen.
Voor filters, en zeker voor zelfbouwfilters geldt "baat het niet, dan schaadt het niet", maar voorzichtigheid is natuurlijk geboden en het beste is niet al te veel exotische componenten aan het net te hangen.
Let's have a look how capacitors work in a simple filter. Laten we eens beginnen te kijken naar de werking van de condensator als deze is opgenomen parallel aan de belasting in de stroomkring (zeg maar kortgesloten tussen beide polen). Indien een condensator wordt aangesloten op een gelijkspanning zal de condensator zich opladen en gedurende deze periode loopt er (een beetje) stroom. Hierna geleid de condensator niet meer. Bij wisselspanning is het gedrag echter anders: Een condensator heeft een schijnbare weerstand voor wisselstroom, en deze is omgekeerd evenredig met de frequentie van de aangeboden wisselspanning.
The impedance Xc in Ohms of a capacitor is calculated as follows:
Xc = 1 / ( 2 * pi * f * C )
Here f is the frequency in Hz and C is the capacity in Farad.
Hieronder een kleine spreadsheet waar voor een paar vaak in netfilters gebruikte waarden van de condensator goed te zien is hoe de schijnbare weerstand afneemt met de frequentie, zodat hoogfrequente signalen door een condensator worden doorgelaten. Een condensator zet je daarom parallel aan de belasting (dus je sluit als het ware de fase en de nul kort met de condensator).
Goed is te zien is dat bij 50 Hz de weerstand Xc erg hoog is, ca. 21000 Ohm. Voor hoogfrequente signalen, in de buurt van de 1 MHz neemt de weerstand af tot ca. 1 Ohm. Dit betekent dat een parallel geschakelde condensator voor deze frequenties bijna volledig in geleiding staat, zodat spanningen worden kortgesloten.
Een condensator, eventueel samen met een weerstand zijn daarom goed geschikt als passief netfilter in een stopcontact waar erg veel storing aanwezig is. Er zijn talloze commerciele parallelfilters in omloopt, de meeste kosten al gauw een paar tientjes. Ik zou er graag eentje willen openmaken om te zien of de waarde van de gebruikte componenten een tientje overschrijdt.
Overigens zijn de in netfilters gebruikte condensatoren van een speciaal type dat veel beter bestand is tegen doorslag en speciaal ontworpen om tegen zeer hoge piekspanningen te kunnen.
Als je een spoel opneemt in serie in een stroomkring heeft deze zowel een weerstand voor gelijkstroom als een schijnbare weerstand voor wisselspanning (vergelijk met impedantie bij een luidspreker). De weerstand voor gelijkstroom is constant en over het algemeen erg laag voor spoelen die worden gebruikt in netfilters, tenslotte moeten we onderweg geen vermogen verliezen en mag de spoel ook niet te warm worden. De weerstand voor wisselspanning is afhankelijk van de frequentie en de inductie van de spoel. De vergelijking om deze schijnbare weerstand (Xl) te berekenen is als volgt:
Xl = 2 * pi * f * L
Hier is f de frequentie van het signaal en L de inductie, aangegeven in Henry. De waarde van L is ondermeer afhankelijk van het aantal windingen, of er een kern gebruikt wordt etc. Hieronder vind je een tabel waar voor een aantal frequenties de resulterende impedantie van een spoel is uitgezet.
Goed is te zien dat voor de netspanning van 50Hz een smoorspel van 5.3 milli Henry een schijnbare weerstand heeft van 1.67 Ohm. Dit is welliswaar laag, maar begint toch al een factor te worden. Dit betekent wat mij betreft dat het dus ook niet verstandig is om een al te grote belasting achter deze spoel te zetten. Stel je sluit een belasting aan van ca. 440Watt en je meet een stroom van 2 Ampere, dan veroorzaakt de spoel een spanningsval bij 50 Hz van 2* 1.67 is 3.34 Volt en neemt zelf een vermogen op van I*I*r=2*2*1.67=ca. 7.5 Watt. Voor een 900 W belasting (bijv. een zware versterker) levert dit een stroom op van ca. 4 ampere een spanningsval van 7.5 volt en een opgenomen vermogen van ca. 30 Watt. Dus juist als je veel vermogen nodig hebt werkt de spoel hier tegen je.
Als je het gedrag van een spoel bekijkt in een stroomkring, dan is een spoel dus prima te gebruiken in serie met een belasting. De spoel komt dus tussen het net en het te ontstoren apparaat. Vaak wordt een dubbele spoel gebruikt en wordt deze zo gewonden dat de magnetische velden van beide windingen (0 en fase) elkaar opheffen.
Hoe meer windingen er aanwezig zijn, hoe hoger de inductie en daarmee de waarde L in de vergelijking. Echter, om ook niet teveel netspanning tegen te houden bij 50Hz dient de smoorspoel fors te worden uitgevoerd. Meestal wordt voor grotere vermogens daarom gekozen voor een waarde L van 1mH, die (zie de tabel) dus iets minder goed zal filteren, maar tevens ook veel minder spanningsverlies geeft en minder vermogen opneemt.
En in grafiekvorm ziet het er voor Xl (spoel) en Xc (condensator) er zo uit:
Een Varistor is een weerstand die afhankelijk is van de aangelegde spanning. Varistor = VDR (Voltage Dependent Resistor) = MOV (Metal Oxide Varistor). Een varistor vind je ondermeer in overspanning beveiligingen die je voor twee tientjes te koop zijn in iedere bouwmarkt.
Zo’n overspanning beveiliging is vaak een tussenstekker die in het stopcontact wordt gestoken en waar vervolgens de TV of een verdeelslof weer wordt op aangesloten. De eigenlijke beveiliging is vaak super simpel en bestaat nogal eens uit een Varistor die over beide polen is aangesloten en een weerstand met een LED die hier parallel op staat zodat e.e.a. er in ieder geval lekker stoer uitziet en je de indruk krijgt waar voor je geld te hebben.
Wanneer de varistor z'n werk gaat doen hangt af van het type, er zijn er voor 275 Volt, maar ook van 250 Volt. Voor het laatste type geldt dan dat bij spanningen groter dan 250 Volt de weerstand van de varistor snel (en niet-lineair) afneemt met als resultaat dat spanningspieken worden kortgesloten tussen beide polen. Varistors hebben last van verouderingsverschijnselen wat ze over tijd minder betrouwbaar maakt voor een aantal toepassingen. Op de site van een leverancier las ik dat dit mede te maken heeft met het kiezen van een te lage waarde waarbij de varistor actief wordt, zodat deze niet alleen gebruikt wordt voor bescherming tegen echt hoge pieken maar ook als een goedkope manier om te filteren net boven de nominale waarde van de netspanning. Met het oog op de laatste opmerking wellicht niet verstandig voor ons net om een 250V versie te nemen maar liever een exemplaar van 275V uit te zoeken.
Gek genoeg: De KE Noise detector die middel seen geluidssignaal aangeeft of er storing op het lichtnet aanweizig is, werd bij mij in huis al behoorlijk stiller als er een overspanningsbeveiliging (met Varistor en LED) in het stopcontact werd gestoken. De varistor zou je dus kunnen gebruiken om te hoge spanningen in het netfilter tegen te gaan.
Varistors worden ook nogal eens ingezet als een overspanningsbeveiliging ter beveiliging van spanningspieken in het stroomnet ten gevolge van een inslag. Tegen direkte inslag kun je je met deze simpele componenten niet beveiligen. Echter, schade ten gevolge van een tijdelijke en plotselinge verhoging van de netspanning voor een inslag "in de buurt" kan soms wel met een varistor worden voorkomen.
Het is goed te weten dat volgens bronnen die ik hierover op internet vond in Nederland slechts 10% van de bliksem schade wordt veroorzaakt door direkte inslag. De kans op een direkte inslag is "slechts" eens in de 40 jaar. Indirekte schade door blikseminslag in de buurt (inslag op telefoonkabels, netspanningsvoorzieningen zoals trafohuisjes, centrale antenne etc.) komt veel vaker voor, en is vaak pas na enige tijd fataal voor je apparatuur. Verzekeringen hebben dan ook moeite om deze "vage" claims toe te wijzen. De vraag blijft of je je apparatuur wilt beschermen met als resultaat dat na enige tijd er toch defecten aan het licht komen of dat je direkt een "hit" accepteert en je verzekeraar aanspreekt.
Experimenten met varistors hebben wel aangetoond dat de varistor ruimte moet hebben om "kapot" te gaan bij zeer zware belasting. In de USA zijn testen gedaan waarbij bleek dat apparatuur waar de varistor zwaar was ingekapseld uiteindelijk niet beschermd was omdat de varistor intact bleef (door gebrek aan ruimte bleven de delen tegen elkaar aangedrukt, ook nadat hij was uitgefikt).
The basic construction of a mains filter is almost always based on the same principle. The figure below shows the schematic of my do-it-yourself mains filter. Two chokes take care of the HF signals. After all, we think that the mains voltage is a perfect 50- or 60 Hz sinus signal but in real life the signal does not look perfect at all. A choke will remove mainly the high frequency pollution on teh power lines (see also the choke section above).
Two capacitors with values in the range of 0.15 to 0.22 uF filter on both sides of the chokes HF pollution. As the capacitor is a near perfect conductor for high frequencies it will short HF signals between live and ground. The capacitors C3 and C4 enable shorting of parasitic HF to ground (asymmetric).
De condensatoren C3 en C4 zorgen ervoor dat symmetrische stoorsignalen naar aarde kunnen afvloeien.
Twee spoelen zorgen ervoor dat hoogfrequente signalen slechts zeer gedempt worden doorgelaten.
De weerstand tenslotte dient ervoor om de condensator te ontladen, want als je het filter loskoppelt zou er spanning blijven staan over de condensatoren en deze vloeit via de weerstand langzaam weg.
Zoals al eerder opgemerkt worden in een netfilter andere eisen gesteld aan condensatoren dan in willekeurige schakelingen. Types C1 en C2 zijn van het type klasse X2 en types C3 en C4 zijn van een nog hogere veiligheidsklasse nl. Y.
Als je de schakeling en dus ook de aangesloten apparatuur achter een netfilter wilt beschermen tegen een overspanning, dan kun je parallel aan R1 en C1 nog een varistor aansluiten.
Ik heb ook het totale filter zoals hierboven beschreven eens door de EWB simulator gehaald en er de frequenties van 100 Hz tot en met 1 MHz op losgelaten om te zien hoe de demping verliep. Aangezien het om relatief hoge spanningen gaat en veel vermogen (4A maximaal) zal het netfilter bij lage frequenties eigenlijk niet veel doen.
Voor de simulatie ben ik zoals gezegd uitgegaan van het filter van Conrad dat hierboven is beschreven, en er is een dummy load van 100 Ohm gebruikt, dat levert de ca. 4 Ampere stroom op. Tevens is een simulatie uitgevoerd met 300, 500 en 1000 Ohm belasting, met name de laatste waarde is vanzelfsprekend een stuk realistischer ervan uitgaande dat het filter geen zware eindversterker maar veeleer een voorversterker of cdspeler zal voeden.
Goed is te zien in de chart dat pas bij zeer hoge frequenties een netfilter echt goed begint te werken.
Het filter heeft een stoorfrequentie rond de 3300 Hz; stoorsignalen met deze frequentie worden door het filter versterkt in plaats van gefilterd. Deze versterking is niet gering: 12.81dB, ca. 4.37 maal.
Verstoringen in de lage frequenties, bijvoorbeeld door harmonischen in de netspanning, zullen door dit netfilter niet worden aangepakt. Daarvoor dient de voeding van de aangesloten apparatuur zorg te dragen, iets wat door een goed ontwerp zeker mogelijk moet zijn.
Om ook de stoorfrequentie van 3000 Hz die zich in het vorige schema bevindt te neutraliseren kunnen we een tweede filter sectie achter de eerste plaatsen en kijken of we in staat zijn om het effect van stoorfrequenties rond de 3000 Hz op te heffen.
Toevallig werd er deze week een filter besproken op een van de audio forums, het filter was van Schaffner en was voor de wat lagere belasting berekend. Omdat het hier een 2e orde filter betreft wil ik deze hier ook bespreken om te zien of het gedrag van een tweede set spoelen een extra filterende werking heeft.
Het filter ziet er als volgt uit: Schaffner filter.
Omwille
van de leesbaarheid heb ik hier zelf even een schema van gemaakt. Goed is te
zien dat dit filter ook weer volledig symmetrisch is opgebouwd vandaar ook dat
aansluiting op nul en fase niet kritisch is.In vergelijking met het Conrad filter
wordt gebruik gemaakt van 4 spoelen die ook nog een keer een hogere waarde hebben
(meer vermogensverlies) en voor correctie van asymmetrische storing wordt gebruik
gemaakt van condensatoren van de Y-veiligheidsklasse met een waarde van 4.7
nF. Aan de andere kant hebben C1 en C2 een hogere waarde van 470 nF.
Het filter is gespecificeerd tot 3A, en er zijn speciale versies voor medische toepassingen (geen Cy condensatoren) en verhoogde veiligheidsklasse (lagere capaciteiten voor Cx).
Het is mogelijk om ook dit filter in EWB te simuleren bijv. door een parameter sweep te doen over de belasting weerstand (200-2000 Ohm) en daarvoor een AC frequency analysis (10V wisselstroom verstoring). Helaas ben ik vergeten om de tabel in dB te exporteren, dus dat komt nog wel een keer.
In de chart kun je goed zien dat dit filter bedoeld is voor een lagere belasting, want de effecten van de grotere waardes voor de spoelen beginnen al eerder zichtbaar te worden dan bij het Conrad filter. Echter, net als bij het Conrad filter verschijnt er weer een piek, die zich met name bij lage belasting (2000 Ohm) voordoet en veel minder in de buurt van de nominale belasting van het filter.
Ik concludeer hier voorlopig uit dat een extra filter trap niet wezenlijk de storing binnen het LF gebied te minimaliseren. Ook denk ik dat je het beste een filter kan kopen/bouwen dat goed aansluit bij de aan te sluiten belasting, en dus niet te klein maar zeker niet te groot omdat het filter dan optimaal werkt zonder extra vervorming binnen de 1000-10000 Hz band.
Als je van plan bent om een los netsnoer aan een apparaat te bevestigen kun
je kiezen voor verschillende soorten eurostekker inbouw delen. De meest simpele
is alleen een kunststof ingang, maar er zijn ook varianten met een schakelaar,
zekering of netfilter en desgewenst in iedere combinatie.
Het lijkt heel verleidelijk om een inbouwdeel te monteren met een ingebouwd netfilter. Toch loont het de moeite om even te kijken naar de gebruikte componenten in zo’n filter. De opbouw is vergelijkbaar met die zoals hierboven beschreven, daarom is het eenvoudig om de afwijkingen te bespreken.
M’n allereerste “netfilter” bestond uit niet meer dan zo’n inbouw eurostekker die ik in een kleine behuizing had ondergebracht. Zo was eenvoudig bij verschillende apparaten met afneembaar netsnoer het netfilter te plaatsen.
Hoewel de waardes en de opbouw voor verschillende inbouwdelen kunnen verschillen, zijn er vanwege de kleine ruimte in zo’n euro behuizing concessies gedaan aan de kwaliteit van het filter.
De
waardes voor mijn filter "Belling Lee" zijn als volgt: C1 is
0.015uF (X2), C2 is vervallen, C3 en C4 2.2nF en L1
en L2 zijn 0.5mH. De weerstand van 1 M Ohm is ook aanwezig. In de grafiek
hierboven kun je zien dat de waardes voor zo’n filter aanmerkelijk verschillen
ten opzichte van waardes die in het zelfbouwfilter zijn gebruikt. De condensator
blijft veel langer in geleiding en dempt daardoor later en minder, en de spoel
heeft veel minder werking en houdt nauwelijks hoogfrequente storing tegen.
Na bestudering van een tweetal netfilters waaronder een uit Elektuur waar een aantal mensen op het hifi.nl forum enthousiast over was, en een paar andere ontwerpen die op internet te vinden waren was me duidelijk dat de meeste ontwerpen niet echt ingewikkeld waren. Meestal werd gebruik gemaakt van een eerste orde filter met een dubbele spoel en een paar condensatoren. Goed afgeschermd in een metalen behuizing en aangesloten met afgeschermde netsnoeren komt je toch snel aan een redelijk bedrag bij zelfbouw, terwijl de electronische componenten je de kop niet kosten. Geeft te denken, dus wil ik nog wel een keer de zaag in een commercieel ontwerp zetten om te zien of daar echt geld in is gestoken (men beweert altijd van wel)
De meeste ontwerpen wijken af van het hierboven beschreven schema doordat er controleschakelingen en signalering lampjes worden toegevoegd. Voor de puristen onder ons natuurlijk niets meer dan een mogelijke introductie van storende componenten. Voor de hobbyisten natuurlijk een mooie manier om aan de buitenkant te kunnen zien of hun filter werkt.
Ik ben nog steeds zoekende naar een beter ontwerp waar gebruik gemaakt wordt van tweede orde filtering of transformators e.d. alsmede wat achtergrond informatie om te begrijpen wat deze technologie zou toevoegen aan het luistergenot.
Een parallel filter is een filter dat niet tussen het net en een apparaat wordt geschakeld, maar het wordt in de omgeving van een storing in een stopcontact gestoken om daar z’n werk te doen. De werking van zo’n filter is dus wel algemener en plaatselijk, terwijl een serieel filter zeer gericht een apparaat of een aantal aangesloten apparaten beveiligt tegen storing en hier ook optimaal voor kan worden aan gepast.
Een parallel filter zou dus kunnen bestaan uit een paar condensatoren met een weerstand. In principe dus de schakeling zoals hierboven, met alleen R1, C1, C3 en C4.
Eigenlijk kan een parallel filter een niet veel andere werking hebben als een seriefilter zoals hierboven beschreven. Het blijkt ook altijd dat het inzetten van een netfilter ook z'n werking heeft op de apparatuur die niet achter het netfilter zijn geschakeld maar wel in dezelfde wandcontactdoos bijv. Helaas worden parallelle netfilters, pluggen etc. bijna altijd in stekkervorm geleverd en in de inhoud ingegoten in hars etc. Dit maakt het moeilijk om een aantal commerciele modellen goed te vergelijken.
De volgende zaken wil ik nog aan deze pagina verbeteren, dus als je input kan geven gaarne:
version 1.0
© Maarten&Annemarie, 2000, 2001, 2002